API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則分析探討

劉紅芳

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

美國(guó)石油協(xié)會(huì)（American petroleum institute）的API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石油天然氣工業(yè)用井口裝置和采油樹(shù)的性能、尺寸和功能互換性、設(shè)計(jì)、材料、試驗(yàn)、檢驗(yàn)、焊接、標(biāo)志、包裝、貯存、運(yùn)輸、采購(gòu)、修理和再制造的要求，并給出了相應(yīng)的推薦做法，在石油工業(yè)中有著很廣泛的應(yīng)用，是一部較好、較詳細(xì)的API產(chǎn)品規(guī)范，目前第20版已于2011年4月實(shí)施［1-3］。但其中對(duì)承壓元件設(shè)計(jì)方法中應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則的限定不夠清楚，影響對(duì)新設(shè)計(jì)承壓元件強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果合理判斷。為此，筆者引入了3個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的承壓元件設(shè)計(jì)的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，通過(guò)比較分析，指出了API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則所存在的問(wèn)題，并給出了2種應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則修改方案，以供相關(guān)技術(shù)人員商榷。

1 幾個(gè)常用應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則

1.1API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則

在API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，其它端部聯(lián)接裝置、本體和蓋的設(shè)計(jì)可以按美國(guó)工程師協(xié)會(huì)（American society of mechanical engineers，ASME）鍋爐和壓力容器規(guī)則的第Ⅷ卷第2分冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱ASME標(biāo)準(zhǔn)）中的應(yīng)力強(qiáng)度判定方法。設(shè)計(jì)許用應(yīng)力ST、Sm分別由下列兩個(gè)公式給出：

式中：ST為靜水壓試驗(yàn)壓力下的最大許用總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度；Sm為額定工作壓力下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；Sy為材料規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度。

1.2ASME標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則

在ASME標(biāo)準(zhǔn)2004版中,先對(duì)應(yīng)力進(jìn)行了詳細(xì)分類，把應(yīng)力分為薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上，提出了工作狀態(tài)、靜水壓試驗(yàn)狀態(tài)和氣壓試驗(yàn)狀態(tài)3種條件下的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則限定［4-5］。

1）工作狀態(tài)應(yīng)滿足以下兩個(gè)強(qiáng)度條件。在工作狀態(tài)下，所計(jì)算出的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm和一次薄膜應(yīng)力加上一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb應(yīng)同時(shí)滿足下列兩個(gè)公式：

式中，S為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值。

2）靜水壓試驗(yàn)狀態(tài)應(yīng)滿足以下兩個(gè)強(qiáng)度條件。在靜水壓試壓狀態(tài)下，所計(jì)算出的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm和一次薄膜應(yīng)力加上一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb應(yīng)同時(shí)滿足下列兩個(gè)公式：

3）氣壓試驗(yàn)狀態(tài)應(yīng)滿足以下兩個(gè)強(qiáng)度條件。在氣壓試壓狀態(tài)下，所計(jì)算出的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm和一次薄膜應(yīng)力加上一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb應(yīng)同時(shí)滿足下列兩個(gè)公式：

1.3API Spec 6A F2技術(shù)報(bào)告中的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則

APITR 6AF2［6］是針對(duì) API Spec 6A 標(biāo)準(zhǔn)中整體法蘭在組合載荷（包括拉伸、彎曲、內(nèi)壓和裝配載荷）下的強(qiáng)度分析計(jì)算給出了應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，它是以技術(shù)報(bào)告的形式對(duì)外公開(kāi)發(fā)布。采用的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則如表1。

表1 應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則

2 API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)力分析與常用準(zhǔn)則對(duì)比

2.1 同A S M E標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)比

1）在API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中，明確指出了其它端部聯(lián)接裝置、本體和蓋的設(shè)計(jì)可以采用ASME標(biāo)準(zhǔn)2004版中的內(nèi)容，但給出的靜水壓試驗(yàn)壓力條件下的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則只有總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度的限定，即式（2），而沒(méi)有對(duì)一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行限定。在ASME標(biāo)準(zhǔn)2004版中，明確提出了式（5）和式（6）必須同時(shí)滿足，而且公式中使用的判定強(qiáng)度數(shù)值是材料規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度。因此，同ASME標(biāo)準(zhǔn)相比較，API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則限定不夠完整。

2）在API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)ASME標(biāo)準(zhǔn)的引用，沒(méi)有考慮氣壓試壓工況條件，而在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，明確提出了氣壓試壓時(shí)應(yīng)滿足的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，即式（7）和式（8）。因此，同ASME標(biāo)準(zhǔn)相比較，API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中給定的工況條件不夠完整。

3）在API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則未采用ASME標(biāo)準(zhǔn)最新版本相關(guān)條款之規(guī)定，而依然采用ASME標(biāo)準(zhǔn)2004版中的內(nèi)容。ASME標(biāo)準(zhǔn)在2007版和2010版中［7-8］，已經(jīng)將靜水壓試驗(yàn)的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則做了修改，將式（5）修改為 Pm≤0.95Sy，將式（6）修改為：當(dāng) Pm≤0.67Sy時(shí)，Pm+Pb≤1.43Sy；當(dāng) 0.67Sy＜Pm≤0.95Sy時(shí)，Pm+Pb≤2.43Sy-1.5Pm。

因此，同ASME標(biāo)準(zhǔn)相比較，API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則技術(shù)跟進(jìn)相對(duì)滯后。

2.2 同A P I T R6 A F 2技術(shù)報(bào)告中的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)比

在API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)其他端部連接裝置、本體和蓋的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，僅給出了額定工作壓力和靜水壓試壓壓力2種載荷條件，但在API TR 6AF2技術(shù)報(bào)告中，對(duì)整體法蘭分6種載荷條件分別給出了應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則。作為API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中所涉及產(chǎn)品的其它端部聯(lián)接裝置、本體和蓋，在受力分析時(shí)，同樣存在法蘭連接，應(yīng)該考慮裝配、拉伸、彎曲和溫度的多種載荷條件。因此，同API TR 6AF2技術(shù)報(bào)告相比較，API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則給定載荷條件不夠完整。

3 對(duì)API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則修改方案的建議

在API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中，將靜水壓試驗(yàn)一次薄膜應(yīng)力從ASME標(biāo)準(zhǔn)（2004版及以前）規(guī)定的0.9倍的材料屈服強(qiáng)度（Sy）降低到0.83倍的材料屈服強(qiáng)度，可能是基于更安全、更可靠方面因素考慮，是一種保守設(shè)計(jì)，這點(diǎn)是正確的。但是，針對(duì)以上所存在的問(wèn)題，筆者通過(guò)分析研究，在兼顧API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)保守設(shè)計(jì)和ASME標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力強(qiáng)度判定方法的基礎(chǔ)上，不考慮ASME標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)力強(qiáng)度理論由第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）改為第四強(qiáng)度理論（變形能理論）的背景，分別針對(duì)API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)在引用ASME標(biāo)準(zhǔn)2004版和2010版中的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，提出了2種應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則修改方案，如表2和表3。

表2 應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則修改方案一

表3 應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則修改方案二

4 結(jié)論

1）隨著石油工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，井口裝置及采油樹(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)的高精度、高可靠性顯得尤為重要，作為API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)中其他端部連接裝置、本體和蓋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法引用ASME標(biāo)準(zhǔn)的思路是正確的，但是對(duì)ASME中規(guī)定的強(qiáng)度準(zhǔn)則引用不夠完整。

2）本文給出的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則兩種修改方案，沒(méi)有考慮ASME標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)力強(qiáng)度理論由第三強(qiáng)度理論改為第四強(qiáng)度理論的背景條件，有待更進(jìn)一步論證研究，并逐步完善。

［1］ API Spec 6A：2011.Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment［S］.

［2］ 張永澤.對(duì)API 6A規(guī)范設(shè)計(jì)強(qiáng)度限制準(zhǔn)則的探討［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1993，22（3）：12-17.

［3］ 張永澤.API Spec 16A《鉆穿設(shè)備規(guī)范》評(píng)介［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1988，17（2）：41-43.

［4］ 張永澤，梁政，蔣發(fā)光.復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析強(qiáng)度判定方法［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（5）：5-8.

［5］ ASME Boiler and pressure vessel committee.Boiler and pressure vessel code,section Ⅷ,division 2,Alternative Rules［S］.

［6］ API TR 6AF2:2008.Technical report on capabilities of API integral flanges under combination of loading,phase Ⅱ［S］.

［7］ ASME Boiler and pressure vessel committee.Boiler and pressure vessel code,section Ⅷ,division 2,Alternative Rules［S］.

［8］ ASME Boiler and pressure vessel committee.Boiler and pressure vessel code,section Ⅷ,division 2,Alternative Rules［S］.