管道應(yīng)力計(jì)算中ASME B31標(biāo)準(zhǔn)系列的應(yīng)用及比較

方立

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

管道應(yīng)力計(jì)算中ASME B31標(biāo)準(zhǔn)系列的應(yīng)用及比較

方立

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

ASME B31規(guī)范系列是石油化工行業(yè)中常用的標(biāo)準(zhǔn)系列。文章從許用應(yīng)力、壁厚計(jì)算和應(yīng)力校核等方面對(duì)ASME B31.1、B31.3、B31.4和B31.8進(jìn)行了比較，針對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用的不同管道類型，分析了各標(biāo)準(zhǔn)之間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)不同之處進(jìn)行了論述，為工程設(shè)計(jì)的恰當(dāng)應(yīng)用提供參考。

ASME B31；許用應(yīng)力；壁厚計(jì)算；應(yīng)力校核

ASME B31標(biāo)準(zhǔn)系列是由美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（The American Society of Mechanical Engineers，ASME）B31壓力管道規(guī)范委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下編制的，由一系列單獨(dú)出版的卷組成，每卷根據(jù)不同的管道類型進(jìn)行制定：B31.1所述動(dòng)力管道主要指發(fā)電站、工業(yè)設(shè)備和公共機(jī)構(gòu)的電廠、地?zé)嵯到y(tǒng)及集中和分區(qū)的供熱和供冷系統(tǒng)中的管道；B31.3所述工藝管道主要為煉油、化工、制藥、紡織、造紙、半導(dǎo)體和制冷工廠，以及相關(guān)的工藝流程裝置和終端設(shè)備中的管道；B31.4所述液態(tài)烴和其他液體的輸送管線系統(tǒng)主要指工廠與終端設(shè)備間以及終端設(shè)備、泵站、調(diào)節(jié)站和計(jì)量站內(nèi)輸送主要為液體產(chǎn)品的管道；B31.5所述冷凍管道主要為冷凍或二次冷卻器的管道；B31.8所述氣體輸送和配汽管道系統(tǒng)為生產(chǎn)廠與終端設(shè)備（包括壓氣機(jī)、調(diào)節(jié)站和計(jì)量器）間輸送主要為氣體產(chǎn)品的管道以及集汽管道；B31.9所述房屋建筑用戶管道主要為工業(yè)設(shè)備、公共機(jī)構(gòu)、商業(yè)和市政建筑以及多單元住宅內(nèi)的管道，但不包括B31.1所覆蓋的尺寸、壓力和溫度范圍；B31.11所述漿液輸送管道為工廠與終端設(shè)備間以及終端設(shè)備、泵站和調(diào)節(jié)站內(nèi)輸送含水稀漿的管道；B31.12所述氫用管道系統(tǒng)和管道主要適用于氣態(tài)和液態(tài)氫管道系統(tǒng)以及輸送氣態(tài)和液態(tài)氫管道。

在石油化工行業(yè)中，最常用的管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是ASME B31.3，在一些特定的設(shè)備和裝置中（如長(zhǎng)輸管道、動(dòng)力鍋爐等系統(tǒng)）也會(huì)應(yīng)用到ASME B31.1、B31.4和 B31.8， 而對(duì)于 ASME B31.5、B31.9、B31.11及B31.12則較少涉及。本文將從許用應(yīng)力、壁厚計(jì)算和應(yīng)力校核等方面對(duì)ASME B31.1、B31.3、B31.4和B31.8進(jìn)行比較，分析各標(biāo)準(zhǔn)之間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，旨在工程設(shè)計(jì)中能夠應(yīng)用適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

1　管道許用應(yīng)力的確定

ASME B31.1規(guī)范中規(guī)定的許用應(yīng)力在強(qiáng)制性附錄A《許用應(yīng)力表》中給出，該附錄列出了適用于動(dòng)力管道的各種材料在不同溫度下的許用應(yīng)力值。ASME B31.1規(guī)定管道材料的許用應(yīng)力取值為鋼材抗拉強(qiáng)度的1/3.5和屈服強(qiáng)度的2/3之間的較小值，在該《許用應(yīng)力表》中還專門包括了焊縫系數(shù)和鑄造質(zhì)量系數(shù)。

ASME B31.3規(guī)范中規(guī)定的許用應(yīng)力也在其附錄A中給出，同樣列出了適用于工藝管道的各種材料在不同溫度下的許用應(yīng)力值。該許用應(yīng)力取值為鋼材抗拉強(qiáng)度的1/3和最低屈服點(diǎn)的2/3之間的較小值。

ASME B31.4中，許用應(yīng)力值按式（1）計(jì)算：

式中，0.72為以公稱壁厚為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)系數(shù)，考慮了規(guī)范準(zhǔn)用材料標(biāo)準(zhǔn)中提供的壁厚負(fù)偏差和最大允許缺陷深度等因素，并增加裕量；E為焊接接頭系數(shù)。

ASME B31.8中，許用應(yīng)力值按式（2）計(jì)算：

式中，F(xiàn)為設(shè)計(jì)系數(shù)；E為縱向接頭系數(shù)；T為溫度降低系數(shù)。

比較上述標(biāo)準(zhǔn)中管道材料許用應(yīng)力可知：

ASME B31.1和B31.3中有明確的許用應(yīng)力值，該值一般以鋼材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為基準(zhǔn)，在考慮一定安全系數(shù)的同時(shí)，還考慮鋼材蠕變、應(yīng)力松弛等其他因素，故其選用的鋼材通常要考慮材料的綜合力學(xué)性能；而B31.4和B31.8則僅僅以鋼材的最低屈服強(qiáng)度為基準(zhǔn)，一般以高屈強(qiáng)比的材料為主。以SA106B材料為例，其許用應(yīng)力（常溫下）按照B31.1為117 MPa，B31.3為135 MPa，B31.4為173 MPa，而B31.8僅給出最低屈服強(qiáng)度為239 MPa。這是因?yàn)椋篈SME B31.1和B31.3所涵蓋的管道系統(tǒng)承受荷載條件較為復(fù)雜，其壓力、溫度等操作條件變化范圍較廣，故管道系統(tǒng)需考慮較大的安全系數(shù)；而B31.4和B31.8是針對(duì)長(zhǎng)距離氣液輸送的管道標(biāo)準(zhǔn)，該類管道承受荷載條件相對(duì)簡(jiǎn)單，壓力溫度變動(dòng)范圍較小，在工程中易于被精確計(jì)算，故可以以最低屈服強(qiáng)度作為評(píng)判依據(jù)。

2　管道壁厚計(jì)算

為了更直觀地比較上述規(guī)范在壁厚計(jì)算方面的區(qū)別，本文采用列表的方式進(jìn)行比較。ASME B31.1 和B31.3的計(jì)算公式較為接近，故將兩者放在一起，見表1；而ASME B31.4和B31.8則較為接近，其壁厚計(jì)算公式見表2。

表1　ASME B31.1和B31.3的內(nèi)壓直管管道壁厚計(jì)算公式Tab.1 The Formula of Wall Thickness in ASME B31.1 and ASME B31.3

表2　ASME B31.4和B31.8的內(nèi)壓直管管道壁厚計(jì)算公式Tab.2 The Formula of Wall Thickness in ASME B31.4 and ASME B31.8

比較以上標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于承受內(nèi)壓直管管道壁厚的計(jì)算公式，可知：

（1）在壁厚計(jì)算公式中，ASME B31.1和B31.3以許用應(yīng)力為基礎(chǔ)，兩者計(jì)算公式較為相近；而ASME B31.4和B 31.8則以最低屈服強(qiáng)度為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，兩者計(jì)算公式較為相近；而B31.1、ASMEB31.3與B31.4、B31.8的計(jì)算公式之間區(qū)別較大。

（2）B31.1用于動(dòng)力管道，其介質(zhì)一般為蒸汽、凝液和水等腐蝕性較小的介質(zhì)，因此其附加厚度A以機(jī)械加工產(chǎn)生的損失為主；而B31.3規(guī)范適用于石油、化工和制藥等領(lǐng)域，在設(shè)計(jì)過程中需考慮管道內(nèi)不同流體介質(zhì)的腐蝕性，因此其加工裕量c要兼顧腐蝕裕量與機(jī)械加工損失。

另外，ASME B31.3在B31.1的計(jì)算公式基礎(chǔ)上還增加了焊接接頭強(qiáng)度降低系數(shù)W。在高溫下，焊接接頭的持久強(qiáng)度可能比母材的持久強(qiáng)度低。該系數(shù)適用于溫度高于510 ℃且基于蠕變影響的考慮［6］。

（3）ASME B31.4和B31.8在計(jì)算壁厚公式中，關(guān)于壁厚偏差以及最大允許缺陷深度等通過計(jì)算許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)系數(shù)F來體現(xiàn)，并增加了一定的裕量。ASME B31.4的設(shè)計(jì)系數(shù)一般取0.72，而ASME B31.8的設(shè)計(jì)系數(shù)則根據(jù)其地區(qū)等級(jí)的不同而取值不同。

3　管道應(yīng)力校核

3.1一次應(yīng)力校核

ASME B31系列的一次應(yīng)力校核準(zhǔn)則為：

（1）ASME B31.1 壓力、重量和其他持續(xù)機(jī)械載荷的產(chǎn)生的縱向應(yīng)力的總和SL不應(yīng)超過熱態(tài)條件下的許用應(yīng)力Sh。

（2）ASME B31.3 管道系統(tǒng)任一組件由于壓力、重量和其他持續(xù)載荷產(chǎn)生的縱向應(yīng)力的總和SL，應(yīng)不超過預(yù)計(jì)最高金屬溫度下的許用應(yīng)力Sh和焊接接頭的強(qiáng)度降低系數(shù)W的乘積?？紤]縱向應(yīng)力時(shí)，焊接接頭的強(qiáng)度降低系數(shù)W對(duì)于縱向焊縫可取為1.0。

（3）ASME B31.4 壓力、重量和其他外在載荷所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和，不應(yīng)超過0.75 S。S為材料許用應(yīng)力，S=0.72×E×最低屈服強(qiáng)度。

（4）ASME B31.8 縱向壓應(yīng)力和各種外載荷，如管子自重和內(nèi)盛物重量，風(fēng)載荷引起的縱向彎曲應(yīng)力之和不應(yīng)超過0.75 S。S為最低屈服強(qiáng)度。

對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)中的一次應(yīng)力校核公式可知：B31.1 和B31.3的校核準(zhǔn)則基本一致，但B31.3額外考慮了焊接接頭的降低系數(shù)，較B31.1稍保守。B31.4和B31.8的校核準(zhǔn)則也基本一致，均以材料的屈服強(qiáng)度為基準(zhǔn)，但B31.4的校核準(zhǔn)則更苛刻。與壁厚計(jì)算類似，ASME B31.1、B31.3與B31.4、B31.8的一次應(yīng)力校核準(zhǔn)則之間相差較大。

3.2二次應(yīng)力校核

在ASME B31規(guī)范中，對(duì)二次應(yīng)力的計(jì)算均根據(jù)第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）。若忽略軸向作用，則當(dāng)量應(yīng)力SE為：

另外，由于ASME B31.4中還包含埋地管道的計(jì)算，埋地管道由于土壤彈性力和摩擦力的作用可視為完全約束的直管管道，其二次（膨脹）應(yīng)力應(yīng)按式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中 SL— 縱向壓應(yīng)力；

Sh— 流體壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；

T1— 管道安裝時(shí)的溫度；

T2— 最高或最低操作溫度；

E — 鋼材彈性模量；

α — 線膨脹系數(shù)；

υ — 泊松比。

對(duì)于二次應(yīng)力的校核，ASME B31標(biāo)準(zhǔn)系列的準(zhǔn)則均為SE≤SA，SA為許用位移應(yīng)力范圍。同樣，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于SA的定義也是不同的。

（1）ASME B31.1規(guī)定

管道系統(tǒng)計(jì)算得出的二次應(yīng)力范圍SE應(yīng)不大于式（5）計(jì)算出的許用位移應(yīng)力范圍SA：

當(dāng)Sh大于SL時(shí)，他們之間的差（Sh- SL）可加到式（5）中，在此情況下許用應(yīng)力范圍按式（6）計(jì)算：

式中 f — 應(yīng)力范圍系數(shù)（f≤1）；

Sc— 在計(jì)算應(yīng)力范圍的循環(huán)中預(yù)期的最低金屬溫度下的材料的基本許用應(yīng)力；

Sh— 在計(jì)算應(yīng)力范圍的循環(huán)中預(yù)期的最高金屬溫度下的材料的基本許用應(yīng)力。

（2）ASME B31.3規(guī)定

ASME B31.3關(guān)于許用位移應(yīng)力范圍SA的計(jì)算公式與B31.1定義基本一致，為：

（3）ASME B31.4規(guī)定

不考慮液壓應(yīng)力，根據(jù)100 %的膨脹，采用材料冷態(tài)條件下的彈性模量而算出的最大膨脹應(yīng)力范圍SE不得超過許用應(yīng)力范圍S。S為材料許用應(yīng)力，S=0.72×E×最低屈服強(qiáng)度。

（4）ASME B31.8規(guī)定

最大組合的膨脹應(yīng)力范圍SE不應(yīng)超過0.72 S。S為規(guī)定的最低屈服強(qiáng)度。

對(duì)比上述許用位移應(yīng)力范圍計(jì)算公式可知：

（1）ASME B31.1、B31.3與 ASME B31.4、B31.8關(guān)于許用位移應(yīng)力范圍的計(jì)算公式完全不同。這是因?yàn)椋篈SME B31.1和B31.3主要是為了防止二次應(yīng)力的疲勞破壞，其許用應(yīng)力公式是基于安定性分析得出［5］。而ASME B31.4和B31.8的二次應(yīng)力校核則仍舊以管道強(qiáng)度破壞為基準(zhǔn)。筆者認(rèn)為ASME B31.4和B31.8對(duì)于二次應(yīng)力的許用值判據(jù)過于保守，是值得商榷的。

（2）ASME B31.4 中的埋地管道的二次應(yīng)力計(jì)算與其他計(jì)算完全不一致，應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

綜上所述，在管道應(yīng)力校核過程中，對(duì)于一次應(yīng)力的校核ASME B31.1和B31.3基本一致，比ASME B31.4和B31.8保守；而在二次應(yīng)力的計(jì)算中ASME B31.1、B31.3與B31.4、B31.8之間有根本的區(qū)別。

4　結(jié)束語

在工程設(shè)計(jì)中，由于ASME B31.1和ASEM B31.3涉及的管道一般均為裝置內(nèi)的架空管道，其特點(diǎn)是管道數(shù)量和品種較多，但是單根管道的距離并不是很長(zhǎng)，而且管道內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力種類較多，所以在設(shè)計(jì)中首先應(yīng)考慮管道系統(tǒng)的安全性， ASME B31.1和ASEM B31.3之間的區(qū)別主要在于兩者涉及的管道系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)特性不同。而ASME B31.4和B31.8涉及的一般為長(zhǎng)輸管道，其特點(diǎn)是管道品種較少，管道內(nèi)的介質(zhì)操作工況較為單一，壓力溫度變動(dòng)范圍較小，但是管道距離很長(zhǎng)，所以在工程設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧安全和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面。本文主要針對(duì)許用應(yīng)力的選取、一次應(yīng)力和兩次應(yīng)力的校核三個(gè)和管道應(yīng)力計(jì)算有關(guān)的方面論述了這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，為工程設(shè)計(jì)的恰當(dāng)應(yīng)用提供參考。

［1］ASME B31.1—2014.Power Piping

［2］ASME B31.3—2014.Process Piping

［3］ASME B31.4—2012. Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids

［4］ASME B31.8—2014. Gas Transmission and Distribution Piping Systems

［5］宋岢岢.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用［M］.北京：中國石化出版社，2011.

Comparison of Standards in B31 Series and Their Application in Piping Stress Analysis

Fang Li
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.， Ltd， Shanghai 200120）

The series of ASME B31 is commonly used standards in petrochemical industry. With respects of allowable stress，thickness calculation and stress checking， the comparison of ASME B31.1， B31.3， B31.4 and B31.8 was carried out. With respect to different applicable piping for these standards， the similar and dissimilar points among these standards were analyzed. Especially， the dissimilar points were emphatically stated. What presented herein may be used as reference in engineering design.

ASME B31； allowable stress； thickness calculation； stress checking

TQ 015

A

2095-817X（2016）03-0041-004

2016-03-31

方立（1972—），男，高級(jí)工程師，主要從事管道設(shè)計(jì)和管道應(yīng)力計(jì)算工作。