國際化工項(xiàng)目中壓力管道支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的探討

湯 海

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西西安 710065)

1 探討的范圍和背景

支管連接包括支管直接與主管的焊接連接和通過支管連接管件與主管的連接兩種形式，支管連接管件包括支管座、半管接頭和三通等[1]。在設(shè)計(jì)工藝管道支管連接時(shí)，一般優(yōu)先選擇支管連接管件。支管連接管件有對(duì)應(yīng)的管件制作標(biāo)準(zhǔn)，此類標(biāo)準(zhǔn)支管連接管件在結(jié)構(gòu)上有足夠的耐壓強(qiáng)度，一般不需要進(jìn)行強(qiáng)度校核及補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)于一些特殊管道，如火炬管道、大口徑管道、公用工程介質(zhì)管道、低壓常溫工藝介質(zhì)管道以及要求支管與主管連接時(shí)支管應(yīng)沿介質(zhì)流向45°斜接在主管頂部的管道[2]，由于標(biāo)準(zhǔn)支管連接管件的尺寸限制及經(jīng)濟(jì)合理性的因素，多數(shù)情況下支管與主管的連接需要采用直接焊接的形式，因此，在管道設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)主管上所開支管接孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算可以執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)有ASME B31.3、GB 50316、GB/T 20801、SH/T 3059等，在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)具體項(xiàng)目要求可靈活選取標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合目前國內(nèi)化工、石化及石油行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)絕大多數(shù)工程公司都逐步向國際市場(chǎng)進(jìn)軍，因此，文章主要探討如何使用ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接支管連接進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，以解決國際化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的支管連接問題。焊接支管分為支管直接焊于主管和帶擠壓成型接口的支管焊接兩種，帶擠壓成型接口的支管連接現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少，不做討論。

2 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的理論依據(jù)[3]及適用范圍[4]

支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算采用的理論是等面積補(bǔ)強(qiáng)法。根據(jù)ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)的第304.1節(jié)進(jìn)行直管段壁厚計(jì)算時(shí)，認(rèn)為該直管段是完整的，如果由于焊接支管或其他原因在該直管段上開一定面積的孔，這就意味著設(shè)計(jì)用來承壓的一塊金屬材料被拿掉了，被開孔的直管段作為主管，其承壓能力實(shí)際上就被削弱了。因此，在開孔的承壓有效范圍內(nèi)，必須有與之相當(dāng)?shù)亩嘤嘟饘俨牧献鳛檠a(bǔ)償來保證強(qiáng)度。多余的金屬材料一般來自于主管和支管的壁厚設(shè)計(jì)裕量、補(bǔ)強(qiáng)板以及補(bǔ)強(qiáng)焊區(qū)。判定補(bǔ)強(qiáng)足夠的標(biāo)準(zhǔn)為：開孔剖面上所有的有效補(bǔ)強(qiáng)面積之和，不小于開孔所削弱的主管承壓所需最小截面積。等面積補(bǔ)強(qiáng)法理論認(rèn)為，在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)所有的多余金屬材料，都被認(rèn)為可以等效的彌補(bǔ)開孔處的材料削弱，該理論本身沒有考慮任何安全系數(shù)。隨著開孔角度的增加以及主管本身剛性的降低，都會(huì)進(jìn)一步削弱開孔處的強(qiáng)度。所以，ASME B31.3中明確指出等面積補(bǔ)強(qiáng)法是計(jì)算支管連接的最低要求，同時(shí)有一定的適用范圍，詳見ASME B31.3中304.3.1 (b)。

ASME B31.3中支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算適用范圍的限制條件有：Dh/Th<100時(shí)，Db/Dh≤1.0；Dh/Th≥100時(shí)，Db/Dh<0.5；β≥45°；支管軸線與主管軸線相交。

其中：Dh——主管外徑，Th——主管最小壁厚，Db——支管外徑，β——支管軸線與主管軸線間的夾角。

注意：在工程設(shè)計(jì)時(shí)一定要核對(duì)支管連接是否滿足以上條件，如滿足方可采用ASME B31.3 304.3進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，否則應(yīng)根據(jù)304.7.2章節(jié)的要求進(jìn)行支管設(shè)計(jì)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程設(shè)計(jì)條件

某工程的某一個(gè)管道材料等級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力1.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度150 ℃，材料ASTM A106 GR.B SMLS，腐蝕裕量1.5 mm，管道設(shè)計(jì)壁厚見表1。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)該管道材料等級(jí)的支管連接表如圖1。

表1 管道壁厚Tab.1 The pipe thickness

圖1 支管連接表Fig.1 Branch pipe connection table

3.2 理論分析計(jì)算

(1) 按照ASME B31.3 304.3.2(a)的規(guī)定，圖1中的等徑三通T和異徑三通E為標(biāo)準(zhǔn)的支管連接管件，不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

(2) 按照ASME B31.3 304.3.2(b)的規(guī)定，圖1中的承插焊半管接頭H如滿足1)Db≤DN 50，2)Db/Dh≤1/4，不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，否則需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。關(guān)于半管接頭的強(qiáng)度核算，在工程設(shè)計(jì)中常被忽略，該部分的限制條件應(yīng)該予以重視。圖1中粗實(shí)線框內(nèi)的承插焊半管接頭不滿足Db/Dh≤1/4，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

按照ASME B31.3 304.3.1(b)的規(guī)定及表1定義的管道壁厚，圖1中的管對(duì)管焊接P和管對(duì)管焊接加補(bǔ)強(qiáng)板J的支管連接滿足ASME B31.3 304.3.1(b)的4個(gè)條件，可以通過ASME B31.3 304.3.3進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

(3) 通過上述分析，該支管連接表有三部分需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，分別為：①粗實(shí)線框內(nèi)的承插焊半管接頭H；②管對(duì)管焊接P；③管對(duì)管焊接加補(bǔ)強(qiáng)板J。明確范圍后，可按照ASME B31.3 304.3.3計(jì)算需要的補(bǔ)強(qiáng)面積A1和有效的補(bǔ)強(qiáng)面積A2+A3+A4。計(jì)算公式分別如下：

A1=thd1(2-sinβ)

A2=(2d2-d1)(Th-th-c)

A3=2L4(Tb-tb-c)/sinβ

min[(Dr-Db/sinβ)Tr′(2d2-Db/sinβ)Tr]

式中：A1——主管因開孔削弱而要求補(bǔ)強(qiáng)的截面積；A2——補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)主管上除承受壓力所需面積之外的多余截面積；A3——補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)支管上除承受壓力所需面積之外的多余截面積；A4——補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的焊縫截面積與補(bǔ)強(qiáng)圈截面積之和。

若計(jì)算結(jié)果滿足A2+A3+A4≥A1，則認(rèn)為補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算通過。

(4) 通過對(duì)該支管表的逐一核算得出，管對(duì)管焊接P和管對(duì)管焊接加補(bǔ)強(qiáng)板J可以滿足A2+A3+A4≥A1，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算通過。粗實(shí)線框內(nèi)的承插焊半管接頭H在原始設(shè)計(jì)時(shí)沒有進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，忽視了ASME B31.3 304.3.2(b)中關(guān)于免除承插焊半管接頭補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的限制條件，這也是設(shè)計(jì)過程中普遍存在的問題，復(fù)查時(shí)經(jīng)過計(jì)算，該部分也滿足A2+A3+A4≥A1，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算通過。

3.3 容易忽視的問題

(1) ASME B31.3支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用范圍關(guān)于適用范圍，標(biāo)準(zhǔn)中定義了4條要求，第3條角度要求和第4條支管軸線與主管軸線相交，一般都可以滿足。在工程設(shè)計(jì)過程中往往忽視的是第1條和第2條的要求，造成這個(gè)原因最主要的是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50316沒有“主管的直徑與壁厚之比(Dh/Th)小于100且支管與主管的直徑之比(Db/Dh)不大于1.0”和“主管的直徑與壁厚之比(Dh/Th)大于等于100且支管直徑Db小于主管的直徑Dh的一半”的限制要求。雖然在GB/T20801.3-2006標(biāo)準(zhǔn)中增加了管徑和壁厚比的要求，但由于GB 50316實(shí)施時(shí)間較長，很多設(shè)計(jì)人員會(huì)慣性思維的沿用GB 50316的標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣在國際工程的管道支管連接設(shè)計(jì)中就會(huì)出現(xiàn)不滿足ASME B31.3相關(guān)規(guī)定的情況。在工程設(shè)計(jì)中會(huì)存在大口徑碳鋼管道、薄壁不銹鋼管道等，此類管道很可能會(huì)出現(xiàn)Dh/Th≥100，在工程中如忽視該限制條件，則支管連接表設(shè)計(jì)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)免除支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的條件。

①支管連接采用標(biāo)準(zhǔn)的三通，ASME B16.9或ASME B16.11中的三通，如圖1中的T和E。

②支管連接采用標(biāo)準(zhǔn)的支管連接管件，如MSS SP-97中的支管臺(tái)。

③支管連接采用標(biāo)準(zhǔn)的螺紋或承插焊管接頭、半管接頭直接焊于主管上。

以上三個(gè)可以免除支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的條件，最容易犯錯(cuò)的是③。①和②為標(biāo)準(zhǔn)管件，沒有其他使用限制要求。使用③時(shí)，要求支管的尺寸不能超過DN50,同時(shí)不超過主管尺寸的1/4；管接頭、半管接頭在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)任何一處的最小壁厚(如在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)有螺紋，則壁厚是從螺紋根部量到最小外徑，管接頭和半管接頭為內(nèi)螺紋)應(yīng)不小于無螺紋支管的最小壁厚；管接頭、半管接頭在任何情況下其壓力級(jí)別不應(yīng)小于ASME B16.11中的CL3000。在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常會(huì)忽略“支管的尺寸不能超過DN50,同時(shí)不超過主管尺寸的1/4”的限制要求，如圖1粗實(shí)線框內(nèi)的部分。該部分一般不會(huì)對(duì)使用造成影響，但忽略計(jì)算會(huì)造成設(shè)計(jì)文件的完整性不能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

(3)計(jì)算公式。

需要的補(bǔ)強(qiáng)面積A1和有效的補(bǔ)強(qiáng)面積A2、A3及A4的計(jì)算公式較簡(jiǎn)單，在應(yīng)用過程中需注意三個(gè)符號(hào)的正確取值。

①補(bǔ)強(qiáng)區(qū)寬度之半d2：為d1或(Tb-c)+(Th-c)+d1/2兩者中的較大值。

②主管外補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的高度L4：為2.5(Th-c)或2.5(Th-c)+Tr中較小值。

③支管焊接角焊縫厚度tc：6 mm(1/4 in)或0.7倍的支管公稱壁厚中較小值。

4 結(jié)論

支管連接在每個(gè)項(xiàng)目的管道設(shè)計(jì)中都是不可或缺的組成部分，支管連接的正確與否，不僅關(guān)系到管道設(shè)計(jì)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，更關(guān)系到管道設(shè)計(jì)是否滿足安全要求。在支管連接的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮管道運(yùn)行工況，除壓力荷載之外，還有由于熱膨脹、收縮、管道限位支架等產(chǎn)生的管道位移及其所引起的外力，綜合所有因素，合理選取支管連接標(biāo)準(zhǔn)管件或采用支管直接與主管焊接的連接型式。

國際化工項(xiàng)目的焊接支管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算執(zhí)行的主要標(biāo)準(zhǔn)為ASME B31.3，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中，一定要注意ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用范圍，避免出現(xiàn)違背標(biāo)準(zhǔn)要求的支管連接。雖然并非所有違背ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)的支管設(shè)計(jì)都最終會(huì)出現(xiàn)問題或事故，但是高質(zhì)量的設(shè)計(jì)應(yīng)避免一切潛在的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全。設(shè)計(jì)人員應(yīng)深刻理解標(biāo)準(zhǔn)要求，掌握標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法，為管道設(shè)計(jì)提供合理合規(guī)的支管連接解決方案。