管道應力計算中ASME B31標準系列的應用及比較

方立

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

管道應力計算中ASME B31標準系列的應用及比較

方立

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

ASME B31規范系列是石油化工行業中常用的標準系列。文章從許用應力、壁厚計算和應力校核等方面對ASME B31.1、B31.3、B31.4和B31.8進行了比較，針對各個標準適用的不同管道類型，分析了各標準之間的相同點與不同點，重點對不同之處進行了論述，為工程設計的恰當應用提供參考。

ASME B31；許用應力；壁厚計算；應力校核

ASME B31標準系列是由美國機械工程師協會（The American Society of Mechanical Engineers，ASME）B31壓力管道規范委員會領導下編制的，由一系列單獨出版的卷組成，每卷根據不同的管道類型進行制定：B31.1所述動力管道主要指發電站、工業設備和公共機構的電廠、地熱系統及集中和分區的供熱和供冷系統中的管道；B31.3所述工藝管道主要為煉油、化工、制藥、紡織、造紙、半導體和制冷工廠，以及相關的工藝流程裝置和終端設備中的管道；B31.4所述液態烴和其他液體的輸送管線系統主要指工廠與終端設備間以及終端設備、泵站、調節站和計量站內輸送主要為液體產品的管道；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為生產廠與終端設備（包括壓氣機、調節站和計量器）間輸送主要為氣體產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設備、公共機構、商業和市政建筑以及多單元住宅內的管道，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備間以及終端設備、泵站和調節站內輸送含水稀漿的管道；B31.12所述氫用管道系統和管道主要適用于氣態和液態氫管道系統以及輸送氣態和液態氫管道。

在石油化工行業中，最常用的管道設計標準是ASME B31.3，在一些特定的設備和裝置中（如長輸管道、動力鍋爐等系統）也會應用到ASME B31.1、B31.4和 B31.8， 而對于 ASME B31.5、B31.9、B31.11及B31.12則較少涉及。本文將從許用應力、壁厚計算和應力校核等方面對ASME B31.1、B31.3、B31.4和B31.8進行比較，分析各標準之間的相同點與不同點，旨在工程設計中能夠應用適當的標準來進行設計和計算。

1　管道許用應力的確定

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

ASME B31.3規范中規定的許用應力也在其附錄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力值。該許用應力取值為鋼材抗拉強度的1/3和最低屈服點的2/3之間的較小值。

ASME B31.4中，許用應力值按式（1）計算：

式中，0.72為以公稱壁厚為基準的設計系數，考慮了規范準用材料標準中提供的壁厚負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。

ASME B31.8中，許用應力值按式（2）計算：

式中，F為設計系數；E為縱向接頭系數；T為溫度降低系數。

比較上述標準中管道材料許用應力可知：

ASME B31.1和B31.3中有明確的許用應力值，該值一般以鋼材的抗拉強度和屈服強度為基準，在考慮一定安全系數的同時，還考慮鋼材蠕變、應力松弛等其他因素，故其選用的鋼材通常要考慮材料的綜合力學性能；而B31.4和B31.8則僅僅以鋼材的最低屈服強度為基準，一般以高屈強比的材料為主。以SA106B材料為例，其許用應力（常溫下）按照B31.1為117 MPa，B31.3為135 MPa，B31.4為173 MPa，而B31.8僅給出最低屈服強度為239 MPa。這是因為：ASME B31.1和B31.3所涵蓋的管道系統承受荷載條件較為復雜，其壓力、溫度等操作條件變化范圍較廣，故管道系統需考慮較大的安全系數；而B31.4和B31.8是針對長距離氣液輸送的管道標準，該類管道承受荷載條件相對簡單，壓力溫度變動范圍較小，在工程中易于被精確計算，故可以以最低屈服強度作為評判依據。

2　管道壁厚計算

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

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

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

比較以上標準中關于承受內壓直管管道壁厚的計算公式，可知：

（1）在壁厚計算公式中，ASME B31.1和B31.3以許用應力為基礎，兩者計算公式較為相近；而ASME B31.4和B 31.8則以最低屈服強度為基礎進行計算，兩者計算公式較為相近；而B31.1、ASMEB31.3與B31.4、B31.8的計算公式之間區別較大。

（2）B31.1用于動力管道，其介質一般為蒸汽、凝液和水等腐蝕性較小的介質，因此其附加厚度A以機械加工產生的損失為主；而B31.3規范適用于石油、化工和制藥等領域，在設計過程中需考慮管道內不同流體介質的腐蝕性，因此其加工裕量c要兼顧腐蝕裕量與機械加工損失。

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

（3）ASME B31.4和B31.8在計算壁厚公式中，關于壁厚偏差以及最大允許缺陷深度等通過計算許用應力的設計系數F來體現，并增加了一定的裕量。ASME B31.4的設計系數一般取0.72，而ASME B31.8的設計系數則根據其地區等級的不同而取值不同。

3　管道應力校核

3.1一次應力校核

ASME B31系列的一次應力校核準則為：

（1）ASME B31.1 壓力、重量和其他持續機械載荷的產生的縱向應力的總和SL不應超過熱態條件下的許用應力Sh。

（2）ASME B31.3 管道系統任一組件由于壓力、重量和其他持續載荷產生的縱向應力的總和SL，應不超過預計最高金屬溫度下的許用應力Sh和焊接接頭的強度降低系數W的乘積?？紤]縱向應力時，焊接接頭的強度降低系數W對于縱向焊縫可取為1.0。

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

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

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

3.2二次應力校核

在ASME B31規范中，對二次應力的計算均根據第三強度理論（最大剪應力理論）。若忽略軸向作用，則當量應力SE為：

另外，由于ASME B31.4中還包含埋地管道的計算，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）應力應按式（4）進行計算。

式中 SL— 縱向壓應力；

Sh— 流體壓力產生的環向應力；

T1— 管道安裝時的溫度；

T2— 最高或最低操作溫度；

E — 鋼材彈性模量；

α — 線膨脹系數；

υ — 泊松比。

對于二次應力的校核，ASME B31標準系列的準則均為SE≤SA，SA為許用位移應力范圍。同樣，不同標準對于SA的定義也是不同的。

（1）ASME B31.1規定

管道系統計算得出的二次應力范圍SE應不大于式（5）計算出的許用位移應力范圍SA：

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

式中 f — 應力范圍系數（f≤1）；

Sc— 在計算應力范圍的循環中預期的最低金屬溫度下的材料的基本許用應力；

Sh— 在計算應力范圍的循環中預期的最高金屬溫度下的材料的基本許用應力。

（2）ASME B31.3規定

ASME B31.3關于許用位移應力范圍SA的計算公式與B31.1定義基本一致，為：

（3）ASME B31.4規定

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

（4）ASME B31.8規定

最大組合的膨脹應力范圍SE不應超過0.72 S。S為規定的最低屈服強度。

對比上述許用位移應力范圍計算公式可知：

（1）ASME B31.1、B31.3與 ASME B31.4、B31.8關于許用位移應力范圍的計算公式完全不同。這是因為：ASME B31.1和B31.3主要是為了防止二次應力的疲勞破壞，其許用應力公式是基于安定性分析得出［5］。而ASME B31.4和B31.8的二次應力校核則仍舊以管道強度破壞為基準。筆者認為ASME B31.4和B31.8對于二次應力的許用值判據過于保守，是值得商榷的。

（2）ASME B31.4 中的埋地管道的二次應力計算與其他計算完全不一致，應區別對待。

綜上所述，在管道應力校核過程中，對于一次應力的校核ASME B31.1和B31.3基本一致，比ASME B31.4和B31.8保守；而在二次應力的計算中ASME B31.1、B31.3與B31.4、B31.8之間有根本的區別。

4　結束語

在工程設計中，由于ASME B31.1和ASEM B31.3涉及的管道一般均為裝置內的架空管道，其特點是管道數量和品種較多，但是單根管道的距離并不是很長，而且管道內介質的溫度、壓力種類較多，所以在設計中首先應考慮管道系統的安全性， ASME B31.1和ASEM B31.3之間的區別主要在于兩者涉及的管道系統內的介質特性不同。而ASME B31.4和B31.8涉及的一般為長輸管道，其特點是管道品種較少，管道內的介質操作工況較為單一，壓力溫度變動范圍較小，但是管道距離很長，所以在工程設計時要兼顧安全和經濟兩個方面。本文主要針對許用應力的選取、一次應力和兩次應力的校核三個和管道應力計算有關的方面論述了這幾個標準之間的相同點與不同點，為工程設計的恰當應用提供參考。

［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.工業管道應力分析與工程應用［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，高級工程師，主要從事管道設計和管道應力計算工作。