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鹅管撬米 石 油 化 工 设 计 P e t r oc he mi c a l De s i gn 2 0 0 4版 A S ME规范 B 3 1 . 3工艺管道的技术变更 产 卫 南京金凌石化工程设计有限公 司, 江 苏南京 2 1 0 0 3 3 摘 要 AS ME B 3 1 . 3 2 0 0 4与 ASME B 3 1 . 3 2 0 0 2相 比 , 作 出 了一 些 重要 变更 , 这 些 变 更 涉及 焊 缝 接头强度降低 系数 w、 应力范围 系数 f , 用于高应力范围的 另一种规 则、 高温情况 下针 对偶 然载荷 的另 一 种许用应力 、 膨胀 节的特 殊设 计要 求等 , 笔者针 对这些变更作 出说 明。 关键词 A S ME B 3 1 . 3 ; 2 0 0 4版 ; 技术变更 ; 工艺 管道 AS ME B 3 1 . 3 P r o c e s s P i p i n g是一 部 被 国际 工程 界普 遍接 受 的 工艺 管 道 规 范 , 由美 国机 械 工 程师学会 AS ME 压力管道规范 B 3 1 委员会负责 编制。其范围涵盖炼 油、 化 工、 制药 、 纺织、 造纸、 半导体和制冷行业工艺管道 , 内容包括管道及其 部件的材料 、 设计 、 应力 、 安装和检查 验收要求。 随着国内石化 、 化工的设计和工程建设与 国际交 流 的不断增 加 , A S ME B 3 1 . 3正 在越 来 越 多 地被 国内工程 界 接 受 和 采 用 。AS ME B 3 1 . 3 2 0 0 4版 于 2 0 0 5年 4 月 2 9日出版 , 2 0 0 5年 1 0月 3 1日起 强制执行 。作为 AS ME B 3 1 . 3 2 0 0 2的修订本 , AS ME B 3 1 . 3 2 0 0 4作 出 了一 些 非 常 重 要 的 技 术修 改 。随后 B 3 1 委 员会又 发布 了勘 误表 “ E r r a t a t o t h e B 3 1 . 3 2 0 0 4 E d i t i o n ” , 值 得关 注 的是 , 这 份勘 误表 不仅 仅 纠 正 了一 些 文 字错 误 , 还 涉及 一 些重要的补充和修正, 理应视为规范的一个组 成部分。笔 者通 过 对 AS ME B 3 1 . 32 0 0 4和 A S ME B 3 1 . 3 2 0 0 2的 比较 , 对 2 0 0 4版所做 的一 些重要修改进行说明, 以便于 AS ME B 3 1 . 3规范 以下简称规范 的使用者加深对规范的理解和正 确运 用 这里 涉及 的段 落 号 均 为 AS ME B 3 1 . 3 2 0 0 4中相应段 落号 , 公式 中符号含 义与 AS ME B 3 1 . 3 2 0 0 4相 同 。 1焊缝 接头 强度 降低 系数 W 焊缝接头强度 降低 系数是 2 0 0 4版规范增加 的 内容 , 见 3 0 2 . 3 . 5 e 。 “ 在高温下 , 焊缝接头的持久强度可能比母材 的持久 强度 低 。对 于 焊 接 管 , 当按 3 0 4确定 承受 内压要求的壁厚 时, 许用应力和焊缝质量系数的 乘积 S E还 应乘 以焊缝 接 头 强度 系 数 w 来调 整 。 当按 3 0 2 . 3 . 5 c 评 价 持续 载 荷 产 生 的 纵 向应 力 时 , 在环焊缝 上的许用应力 s 要乘 以 w。当评 价偶然载荷如风载荷和地震载荷或者按 3 0 2 . 2 . 4 评价允许 的变动时 , 不要求采用焊缝接 头强度降 低系数 。对于偶然载荷或变动条件下的额定压力 和许用应力不要求使用焊缝强度降低系数。当按 3 0 2 . 3 . 5 d 计算许用 的位移应力范 围 s 时 , 也 不要求采用焊缝接头强度降低系数。它的应用只 取决 于焊缝 位 置 。 焊缝接头强度降低系数是引起焊缝接头失效 的名 义应 力与 相 同持续 时间母 材失 效 的名 义应 力 之 比, 在 缺少更 多 可用数 据 的情 况 下 , 对 于所有 材 料 , 温度 不大 于 5 1 0 ℃时 , 应取 1 . 0 , 温 度 为 8 1 5 ℃ 时, 应取 0 . 5 。中间温度的强度降低系数应使用 线性 内插法求得。对于温度高于 8 1 5 ℃的情况, 由设计者负责确定强度降低系数 。 使用焊缝接头的蠕变试验确定强度降低系数 时, 宜使用全厚度横截面焊缝试样试验, 其持久时 间不低于 l O 0 0 h 。除非设计者考虑因横穿焊缝应 力重新分配的影响 , 应使用全厚度焊缝试样 。 ” n ] 引入焊缝接头强度降低系数是由于在某些情 况 下 , 已经测 定 的焊 件 的蠕 变 破 坏 强度 低 于 母 材 的蠕变破坏强度。设计者可以基于蠕变试验数据 对具体的焊件确定其焊接接头强度系数 。 使用焊缝接头强度降低系数应注意 1 该 系数仅 用 于 5 1 0 ℃以上 , 且 基 于蠕变影 收 稿 日期 2 0 0 6 1 2 2 1 。 作者简介 严卫 1 9 6 9 一 , 男, 江 苏南京人 。1 9 9 2年 毕业 于石油 大 学 华 东 石 油加 工 专 业, 工 学学士 , 工程 师 。现从 事石 油 化 工工 艺装 置 安 装设 计 工 作。联 系电 话 02 5 - 5 89 85 9 49 维普资讯 石 油 化 工 设 计 2 l 绉 响 的情 况 下 ; 2 在评 定偶 然 载 荷 时 , 因为其 持 续 时 间 短 , 不必考虑焊接接头强度降低系数 ; 3 在计 算位 移 应力 S 的许 用 应力 范 围时 , 不考虑焊接接头强度降低 系数 , 因为这些应力并 不 是持续 性 的 , 位 移应 力 随时 间的推 移而松 弛 。 需 要 引起 注 意 的是 , W 的 引入会 对 高 温管 系 持续 应 力 的 评 价 产 生 一 定 影 响 。2 0 0 4版 规 范 3 0 2 . 3 . 5 c 指 出 管道 系统任 一组 件 由于压 力 、 重 量和 其他 持续 载荷 而产 生 的纵 向 应力 总 和 S 。 应 不超 过 S 与 w 的乘 积0 ] 。W 的 引入也对 高 温管 道壁 厚 的计算 以 及 盲法 兰 、 盲板 厚 度设 计产 生 一 定 的 影 响 , 在 规 范 3 0 4 . 1 . 2式 3 a 、 3 b 以 及 3 0 4 . 5 . 2式 1 4 和 3 0 4 . 5 . 3式 1 5 中 , 2 0 0 2版 的 “ S E” 在 2 0 0 4版规 范 中都代 之 以“ S EW” [ 2 j 。 AS ME B 3 1 . 3所 规 定 的 基 本 焊 接 接 头 强 度 降低 系数是 以 AS ME锅 炉 及 压 力 容 器 规 范第 Ⅲ 卷 NH分卷所规定 的系数为基础, 并将其调整到 与 AS ME B 3 1 . 3的应 力 基 准 比较 相 似 以后 所 做 评估 而制定 的。 2 应力 范 围系数 , 应力 范 围系数 ,出现 在 规 范 3 0 2 . 3 . 5 d 式 1 a 、 1 b 、 1 c 中 。 在 2 0 0 4版规 范 中 , 2 0 0 2版 中的 “ 应 力 范 围降 低 系数 , ” 一词 改为“ 应力 范 围系数 f ” ; 2 0 0 2版 的表 3 0 2 . 3 . 5被 2 0 0 4版 的 图 3 0 2 . 3 . 5取 代 ; 在 2 0 0 4版规范中, 系数 ,上限由 1 提高到 1 . 2 , 下限 由 0 . 3扩 展到 0 . 1 5 , 循环 次数 由 2 1 O 增加 到无 限次 。 根 据安 定分 析 理 论 , 要想 使 材 料 在 受 二 次应 力 的情 况下 处 于安 定 状 态 , 必 须 限制 构 件 的 一次 应 力与 二次 应力 之和 小于 2倍 的屈服极 限 , 即 S I . S A ≤ 2 S Y 对 于屈 服极 限 , 许 用 应力 S的安 全 系 数 一般 可取 1 . 5 S S { 1 . 5 为兼顾 冷 态和热 态 , 可 将许 用 应 力 S取 为 冷 态许用 应力 S c和热 态许用 应力 S h的平 均值 S一 2 S Sh 在 以上基础 上 可 以推 出 S I . SA ≤ 1 . 5 S S h 进 一 步 留出安全 裕度 , 将 系数 1 . 5改 为1 . 2 5 。 考 虑到 反复加 载 和 卸 载造 成 的疲 劳 累 积 , 引进 应 力 范 围系数 f 。可 以得 到规 范 中的式 1 b s A ≤. , ’[ 1 . 2 5 S S } 一S I J 考 虑到 一次 应力 须满 足 S 。. ≤ S 最 不利 的情 况是 S ,, 一S , 代 入式 1 b 可 得 到更 为严 格 的 校核 条件 , 即规 范 中的式 1 a S ≤ , 、 1 . 2 5 S 0 . 2 5 S h 由上 面 的推导 过程 可 以体 会 到 / ’ 取 1 . 2的理 由 , 即 1 . 5 / 1 . 2 5 1 . 2 。当 f一1 . 2时 , 一 次 应力 与二 次应 力之 和 达到 2倍 的 屈 服极 限 , 而 且 能 够 保 持 安 定 性 , 这一 变化 减 少 了 原 规 范 的 保 守性 。 由公 式 1 c 可 以倒 推 出 厂一1 . 2所 对 应 的循 环 次 数 为 3 1 2 5 , , 一 1所 对 应 的循 环次 数 为 7 0 0 0 。除 此之外 , ,值 大 于 l尚有 如下 限制条件 1 材 料 的最 小 抗 拉 强 度 必 须 小 于 5 1 7 MP a 7 5 ks i ; 2 S 和 S 的最 大值 不超 过 1 3 8 MP a ; 3 材 料必 须为铁 基材 料 ; 4 金 属温 度必 须小 于等于 3 7 1 ℃ 7 0 0 下 。 即使将 一次 应力 与二 次应力 之 和限制 在弹性 安定状 态 之 内 , 如果循 环 次数足够 多 的话 , 仍 然存 在疲 劳破 坏 的可 能 。因此 当循 环次 数 在 7 0 0 0次 以上 约每天一次 经 2 O年 , f值依 然呈 降低 趋 势 。只是用一条平滑的曲线代替了原来的表格 。 2 0 0 4版规范 厂值 的下 限由 0 . 3 扩 展 到 0 . 1 5 , 循 环次数 由 2 1 O 增 加 到 无 限 次 。这 一 变 化 是 为了与 AP I S t a n d a r d 6 1 8 炼 油 厂通 用 往 复 压 缩 机 和 AS ME M一3 核 电厂 管道 系统 操 作 前 和 开车伊 始 的振 动试 验要求 保 持一致 。 3 用 于高应 力范 围的另一 种规则 附录 P 用 于 高 应 力 范 围的 另 一 种 规 则 , 是规范 2 0 0 4版增 加 的内容 。 在 附 录 P中 , 提 出 了一 个 “ 操作 应 力 ” 的新 概 念 , 该操 作 应力是 在任 何操 作条件 下 的计算应 力 , 包括压力、 重量和其他持续载荷及位移, 不包括偶 然载荷 。该方法比规范第 Ⅱ章提供 了更为全面并 且更适合于管道 系统 的计算分析 , 包括管道离开 支撑 时产 生 的非 线 性 影 响 。该 规 则 的 使 用 方 法 是 , 最 大操 作应力 S 或最 大操 作 应力 范 围 S E不 得超 过许 用 的操 作 应 力 范 围 S 。 。S 。 、 S 。 、 S 的 计算公 式 如下 S 一 1 . 2 5厂 S S h Pl a 维普资讯 w w w . b z f x w . c o mw w w . b z f x w . c o m 2l卷 严 卫 . 2 0 0 l版 AS M 卜 规 范 B3 1 . 3工 艺 管 道 的 技 术 变更 S 一、 -干 丽 P 1 7 a 的益处远远人f 0 . 8 这一系数带来的浪费。 S 一、 蕊 P 1 7 b 附 录 P 巾 S ⋯S 计 算 与 3 1 9 . 4 . 4中 式 1 7 明显 的区别 是轴 向应 力 S 在 规 范 3 1 9 . 2 . 3 C 中 , “ 在 确定 位移 应 力 范 围 时 , 通 常不 考 虑 由 位移 应变产 生 的纵 向力 引 起 的平 均 轴 向应 力 , 这 是 由 于在典 型 的管道 布置 中这种 应力 不显 著 。 ” 一 在 附 录 P中 , 轴 向应力 是 要计算 在 内的 。 S 一 雨 1 7 这 一规 则 的提 出有 赖 于计 算 机 分 析 的普 及 , 目前 的的 计算机 分析 程序 允许 考虑 非线性 效 应而 且可 以很 容易地 进行 组合 载荷 的精 确计算 。这 使 因手 工计算 而被 简化 的一 些规 则能 够得 到修 订 。 在 以往 的规范 中 , 只提 供 了 一 次应 力 和 二 次 应力 的计 算方 法与评 价标 准 。对 于涉及 多种操 作 条 件和包 含不 同 支 撑方 式 的复 杂管 系来 说 , 使 用 附录 P可 以 更 精 确 地 加 以评 定 。但 是 需 要 注 意 的是 , 附 录 P并 非 强 制 性 条 款 , 而 且 不 能 替 代 原 有 的应力 评 价方法 ] 。 4 高温情况下针对偶然载荷的另一种许用应力 在 2 0 0 4版规 范 3 0 2 . 3 . 6 , 对 于 高温 下 的偶 然 载荷 , 给 出了另一 个许 用应 力 。 温 度 大于 4 3 7 。C 8 0 0 。 F 时 , 可选 有别 于1 . 3 3 乘 以表 A 一 1所 列基 本许 用应 力 的 另 一 种 许 用应 力 。除铸铁 、 可锻 铸铁 或其 他无 延展 性材料 外 , 短 时 间的偶 然载荷 如 波浪 、 大风 或 地 震 所 产 生 的 应力 , 许 用 应力 可使 用屈 服强 度 的 9 0 乘 以一个 强度 降低 系数作 为许 用应 力 。对于长 期处 于高 温 下 的材料 , 在缺 乏更 多数据 的情 况下 , 奥 氏体不锈 钢 的强度 降低 系数取 1 , 其他 材料 取 0 . 8 l_ 】 ] 。 高温材料的许用应力受蠕变强度的限制而非 屈服强度。对于持续载荷 , 蠕变是个问题 , 但对偶 然载 荷 , 蠕 变不 是 问题 。基 于 此 , 规 范在评 价持续 载荷 和偶 然载荷 之 和时 去掉 了蠕变强 度 的限制 。 材料 强 度 乘 以强 度 降低 系 数 是 因为 有 些 材 料 , 特别 是 低 合金 钢 , 在 高 温下 会 产 生老 化 , 屈 服 点 和抗拉 强度 会 随时 间而降低 。奥 氏体 不锈钢 没 有 这种效 应 , 强度 降低 系 数 取 为 1 。对 所 有 其 他 合 金钢取 强 度 降低 系 数 0 . 8 , 是 基 于 低 合 金 钢 的 数 据 。将 它 用在所 有其 他合 金材 料上 可能偏 于保 守 , 但允许 对偶然 载 荷 按 屈 服强 度 进 行设 计 带 来 5 膨 胀节 的特 殊设计 要 求 1 9 8 8年 以前 , AS ME B 3 1 . 3涉及 波纹 管 膨胀 节 的内容非 常有 限 。 当 时要 求 按 照 非表 列 组 件 和 零件 3 0 4 . 7 . 2 和 E J MA标 准进行 设计 。1 9 8 8年 之后 , B 3 1 . 3把 对 波纹 管 膨 胀 节 的要 求 作 为 附 录 X加 入 到 规 范 中 , 与 AS ME B P VC Ⅷ一 1附 录 2 6 不 同的是 , AS ME B 3 1 . 3没 有直 接 引用 E J MA标 准 , 而是 在 有 修 改 的基 础 上 采 用 E J MA 标 准 , 这 些修 改 是 AS ME 规 范 委 员 会 认 为 将 其 转 化 为 AS ME B 3 1 . 3规 范 所 必 须 的 。修 改 主 要 体 现 在 对 压力设 计 、 疲 劳设 计 和液压试 验 的要求 上 。E J MA标 准 在 不 断 完 善 , B 3 1 . 3同样 在 完 善 , 2 0 0 4 版 规范 的附 录 X 增 加 了针 对 波 纹 管 膨 胀 节 的 特 殊设 计要 求 。 在 勘 误 表 “ E r r a t a t o t h e B 3 1 . 3 - 2 0 0 4 E d i t i o n ” 中 , 附录 X 中的 X3 0 2 . 1 . 2 c 被 以下文 字 取 代 “ 应计算 自约束膨 胀节 的约束件 如拉杆 、 铰 链 、 销轴等 和管道 、 法兰约束装置连接件的应力。 正拉 伸 应 力 、 挤 压 应 力 和 剪 切 应 力 应 不 超 过 3 0 2 . 3 . 1 所述的许用应力限度 。弯曲应力加拉伸 应力或 挤 压应 力 之 和应 不 超 过 附 录 A 中表 A 一 1 和 A 一 2所 列应 力 值 与 截 面 形 状 系 数 的乘 积 。形 状系数是塑性弯矩与屈服弯矩之 比 如矩形截面 形状 系 数 为 1 . 5 。对 于 约 束 管 道 的 附 件 , 参 阅 3 2 1 . 3 。局 部 应 力 可 用 AS ME S e c t i o nⅧ 、 D i v . 2 附 录 4来评 价 。抗压 构件 的失稳 评价应 和钢 结构 S I S C手 册许 用 应 力 设 计 一 致 。对 自约束 的膨 胀 节, 约束件应设计成能承受全部的压力推力” 。 在附 录 X 的 副标 题 中 , 取 消 了一 句话 “ 该 标 准没有公制当量值 , 现时尚无基础引入它” 。相应 堙, 规范增加了采用 s I 单位的公式并与采用英制 单位的公式并列。 6 其他 6 . 1 弯 头椭 圆度 的 限制 2 0 0 4版规 范增加 了 3 0 6 . 2 . 1 b “ 按 3 3 2 . 2 . 2 要 求制 作 , 但 不 满足 3 3 2 . 2 . 1的压 扁 极 限 的管 道 弯 头 可 以按 照 3 0 4 . 7 . 2进 行 压力 设 计校 核 , 并 不 超 过 与制成 该 弯头 相 同直 管 的额 定 值 ” 。该 条 款 允许管道弯头超过椭圆度的限制 , 对外压管道 的 要 求 比 内压 管道 要严 格 。 维普资讯 w w w . b z f x w . c o mw w w . b z f x w . c o m 2 4 石油 化 工 设 计 第 2 4卷 6 . 2用 于柔性 分析 的温 度 关 于 用 于 柔 性 分 析 的 温 度 , 2 0 0 4版 规 范 与 2 0 0 2版 规范 相 比并 无 变 化 , 只是 2 0 0 4版 规 范 通 过“ 条款解 释 1 9 4 0 ” 确认 金属温度 用于柔性分 析 , 设 计温度 用 于压力设 计 。 6 . 3 高温情 况 下许 用值 的变动 管道 系统 中压 力 、 温 度 可 能 发 生 偶 然 波 动 。 针对压力设计时超过设计条件的偶然性变化应符 合条件 , 在 2 0 0 4版规范 3 0 2 . 2 . 4 f 中, 增加 了这 样 一段 话 “ 设 计者 应用业 主 可 以接 受 的方法确 定 这些变 化 的影响 对管道 系统 在使用 期 内是安 全 的 见附 录 V - D ] 。 附录 V中 V3 O 3提供 了压力的当量压力 、 有 效温度 、 L a r s o n Mi l l e r 参数 、 断裂 寿 命 、 蠕 变 断裂 利用系数的计算方法 。2 0 0 4版规范的附录 V增 加了一个例子来说明 V3 O 3方法的应用 。 6 . 4热 塑性 材料 2 0 0 4版规范扩大了热塑性材料的使用范围。 2 0 0 2版规 范 A3 2 3 . 4 . 2 a 中规定 热塑 性材 石他盘囊 料不 得 用 于 在 地 面 上 输 送 可 燃 性 流 体[ 4 ] 。在 2 0 0 4版规范, 该条款改 为 除非满足下列全部要 求 , 热 塑性材料 可 允许用 于地 上输送 易燃 流体 , 管 子尺寸不超过 DN2 5 ; 得到业主允许 ; 按附录 G提 供 安 全 防 护 ; 已 考 虑 了 附 录 F , F 3 2 3 . 1 a ~ F 3 2 3 . 1 c 节 的注意 事项 l 】 ] 。 6 . 5 纵 向应 力的计 算 规范本身并没有这项内容, 但 B 3 1委员会通 过案例 B 3 1 C AS E 1 7 8 给出了一个计算纵向应 力 的公 式 S 一 / I s I S b 。 2 S 参考 文献 [ 1 ] AS ME B 3 1 . 3 2 0 0 4 P r o c e s s P i p i n g [ 2 3 Er r a t a t O t h e B 3 1 . 3 2 0 0 4 E d i t io n r 3 ]D a v e Di e h 1 . B 3 1 . 3 2 0 0 4 a n d CAE S AR I I C OAD E Me c h a n - i c a l En g i n e e r i n g N e ws De c e mbe r 2 0 0 4 [ 4 ] A S ME B 3 1 . 3 - 2 0 0 2 P r o c e s s P i p i n g [ 5 ] 唐永进. 压 力管道 应力 分析 [ M] . 北京 中 国石化 出版社 , 2 0 0 3 中国石化工程建设公司 S E I 跻身全球最大 的工程设计公 司 1 5 0强 前 5 0强 2 0 0 6年 , S E I 继续 国内领跑 , 赶超世界先进水平 。国际权威 的 工程 新闻纪录 杂志 E NR 公 布 在“ 全球最大 的工程 设计公司 1 5 O强” 中, S E I 排名上 升至 4 4位 , 首次进入前 5 O强; 同时 , 在“ 中国工程设 计企业 6 O强” 、 “ 中 国工程设 计企业 总承包营业额” 、 “ 中国工程总承包企业百强” 、 “ 中国项 目管理企业百强” 等一 系列排名 中, S E I 均荣列榜首 ; S E I 捧 走了全 国石化建筑业惟一的“十五 ’ 全 国建筑业 技术创 新先进企业 ” 奖牌 ; 还 荣获 了中国石化 “ 科 技创新 先进 集体 ” 光 荣称号 。 S E I 又荣获 国家“ 优 秀勘察设计企业” 荣誉称号 , 刘家明 总经理荣获 “ 中国勘察设 计优 秀企业家” 荣誉 称号 。这一 切证明 S E I 在建设具有国际竞争力工程公司的征程中又向前迈 了一 大步 。 S E I 消息 2 0 0 7 0 2 1 2 中国石化工程建设公 司 S E I 打造新世纪精品工程 一 海南千万吨级炼厂和茂名百万吨级 乙烯基地D S E I 依托 中国石化炼化一体化优势 , 进一 步加 大技术 开发力度 , 把 科技 自主创新作 为头等大 事和 主攻 方 向, 取得 了 丰硕成果 。S E I 承担的海南炼化 8 Mt / a 炼厂 的设 计建设真 正达 到了“ 技术 国产化 、 装 置紧 凑化 、 人员 精干化 、 管 理现代 化” 的 目标 。S E I 承担 的茂名石化 1 Mt / a乙烯改扩建工程实现 了我 国首座百万 吨级 乙烯 生产基地 的规模效 应 。专家们 评论 海南 项 目和茂 名项 目是 S E I 在炼 油技术创新和 乙烯技术 国产 化道 路上具有新 的里程碑意 义的工作 。 S E I 消息 2 0 0 7 0 2 1 2 维普资讯
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