ASME B31．1和B31．3在管道应力评判上的异同.pdf

第 4 7卷第 5期 2 0 1 0年 1 0月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T P I P I N G Vo 1 ．4 7 No ． 5 0c t ． 201 0 管 道 与 道 件 AS ME B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3在 管道应 力评判上 的异 同 李敬琦 上海国际化建工程咨询公司 ， 上海2 0 0 0 6 3 摘 要汇总了A S M E B 3 1 ． 1 和 A S M E B 3 1 ． 3两个管道规范在管道载荷应力评判上的异同。对于从事管道应力分 析 的工程师来说 ， 熟悉管道规 范及其要 求， 才能更好地做 到“ 遵守规范” ， 才能更好地 为管道 的安全和优化 配管设计 提供有力保障。 关键词 A S ME B 3 1 ． 1 ； A S ME B 3 1 ． 3 ； 管道应力评判 中图分类号 T Q 0 5 0 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 3 2 8 1 2 0 1 0 0 5 - 0 0 4 7 4 Di f f e r e n c e s a nd S i mi l a r i t i e s o f AS M E B31 ． 1 a n d B31 ． 3 o n Cr i t e r i o n t o Pi pi n g St r e s s e s LI J i n g q i S h a n g h a i I n t e r n a t i o n a l E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o ． ， S h a n g h a i 2 0 0 0 6 3 ，C h i n a Abs t r a c tT he d i f f e r e n c e s a n d s i mi l a r i t i e s o n c rit e rio n t o pi pi n g s t r e s s e s e x i s t e d i n ASME B 3 1 ． 1 a n d B3 1 ． 3 we r e s umma r i z e d i n t h i s a r t i c l e ． F o r t h e e n g i n e e r s wo r k i n g i n t h e fi e l d o f p i p i n g s t r e s s a n a l y s i s ， i t i s n e c e s s a r y t o f a mi l i a r i z e t h e r e l e v a n t c o d e s ，S O t h a t t h e y c a n c o mp l y wi t h t h e c o d e s c o r r e c t l y a n d w e l l a n d c a n s u p p o rt t h e p i p i n g d e s i g n wi t h s a f e t y a n d o p t i mi z a t i o n ． Ke y wo r ds ASME B31． 1； ASME B31． 3；p i pi n g s t r e s s c r i t e r i o n A S ME B 3 1 ． 1 以下简 称 “ B 3 1 ． 1 ” 和 A S ME B 3 1 ． 3 以下简称 “ B 3 1 ． 3 ” 目前最新版本 分别是 2 0 0 7年版 和 2 0 0 8年版 ， 其分别是有关动力 和 化工 包括石化 、 医药 等行业 的两个美 国 国家标 准 ， 其强大的技术支持 、 缜密的书写以及先进的科学 性， 使得该两大标准已被世界各国普遍采用或借鉴 吸收。因此非常有必要去学习并总结它们 。管道应 力分析是电力 、 化工等行业进行管道柔性评判 、 受力 校核 、 优化配管的必须过程 ， 当前已基本上全部 由计 算机软件来实现； 但其需要服从像 B 3 1 ． 1 、 B 3 1 ． 3这 样的管道规范。所 以， 了解管道规范 的基本理念才 能更好地应用好管道应力分析的工具软件 。 这里所说的管道应力 的评判 ， 主要指人们常提 到的管道一次载荷应力 、 二次载荷应力及偶然载荷 应力的评判。一次载荷应力在管道规范中常被称为 “ 持续载荷应力” 、 “ 持续应力” 。二次载荷应力在管 道规范中是“ 位移应力范围” 、 “ 膨胀应力范围” 。偶 然载荷应力在管道规范 中要求偶然 载荷 风 、 地 震 等 与持续载荷进行组合后的应力 。 为了表达 的便利 ， 下面先以相关 的术语人手， 直 到具体的异同汇总。 纵向压力应力 5 它是指管道内的压力产生的 纵向应力 ， 其值为一半 的由此压力产生的环向应力 。 下面公式 2 要较公式 1 在计算 S L p 时更精确 。公 式 1 是 B 3 1 ． 1已明确的公式 ， 而公式 2 一般被分 析软件应用在 B 3 1 ． 3中。 S L P P D 。 ／ 4 t 1 S P D i 2 ／ D 。 D， 2 轴向应力 F 。 x ／ 4， 它在这里专指 除 S L p 外的管系 中由于结构载荷本身产生 的应力， 如管道在管架上 滑动摩擦力等情形 。 S S h 在 B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3规范 中， 均定义 S 是指 在期望的位移循环分析 中管道材料在最低温度下的 基本许用应力。s 均被定义为在期望的位移循环分 析 中管道材料在最高温度下的基本许用应力。 持续应力 S 、 纵向应力 5 ． ． ， 这两个术语分别是 B 3 1 ． 1 和 B 3 1 ． 3规范 中的“ 称呼” ， 也 即为人们通常 所说的“ 一次载荷应力 ” 。B 3 1 ． 1规 范中对 于计算 S s u s 有具体 的公式 ， 而 B 3 1 ． 3对于计算 5 没有 明确 的公式 ， 只有所应考虑事项 的文字说明。B 3 1 ． 3在 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 2 3 作者简介 李敬琦 1 9 7 7 一 ， 男 ， 甘肃省兰州 市人 ， 工程 师。长 期从 事管道工程设计 和管道工程软件开发工作 。 4 8 化工设备与管道 第 4 7卷第 5期 3 0 2 ． 3 ． 5 c 中要求 ， 在管道系统上任何组成件 的 S 计算中， 考虑 由于持续载荷 如压力 、 质量 的纵 向 应力 ， 其值不应超过 S 。 1 B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3两个管道规范对于持续 应力 S s 。 或纵向应力 S 的计算中的异同 1 B 3 1 ． 1和通常被采用 的 B 3 1 ． 3的一次应力 的计算公式如下 S S L P 0 ． 7 5 i M ／ Z S h B 3 1 ． 1 S L S L P F x ／ 4 S b S h B 3 1 ． 3 其中M [ 。 ] S b [ 。 M。 i ] ／ z 2 均考虑纵向压力应力 5 3 B 3 1 ． 1 在 5 计算公式 中没有包括轴 向应 力 F ／ A， 但 B 3 1 ． 3因没有提供计算 S 的公式， 人们 一 般通过其要求的内容考虑该项 j 。 4 B 3 1 ． 1的 S 计算公式 中， 对于合成力 矩 即包括弯矩 和扭矩 乘以一个不小于 1 ． 0的系数 0 ． 7 5 i ， 其中 i 是应力增强系数； 而 B 3 1 ． 3规范 中对 于 i 分成平面内 i ， 与平 面外 i 。 两种 ， 且仅用于弯矩 中。将这里提到 的形如 0 ． 7 5 i 称作持续 应力指 数 S S I s u s t a i n e d s t r e s s i n d e x 。B 3 1 ． 3曾在早些年规范 解义 中指出设计者 可以在持续应力分析 中使 用 0 ． 7 5 i 这样的 S S I 。 5 B 3 1 ． 3明确 ， 在管道截面模量计算 中， 面积 A要以在公称壁厚 中扣除因机械磨损 、 介质腐蚀 、 侵 蚀的余量后的壁厚作为计算 。但在管道质量考虑时 则用公称壁厚。而 B 3 1 ． 1从公式 1 及附录 G 术 语表 中可知， 其 以公称壁厚 t n 进行计算 。 6 B 3 1 ． 1中在 Js 的计 算 中， 同时包 括弯矩 和扭矩 即包括弯曲应力 5 和扭转应力 S ， 而 B 3 1 ． 3规范中没有明确地说明， 但从其将持续应 力“ 称作” 为“ 纵向应力” 来看 ， 它在 5 计算 中是不包 括扭矩 即扭转应力 的。 7 A S ME B 3 1 ． 3规范 中还引入了一个可替代 的计算持续载荷纵向应力的方法B 3 1 C A S E 1 7 8 。该方法 中除 了考虑 F ／ A 轴 向应力 、 s 之 外 ， 还考虑了扭转应力 即考虑 了扭矩 的因素 ； 同 时明确了各参数的组合方法。下面是公式 S L [ I F l 5 b 2 5 ] 其 中， S 。 M ／ 2 Z， S b 基本与前面提到的计算方 法一样 ， 其中明确考虑了持续应力指数 S S I 同样应 用到平面内 i 和平面外 i ， 且 S S I 取 0 ． 7 5 i 和 1 ． 0 中的更大者。 2 位移膨胀应力范 围在 B 3 1 。 1和 B 3 1 ． 3中 的异 同 1 两个规 范的位移 应力范 围的计算公式及 评 判 S F i M ／ ZS A B 3 1 ． 1 S E S b 4 S “ S A B 3 1 ． 3 其 中， 是 由于位移载荷范围引起的在管道及 管件横截 面上的力矩 载荷 范 围的合 力矩 即 、 、 的均方根合成 ； 这里的范围是从环境温度到 操作温度范 围。5 是考 虑了应力增强系数 的平 面 内、 外弯曲应力的合成。s 中未计入应力增强系数。 可看出在两个规范中的位移应力中均考虑 了弯 矩和扭矩的因素。两规范在位移应力中均没有考虑 由于轴向应力产生的位移应变影响， 这是 因为在一 般的管道 中轴 向应力对于位移应力范 围的影响很 小 ， 但是在一些特殊情况 ， 如包含热流体 的埋地管 线、 内外温差很大的夹套管等 ， 轴向应力就非常有必 要去考虑。B 3 1 ． 3在 3 1 9 ． 2 ． 3 c 中对这种特殊管 道要求考虑轴向应力。 2 许用应力范围 S 。 S 1 ． 2 5 S 0 ． 2 5 S h ] 对于 B 3 1 ． 3的K类 高压 管道只能用此 ， B 3 1 ． 1 无此分类 或当 S ． ． S 时也可用 。 S 1 ． 2 5 S 。 S 一S 。 ] 对于B 3 1 ． 3 的除 K类 高压 管道外用此 ， B 3 1 ． 1 无此分类 此外， 对于这里 的应力范 围 降低 系数．厂 ， 在现 今的两个管道规范中已有一些差异， 在 A S M E B 3 1 ． 3中 厂 的取值当应力循环次数低于 7 0 0 0时最大可 为 1 ． 2 ， 自2 0 0 4年版始用曲线图代替了像 B 3 1 ． 1 那 样简单表格数据， 用“ 应力范围系数” 术语替代 了原 来 或像 B 3 1 ． 1 那样 的“ 应力范围降低系数” 术语。 根据不同的材料 、 温度 、 应力循环情况_厂 有具体的取 值 规定 。 3 一般来说 ， B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3均不对操作工 况下 的应力进行评判。但 B 3 1 ． 3的附录 P中提供 了评判应力范围的可替代方法， 可用来评判热持续 应力和位移应变范围。操作应力是在任何操作工况 下包括有压力、 质量及其他持续载荷 但不包括偶 然载荷 的计算的应力 ， 其许用值 5 。 为 S 。 A 1 ． 2 5 S 。 S h 操作应力 5 和最大操作应力 范围 s 的计算公 式分别为 S [ 1 F ／ ‘4 I S } 4 S t j 李敬琦 ． A S M E B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3在管道应力评判上的异同 4 9 S E[ 1 F ／ Al S b 4 S t 。 3 偶然载荷应 力的评判异 同 S S L P 0 ． 7 5 i Mb ／ ZK S h B 3 1 ． 1 B 3 1 ． 1 公式中， 。 与前面一样 ， 是持续载荷下 的 力矩的合成； M 是偶然载荷 下的力矩 的合成 ， 其表 达公式与 的类似。 B 3 1 ． 3没有提供偶然载荷应力的计算公式 ， 但 要求由于持续和偶然载荷产生的纵 向应力之和不得 超过 K S 。言外之 意， 要分别去将持续和偶然应力 加和 ， 进行评判， 其 中纯偶然应力的公式表达与持续 应力的表达类似 。 注意， 两 个 规 范 中许 用 应 力 的 放 大 系 数 不同 对于 B 3 1 ． 1 ， 当偶然载荷每次作用 的时间不超 过 1 h且每年的总时间低 于 8 0 h ， K取 1 ． 5 ； 当偶然 载荷每次作用的时间不超过 8 h且每年的总时间低 于 8 0 0 h ， K 取 1 ． 1 5 。而 对 于 B 3 1 ． 3 ， K 取 1 ． 3 3 P a r a ． 3 0 2 ． 3 ． 6 或 K类 高压 管道时取 1 ． 2 见 P a r a ．K 3 0 2 ． 3 ． 6 。对于温度大于 4 2 7℃ 8 0 0。 F 的钢管道 不含铸钢、 其它延展性材料等 ， 1 ． 3 3 S 可用 0 ． 9 l ， h W替代 ， 其 中 J ， h 为用最高温度对应的屈 服强度值， 为强度降低系数 ， 在没 有更合适数据 的情况下， 对于奥氏体不钢材料 取 1 ． 0 ， 除此之外 的钢材料 取 0 ． 8 。 两个规范中都要求对不同时考虑风和地震载荷 工况 言外之意是可以在不 同工况中分别考虑 。 4其他细节上 的异 同 1 B 3 1 ． 1 和 B 3 1 ． 3两规范中对于材料许用应 力的取值不同。这会影响到计算应力的评判值 ， 因 此需要在使用时注意。 2 应力评判 中的许用应力 s 、 s 取值时还应 注意 ， B 3 1 ． 1 在 1 0 2 ． 3 ． 2 B 中规定 ， 位移应力计算 中不考虑焊接接头系数 E或铸件质量系数 F， 但 因 B 3 1 ． 1规范许用应力表 中对于焊管或铸管均计入 了 E或 F， 故在这里所说的应力计算中要除去该系数 。 B 3 1 ． 1 在 5 、 5 的注释中规定 ， 对具有最小拉伸强度 超过 7 0 k s i 4 8 0 MP a 的金属材料 ， 在没有其它更合 理的证 明下 ， 在进行位移应力计算 时应采用不超 过 2 0 k s i 1 4 0 MP a 的 S 。 或 S 。B 3 1 ． 3许用应力表中未 包括这里提到的系数 。B 3 1 ． 3在 3 0 2 ． 3 ． 5条有关 ．s 和 S 的注释中规定 ， 如果材料为铸件 ， 则基本许用 应力还应乘以系数 F， 若为纵 向焊 ， 则不必去乘 以系 数 E。这样来看 ， B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3在柔性分析 中对 于纵向焊管 直缝或螺旋缝 均不要求考虑 E。 3 与许用应力有关 的另外一个术语是焊接接 头强度 降低 系数 W We l d J o i n t S t r e n g t h R e d u c t i o n F a c t o r ， 其首次在 2 0 0 4年版 的 B 3 1 ． 3规范 中提 出 并在 2 0 0 8年版中得到更新 ， 同样主要用于对纵 向 或螺旋焊管道的压 力 强度 设计时。 是一个介 于 0 ． 5和 1 ． 0的材料基本许用应力 的减小系数 。非 纵向或螺旋焊 如周 向焊 时是否考虑 是设计者 的责任 。B 3 1 ． 3规定在偶然载荷评判或 3 0 2 ． 2 ． 4规 定的允许的压力或温度变化评估时 W 1 ． 0 ， 许用位 移应力计算 中不需要考虑该 。 仅用于焊接处。 鉴于此规定 ， 对于采用 B 3 1 ． 3进行管道应力分析来 说 ， 可被应用 于持续应力 中 如果设计者认为这 样处理更 安全 的话 ； 特别是对 于弯头 、 三通 等有 S I F的地方 ， 现在 5 ． 1 0版的管道应力分析软件 C A E - S A R I I中， 对 于采用 B 3 1 ． 3规范且 材料温度超 过 5 1 0 9 5 0。 F 的 ， 自动按表 3 0 2 ． 3 ． 5中的数据在 弯头 、 三通 的焊接节点处考虑 。 4 B 3 1 ． 1 在 1 1 9 ． 6 ． 4中要求位移应力计算以 冷态 室温 的弹性模量 E 进行计算 ， 在冷 、 热态反 力计算 中， 在 1 1 9 ． 1 0 ． 1中规定应以室温下的弹性模 量 E 进行计算。B 3 1 ． 3的 3 1 9 ． 5中 明确说 ， 在管道 系统的约束和支架设计 中以及在评估管道位移对相 连设备的影响中， 所使用 的弹性模量是环境温度下 的值 E 。但 当一条管线 中存在管道材料或温度 的 变化所引起的过应变 非弹性的不平衡 系统 时 ， 在 3 1 9 ． 2 ． 2 b 4 中指出 ， 其 弹性模量 的差异会极大地 影响应力 的分布 ， 其 引起 的位移应力应基于管系不 同部分处实际温度下的弹性模量 计算， 然后再乘 以 E ／ E 这个 比值。2 0 0 4年版始 B 3 1 ． 3中增加了 附录 P ， 其在 P 3 l 9 ． 5条反力计算中指出应使用实际 温度下的弹性模量进行计算 如果为 了得到更保定 的结果也可以使用 安装 温度 下的弹性模量 ； 一个 管系上的不同位置可以有不同的温度工况。 5 B 3 1 ． 3明确 ， 在进行位移应力范围计算时 应基于在分析的热循环 内的金属最高温度与金属最 低温度 ； 在进行约束反力计算时指出， 应基于金属最 高 或 最 低 温 度 与 预 期 安 装 温 度。B 3 1 ．1在 1 0 4 ． 8 ． 3 关于 的意义说 明及 1 1 9 ． 6 ． 1中表 明， 在 柔性分析中进行位移 载荷范围应力计算 中， 考虑由 环境温度到正常操作温度的范围。 6 在柔性计算或位移应力计算 中， B 3 1 ． 1在 1 1 9 ． 6 ． 4中规定 ， 应力计算应基 于组成件 的最小截 5 O 化工设备与管道 第 4 7卷第 5期 面积 ， 采用局部应变处的公称尺寸 ， 在 1 1 9 ． 7 ． 3中规 定 ， 用在柔性计算 的管子和管件的尺寸属性应基于 公称尺寸 ； B 3 1 ． 3也在 3 1 9 ． 3 ． 5中要求柔性计算 中 应 以管道外径和公称壁厚进行计算。 7 在柔性分析中， B 3 1 ． 3规范表明采用预期到 达到的最高 或最低 金属温度为计算参数， 设计参数 是用于压力设计时， 其没有必要用于管系柔 陛设计。 8 B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3两规范在应力计算中所要 求考虑柔性特性值 h 、 柔性系数 k 、 应力增强系数 S I F 的管道元件存在着异同， h 、 后及 S I F上也存在着异 同。详细的比较可分别参见两规范的附录 D。 9 两个规范均承认非正式分析时 A S ME经验 应力判别公式 。但应注意其适用范围。 1 O 在柔性计算 中所有材料及所有温度下其 泊松 比， B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3均规定取 0 ． 3 ， 但如果能得 到更准确或权威的数据也是允许的。 1 1 B 3 1 ． 1在水 压试验工况中规定 ， 周 向 环 向 应力不应超过试验温度下屈服强度 0 ． 2 ％残余 应变 的 9 0 ％， 试验压力 以及试 验时的活载荷和固 定载荷 不包括偶然载荷 产生 的纵 向应力 总和不 应超过试验温度下屈服强度的 9 0 ％。而 B 3 1 ． 3在 3 4 5 ． 2 ． 1 a 中规定 ， 试验压力产生的公称压力应力 或者纵向应力如果超过试验温度下材料 的屈服强度 时 ， 试验压力可降低至不超过试验温度下材料的屈 服强度。B 3 1 ． 3在 3 0 2 ． 3 ． 6 6 中还规定 ， 试验载荷 不应同时考虑偶然载荷。 1 2 压力会对大直径薄壁管的弯头 或弯管 的柔性 系数 、 应力增强系数 S I F有着特别大的影 响， 因此需要对这两个参数进行修正。这在英文术 语 中称为 p r e s s u r e - s t i f f e n i n g 。B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3在其 附录 D中都有所提到。 以上 内容 比较全 面地 汇总 了 B 3 1 ． 1和 B 3 1 ． 3 两个规范在管道系统应力分析上的异同。对于从事 管道应力分析的工程师来说 ， 熟悉管道规范 ， 才能更 好地做到“ 遵守规范 c o d e c o m p l i a n c e ” ， 才能更好 地为管道的安全提供有力保障。 参 考 文 献 [ 1 ] A S ME B 3 1 ． 1 o o 7 ，P o w e r P i p i n g [ S ] ． [ 2 ] A S ME B 3 1 ． 3 0 0 8 ，P r o c e s s P i p i n g [ S ] ． [ 3 ] V e r s i o n 5 ． 1 0 C AE S A R I I Q u i c k R e f e r e n c e G u i d e ， 2 0 0 8 [ 4 ] C O AD E I n c ，P i p e S t r e s s An a l y s i s S e mi n a r N o t e s ，1 9 9 8 ． 2 0 1 1年 化工机械 征订启事 化工机械 是国内外公开发行的中央级化工机械专业技术刊物， 由天华化工机械及 自动化研究设计院 原化工部化工机 械研究院 与中国化工学会化工机械专业委员会合办。 化工机械 主要报道化工机器、 化学工程及设备， 化工材料及防腐蚀 的科技成果、 适用技术、 革新经验和科技信息， 可供从事科研、 设计生产和教学工作者参考。 化工机械 为双月刊， 大 l 6开本， 逢双月2 0日出版， 单价 1 5 ． o 0元， 全年 9 O ． o 0元， 全国各地邮局均可订阅， 邮发代号 5 4 2 2。 地址 兰州西 固合水北路 3号 邮编 7 3 0 o 6 0 电话 0 9 3 1 7 3 1 1 0 7 3 传真 0 9 3 1 7 3 1 1 0 7 3 E m a i l h g j x c h e m a c h ． e o m h t t p ／ ／ h g j x ． c h i n a j o u ma 1 ． n e t ． e n 2 0 1 1年 化学工程 征订启事 化学5 - 程 于 1 9 7 2年创刊 ， 月刊， 国内外公开发行。现由中国国际图书贸易总公司代理对外发行， 发行代号 4 8 1 4 B M。 化学工程 是 国家科技部中国科技核心期刊 中国科技论文统计源期刊 ， 中文核心期刊， 为被引频次最高的5 0 0名 中国 科技期刊之一 。 主办单位 全国化工化学工程设计技术中心站 中国石油和化工勘察设计协会化学工程设计专业委员会 办-t q 宗旨 积极宣传化学工程学科的科研、 开发成果； 推广化学工程设计、 生产新技术及经验； 交流化学工程信息、 ．Y - 程建 设产品； 促进科技成果的转化， 积极为设计、 生产、 科研、 教学服务， 不断提高化学工程学术与技术水平。 每期 定价 1 5元 ， 全年 1 8 0元。 刊 号 I S S N 1 0 0 5 ． 9 9 5 4 C N 6 1 ． 1 1 3 6 ／ T Q C O D E N H U G O E N 邮发代号 5 2 5 2 地址 西安市太乙路 2 5 5号 化学工程 编辑部 邮政编码 7 1 0 0 5 4 电话 0 2 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