李 超 彭喜魁 劉洪仁

(開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院)

ASME B31.3作為管道設(shè)計的權(quán)威規(guī)范，其對管道設(shè)計過程中的各項規(guī)定已經(jīng)得到世界行業(yè)內(nèi)用戶的廣泛認(rèn)可。CAESARⅡ是一款通用的管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，其遵循的標(biāo)準(zhǔn)包括ASME B31.3、B31.1以及BS806等。B31.3標(biāo)準(zhǔn)每兩年修訂一次，最新版本為B31.3-2012，新版標(biāo)準(zhǔn)與B31.3-2010之前的版本相比有較大變化，這些變化直接影響了采用CAESARⅡ進(jìn)行管道應(yīng)力分析評定的工作。

1 ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)中管道一次應(yīng)力計算公式的變化

關(guān)于管道一次應(yīng)力SL的計算是否包括扭矩引起的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，業(yè)內(nèi)一直有不同的看法，而ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)在2010版本之前并未給予明確的信息。在早期，B31.3章節(jié)委員會已將SL給出解釋為包括由軸向載荷和彎矩引起的應(yīng)力[1]。在B31.3-2010版本之前扭矩并未提及，通常SL的計算表達(dá)式為：

SL=FAX/Am+[(IiMi)2+(IoMo)2]1/2/Z+Pdo/4t

從材料力學(xué)的強度理論可知，最大切應(yīng)力理論較符合材料發(fā)生屈服破壞的情況。早期的B31.3版本還給出了一個包括扭矩載荷可替代計算SL的規(guī)范案例——CASE 178， 在這個案例中，SL的計算表達(dá)式為：

從2010年6月25日開始，B31.3-CASE 178已經(jīng)廢除，原因在B31.3-2010版本中解釋為規(guī)范案例已經(jīng)被包含在規(guī)范條文之中。在2010版的B31.3中新增了條文“320. ANALYSIS OF SUSTAINED LOADS”，在“320.2 Stress Due to Sustained Loads”節(jié)中，明確指出了SL的計算表達(dá)式，與早期B31.3版本中CASE 178對SL的計算方法相同。

對于采用CAESARⅡ軟件進(jìn)行管道應(yīng)力分析計算的單位來說，如果按照B31.3標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行應(yīng)力校核，還需要根據(jù)CAESARⅡ的軟件版本來進(jìn)行靜態(tài)配置的設(shè)置。對于某些CAESARⅡ版本(例如5.0等)來說，計算一次持續(xù)縱向應(yīng)力時系統(tǒng)默認(rèn)是不考慮扭矩因素的，此時應(yīng)該在靜態(tài)配置頁將“Add Torsion in SL Stress”項設(shè)置為“YES”，或者將 “Implement B31.3 Code Case 178”選項選中，從而在SL的計算過程中將扭矩因素考慮進(jìn)去。

2 ASME B31.3對計算一次應(yīng)力SL時應(yīng)力增大系數(shù)的考慮

根據(jù)材料力學(xué)的理論可知，對于塑性材料制成的構(gòu)件，由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的應(yīng)力集中對其在靜載荷作用下的強度幾乎無影響。在B31.3-2010版本之前，B31.3并未對一次應(yīng)力是否采取應(yīng)力增大系數(shù)作出明確規(guī)定，只是在附錄S的應(yīng)力計算范例中給出過參考的應(yīng)力增大系數(shù)選取方法。在B31.3-2008版本的附錄S中，范例在計算一次持續(xù)應(yīng)力SL時采用了0.75倍的應(yīng)力增大系數(shù)，但是同時標(biāo)準(zhǔn)在附錄S中給出了注釋[1]：ASME B31.3不認(rèn)可使用應(yīng)力增大系數(shù)來進(jìn)行管道組件的一次持續(xù)載荷設(shè)計。應(yīng)力增大系數(shù)是基于疲勞試驗的結(jié)果。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)力增大系數(shù)是設(shè)計者的責(zé)任。本例使用0.75倍的應(yīng)力增大系數(shù)用于持續(xù)不變的工況場合[2]。

B31.3在1987年12月14日的釋義6-03中指出，在校核一次應(yīng)力時可以不考慮應(yīng)力增大系數(shù)的影響。鑒于此，當(dāng)利用CAESARⅡ軟件采用B31.3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管道應(yīng)力分析計算時，在軟件的靜態(tài)配置頁有關(guān)于一次應(yīng)力SL計算時SIF的選項，軟件提供了3種不同的選項：可以選擇忽略應(yīng)力增大系數(shù)的影響；可以采用0.75倍的應(yīng)力增大系數(shù)；可以采用應(yīng)力增大系數(shù)。

以上情況均為B31.3-2010版本未正式發(fā)行之前的情況。在B31.3-2010版本中“320.2 Stress Due to Sustained Loads”節(jié)，公式(23a)、(23b)、(23c)中明確指出了管道組成件進(jìn)行一次應(yīng)力計算時平面內(nèi)和平面外應(yīng)力增大系數(shù)的選擇，亦即應(yīng)力增大系數(shù)選擇不小于1.0的0.75倍應(yīng)力增大系數(shù)[3]。

盡管B31.3-2010對一次應(yīng)力的應(yīng)力增大系數(shù)做出的規(guī)定存在較大爭議，但作為規(guī)范，當(dāng)采用B31.3標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計時，還需要按照規(guī)范的要求來進(jìn)行。在有些版本的CAESARⅡ軟件的靜態(tài)配置中，默認(rèn)的一次應(yīng)力SL的SIF為1.0，所以在此應(yīng)將選項“B31.3 Sustained SIF Multiplier”修改為0.75。

3 ASME B31.3對管道厚度負(fù)偏差的考慮

3.1計算一次應(yīng)力SL時

在B31.3-2008版本的302.3.5(c)和B31.3-2010版本的320.1中，明確指出了用于計算一次應(yīng)力SL的管壁厚度應(yīng)為公稱壁厚減去加工、腐蝕和磨蝕的厚度，但是基于自重作用的載荷還是采用公稱厚度來進(jìn)行計算。

對于國內(nèi)大多數(shù)用戶所采用的CAESARⅡ軟件來說，在管道模型輸入頁面，有“-Mill Toll %”項，此項用于定義管道壁厚允許的加工偏差和其他機械誤差，該值僅影響壁厚的校核，對于計算SL并無影響。在部分技術(shù)人員采用CAESARⅡ進(jìn)行冷箱內(nèi)管道應(yīng)力分析時，考慮到管道介質(zhì)沒有腐蝕和磨蝕，往往忽略CAESARⅡ輸入項“Corrosion：”，而恰恰該項是至關(guān)重要的選項，此項如果輸入為0或者忽略，則會造成CAESARⅡ在計算SL時采用公稱壁厚來進(jìn)行計算。為安全考慮，應(yīng)該在“Corrosion：”輸入管道壁厚的加工偏差、腐蝕和磨蝕的總和。

3.2計算二次應(yīng)力SE時

在B31.3-2012版本319.3.5條，規(guī)范規(guī)定柔性分析中應(yīng)使用管道和管件的公稱壁厚和外徑[4]。

4 ASME B31.3對材料的許用位移應(yīng)力規(guī)定

B31.3-2012版本319.3.4(b)解釋：在附錄D中的應(yīng)力增強系數(shù)，是通過用鐵基塑性材料制成的有代表性的管道組件和裝配件的疲勞試驗得到的。許用的位移應(yīng)力范圍是基于對碳鋼和奧氏體不銹鋼的試驗而得。當(dāng)對某些非鐵基材料(例如銅和鋁合金)和在非低循環(huán)條件下用第302.3.5的公式(1a)和(1b)確定位移應(yīng)力范圍時，宜謹(jǐn)慎使用。

許用位移應(yīng)力SE的校核主要是為了防止管道的疲勞破壞，而疲勞破壞開始的標(biāo)志則是出現(xiàn)疲勞裂紋。塑性好的材料能夠延緩疲勞裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展，推遲產(chǎn)生疲勞裂紋的時間。

對于國內(nèi)空分裝置冷箱，冷箱內(nèi)管道大部分采用鋁合金管道還有少量的不銹鋼管道。如果按照GB14976-2012選擇牌號為06Cr19Ni10的無縫管，則標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小斷后伸長率為35%；對應(yīng)的鋁管道如果按照GB/T4437.1-2000標(biāo)準(zhǔn)選用，5052牌號的鋁管斷后最小伸長率標(biāo)準(zhǔn)未做規(guī)定，5083牌號的鋁管斷后最小伸長率規(guī)定14%；如果選擇焊接管，相應(yīng)的GB3880.2對不同牌號不同厚度的鋁板作出了不同的最低伸長率要求，5052最低伸長率變化范圍在1%～19%,5083最低伸長率變化范圍在1%～16%。參考以上國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可以看出，作為奧氏體不銹鋼的代表材料06Cr19Ni10的塑性較鋁合金5052、5083的塑性高很多。B31.3對于鋁合金管道單獨提出在確定許用位移應(yīng)力時需要謹(jǐn)慎，是否與材料塑性有關(guān)也是未知，其具體原因還需要業(yè)內(nèi)技術(shù)人員的廣泛研究討論。

不過空分裝置冷箱內(nèi)管道在設(shè)計預(yù)期壽命內(nèi)循環(huán)次數(shù)很低，產(chǎn)生低周疲勞破壞的可能性較小。

5 結(jié)束語

ASME B31.3以其科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)作為管道設(shè)計的規(guī)范已經(jīng)在全世界范圍得到廣泛的認(rèn)可，新版標(biāo)準(zhǔn)B31.3-2012較B31.3-2010之前的版本有較大的變化，具體內(nèi)容有：一次應(yīng)力的計算公式變化情況、一次應(yīng)力中應(yīng)力增大系數(shù)的規(guī)定、應(yīng)力分析中對于管道厚度負(fù)偏差的考慮、二次應(yīng)力分析中對材料許用位移應(yīng)力的規(guī)定。

[1] 查爾斯·貝赫特Ⅳ著，陳登豐譯.工藝管道ASME B31.3實用指南[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] ASME B31.3-2008,Process Piping[S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2008.

[3] ASME B31.3-2010,Process Piping[S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2011.

[4] ASME B31.3-2012,Process Piping[S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2013.