ASME B31.3與空分裝置冷箱內管道應力分析

李 超 彭喜魁 劉洪仁

(開封空分集團有限公司設計研究院)

ASME B31.3作為管道設計的權威規范，其對管道設計過程中的各項規定已經得到世界行業內用戶的廣泛認可。CAESARⅡ是一款通用的管道應力分析專業軟件，其遵循的標準包括ASME B31.3、B31.1以及BS806等。B31.3標準每兩年修訂一次，最新版本為B31.3-2012，新版標準與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進行管道應力分析評定的工作。

1 ASME B31.3標準中管道一次應力計算公式的變化

關于管道一次應力SL的計算是否包括扭矩引起的扭轉切應力，業內一直有不同的看法，而ASME B31.3標準在2010版本之前并未給予明確的信息。在早期，B31.3章節委員會已將SL給出解釋為包括由軸向載荷和彎矩引起的應力[1]。在B31.3-2010版本之前扭矩并未提及，通常SL的計算表達式為：

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

從材料力學的強度理論可知，最大切應力理論較符合材料發生屈服破壞的情況。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的規范案例——CASE 178， 在這個案例中，SL的計算表達式為：

從2010年6月25日開始，B31.3-CASE 178已經廢除，原因在B31.3-2010版本中解釋為規范案例已經被包含在規范條文之中。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”節中，明確指出了SL的計算表達式，與早期B31.3版本中CASE 178對SL的計算方法相同。

對于采用CAESARⅡ軟件進行管道應力分析計算的單位來說，如果按照B31.3標準來進行應力校核，還需要根據CAESARⅡ的軟件版本來進行靜態配置的設置。對于某些CAESARⅡ版本(例如5.0等)來說，計算一次持續縱向應力時系統默認是不考慮扭矩因素的，此時應該在靜態配置頁將“Add Torsion in SL Stress”項設置為“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去。

2 ASME B31.3對計算一次應力SL時應力增大系數的考慮

根據材料力學的理論可知，對于塑性材料制成的構件，由于局部結構不連續產生的應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并未對一次應力是否采取應力增大系數作出明確規定，只是在附錄S的應力計算范例中給出過參考的應力增大系數選取方法。在B31.3-2008版本的附錄S中，范例在計算一次持續應力SL時采用了0.75倍的應力增大系數，但是同時標準在附錄S中給出了注釋[1]：ASME B31.3不認可使用應力增大系數來進行管道組件的一次持續載荷設計。應力增大系數是基于疲勞試驗的結果。選擇適當的應力增大系數是設計者的責任。本例使用0.75倍的應力增大系數用于持續不變的工況場合[2]。

B31.3在1987年12月14日的釋義6-03中指出，在校核一次應力時可以不考慮應力增大系數的影響。鑒于此，當利用CAESARⅡ軟件采用B31.3標準進行管道應力分析計算時，在軟件的靜態配置頁有關于一次應力SL計算時SIF的選項，軟件提供了3種不同的選項：可以選擇忽略應力增大系數的影響；可以采用0.75倍的應力增大系數；可以采用應力增大系數。

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

盡管B31.3-2010對一次應力的應力增大系數做出的規定存在較大爭議，但作為規范，當采用B31.3標準來進行設計時，還需要按照規范的要求來進行。在有些版本的CAESARⅡ軟件的靜態配置中，默認的一次應力SL的SIF為1.0，所以在此應將選項“B31.3 Sustained SIF Multiplier”修改為0.75。

3 ASME B31.3對管道厚度負偏差的考慮

3.1計算一次應力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力SL的管壁厚度應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行計算。

對于國內大多數用戶所采用的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。在部分技術人員采用CAESARⅡ進行冷箱內管道應力分析時，考慮到管道介質沒有腐蝕和磨蝕，往往忽略CAESARⅡ輸入項“Corrosion：”，而恰恰該項是至關重要的選項，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行計算。為安全考慮，應該在“Corrosion：”輸入管道壁厚的加工偏差、腐蝕和磨蝕的總和。

3.2計算二次應力SE時

在B31.3-2012版本319.3.5條，規范規定柔性分析中應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力規定

B31.3-2012版本319.3.4(b)解釋：在附錄D中的應力增強系數，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。許用的位移應力范圍是基于對碳鋼和奧氏體不銹鋼的試驗而得。當對某些非鐵基材料(例如銅和鋁合金)和在非低循環條件下用第302.3.5的公式(1a)和(1b)確定位移應力范圍時，宜謹慎使用。

許用位移應力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志則是出現疲勞裂紋。塑性好的材料能夠延緩疲勞裂紋的發生和擴展，推遲產生疲勞裂紋的時間。

對于國內空分裝置冷箱，冷箱內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，則標準規定的最小斷后伸長率為35%；對應的鋁管道如果按照GB/T4437.1-2000標準選用，5052牌號的鋁管斷后最小伸長率標準未做規定，5083牌號的鋁管斷后最小伸長率規定14%；如果選擇焊接管，相應的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%。參考以上國內標準的數據可以看出，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力時需要謹慎，是否與材料塑性有關也是未知，其具體原因還需要業內技術人員的廣泛研究討論。

不過空分裝置冷箱內管道在設計預期壽命內循環次數很低，產生低周疲勞破壞的可能性較小。

5 結束語

ASME B31.3以其科學、嚴謹作為管道設計的規范已經在全世界范圍得到廣泛的認可，新版標準B31.3-2012較B31.3-2010之前的版本有較大的變化，具體內容有：一次應力的計算公式變化情況、一次應力中應力增大系數的規定、應力分析中對于管道厚度負偏差的考慮、二次應力分析中對材料許用位移應力的規定。

[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:化學工業出版社,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.