API Spec 6A標準中應力強度準則分析探討

劉紅芳

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

美國石油協會（American petroleum institute）的API Spec 6A標準規定了石油天然氣工業用井口裝置和采油樹的性能、尺寸和功能互換性、設計、材料、試驗、檢驗、焊接、標志、包裝、貯存、運輸、采購、修理和再制造的要求，并給出了相應的推薦做法，在石油工業中有著很廣泛的應用，是一部較好、較詳細的API產品規范，目前第20版已于2011年4月實施［1-3］。但其中對承壓元件設計方法中應力強度準則的限定不夠清楚，影響對新設計承壓元件強度分析計算結果合理判斷。為此，筆者引入了3個相關標準中的承壓元件設計的應力強度準則，通過比較分析，指出了API Spec 6A標準中應力強度準則所存在的問題，并給出了2種應力強度準則修改方案，以供相關技術人員商榷。

1 幾個常用應力強度準則

1.1API Spec 6A標準中的應力強度準則

在API Spec 6A標準中規定，其它端部聯接裝置、本體和蓋的設計可以按美國工程師協會（American society of mechanical engineers，ASME）鍋爐和壓力容器規則的第Ⅷ卷第2分冊（以下簡稱ASME標準）中的應力強度判定方法。設計許用應力ST、Sm分別由下列兩個公式給出：

式中：ST為靜水壓試驗壓力下的最大許用總體一次薄膜應力強度；Sm為額定工作壓力下的設計應力強度；Sy為材料規定的最小屈服強度。

1.2ASME標準中的應力強度準則

在ASME標準2004版中,先對應力進行了詳細分類，把應力分為薄膜應力、彎曲應力和峰值應力，在此基礎上，提出了工作狀態、靜水壓試驗狀態和氣壓試驗狀態3種條件下的應力強度準則限定［4-5］。

1）工作狀態應滿足以下兩個強度條件。在工作狀態下，所計算出的一次薄膜應力強度Pm和一次薄膜應力加上一次彎曲應力強度Pm+Pb應同時滿足下列兩個公式：

式中，S為設計應力強度值。

2）靜水壓試驗狀態應滿足以下兩個強度條件。在靜水壓試壓狀態下，所計算出的一次薄膜應力強度Pm和一次薄膜應力加上一次彎曲應力強度Pm+Pb應同時滿足下列兩個公式：

3）氣壓試驗狀態應滿足以下兩個強度條件。在氣壓試壓狀態下，所計算出的一次薄膜應力強度Pm和一次薄膜應力加上一次彎曲應力強度Pm+Pb應同時滿足下列兩個公式：

1.3API Spec 6A F2技術報告中的應力強度準則

APITR 6AF2［6］是針對 API Spec 6A 標準中整體法蘭在組合載荷（包括拉伸、彎曲、內壓和裝配載荷）下的強度分析計算給出了應力強度準則，它是以技術報告的形式對外公開發布。采用的應力強度準則如表1。

表1 應力強度準則

2 API Spec 6A標準中應力分析與常用準則對比

2.1 同A S M E標準中的應力強度準則對比

1）在API Spec 6A標準中，明確指出了其它端部聯接裝置、本體和蓋的設計可以采用ASME標準2004版中的內容，但給出的靜水壓試驗壓力條件下的應力強度準則只有總體一次薄膜應力強度的限定，即式（2），而沒有對一次薄膜應力加一次彎曲應力強度進行限定。在ASME標準2004版中，明確提出了式（5）和式（6）必須同時滿足，而且公式中使用的判定強度數值是材料規定的最小屈服強度。因此，同ASME標準相比較，API Spec 6A標準中的應力強度準則限定不夠完整。

2）在API Spec 6A標準中，對ASME標準的引用，沒有考慮氣壓試壓工況條件，而在ASME標準中，明確提出了氣壓試壓時應滿足的應力強度準則，即式（7）和式（8）。因此，同ASME標準相比較，API Spec 6A標準中給定的工況條件不夠完整。

3）在API Spec 6A標準中，應力強度準則未采用ASME標準最新版本相關條款之規定，而依然采用ASME標準2004版中的內容。ASME標準在2007版和2010版中［7-8］，已經將靜水壓試驗的應力強度準則做了修改，將式（5）修改為 Pm≤0.95Sy，將式（6）修改為：當 Pm≤0.67Sy時，Pm+Pb≤1.43Sy；當 0.67Sy＜Pm≤0.95Sy時，Pm+Pb≤2.43Sy-1.5Pm。

因此，同ASME標準相比較，API Spec 6A標準應力強度準則技術跟進相對滯后。

2.2 同A P I T R6 A F 2技術報告中的應力強度準則對比

在API Spec 6A標準中，對其他端部連接裝置、本體和蓋的應力強度準則，僅給出了額定工作壓力和靜水壓試壓壓力2種載荷條件，但在API TR 6AF2技術報告中，對整體法蘭分6種載荷條件分別給出了應力強度準則。作為API Spec 6A標準中所涉及產品的其它端部聯接裝置、本體和蓋，在受力分析時，同樣存在法蘭連接，應該考慮裝配、拉伸、彎曲和溫度的多種載荷條件。因此，同API TR 6AF2技術報告相比較，API Spec 6A標準應力強度準則給定載荷條件不夠完整。

3 對API Spec 6A標準中應力強度準則修改方案的建議

在API Spec 6A標準中，將靜水壓試驗一次薄膜應力從ASME標準（2004版及以前）規定的0.9倍的材料屈服強度（Sy）降低到0.83倍的材料屈服強度，可能是基于更安全、更可靠方面因素考慮，是一種保守設計，這點是正確的。但是，針對以上所存在的問題，筆者通過分析研究，在兼顧API Spec 6A標準保守設計和ASME標準中的應力強度判定方法的基礎上，不考慮ASME標準中應力強度理論由第三強度理論（最大剪應力理論）改為第四強度理論（變形能理論）的背景，分別針對API Spec 6A標準在引用ASME標準2004版和2010版中的應力強度準則，提出了2種應力強度準則修改方案，如表2和表3。

表2 應力強度準則修改方案一

表3 應力強度準則修改方案二

4 結論

1）隨著石油工業的技術發展，井口裝置及采油樹設備設計的高精度、高可靠性顯得尤為重要，作為API Spec 6A標準中其他端部連接裝置、本體和蓋的強度設計，其設計方法引用ASME標準的思路是正確的，但是對ASME中規定的強度準則引用不夠完整。

2）本文給出的應力強度準則兩種修改方案，沒有考慮ASME標準中應力強度理論由第三強度理論改為第四強度理論的背景條件，有待更進一步論證研究，并逐步完善。

［1］ API Spec 6A：2011.Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment［S］.

［2］ 張永澤.對API 6A規范設計強度限制準則的探討［J］.石油礦場機械，1993，22（3）：12-17.

［3］ 張永澤.API Spec 16A《鉆穿設備規范》評介［J］.石油礦場機械，1988，17（2）：41-43.

［4］ 張永澤，梁政，蔣發光.復雜結構有限元分析強度判定方法［J］.石油礦場機械，2009，38（5）：5-8.

［5］ ASME Boiler and pressure vessel committee.Boiler and pressure vessel code,section Ⅷ,division 2,Alternative Rules［S］.

［6］ API TR 6AF2:2008.Technical report on capabilities of API integral flanges under combination of loading,phase Ⅱ［S］.

［7］ ASME Boiler and pressure vessel committee.Boiler and pressure vessel code,section Ⅷ,division 2,Alternative Rules［S］.

［8］ ASME Boiler and pressure vessel committee.Boiler and pressure vessel code,section Ⅷ,division 2,Alternative Rules［S］.