ASME B31.3与空分装置冷箱内管道应力分析

李 超 彭喜魁 刘洪仁

(开封空分集团有限公司设计研究院)

ASME B31.3作为管道设计的权威规范，其对管道设计过程中的各项规定已经得到世界行业内用户的广泛认可。CAESARⅡ是一款通用的管道应力分析专业软件，其遵循的标准包括ASME B31.3、B31.1以及BS806等。B31.3标准每两年修订一次，最新版本为B31.3-2012，新版标准与B31.3-2010之前的版本相比有较大变化，这些变化直接影响了采用CAESARⅡ进行管道应力分析评定的工作。

1 ASME B31.3标准中管道一次应力计算公式的变化

关于管道一次应力SL的计算是否包括扭矩引起的扭转切应力，业内一直有不同的看法，而ASME B31.3标准在2010版本之前并未给予明确的信息。在早期，B31.3章节委员会已将SL给出解释为包括由轴向载荷和弯矩引起的应力[1]。在B31.3-2010版本之前扭矩并未提及，通常SL的计算表达式为：

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

从材料力学的强度理论可知，最大切应力理论较符合材料发生屈服破坏的情况。早期的B31.3版本还给出了一个包括扭矩载荷可替代计算SL的规范案例——CASE 178， 在这个案例中，SL的计算表达式为：

从2010年6月25日开始，B31.3-CASE 178已经废除，原因在B31.3-2010版本中解释为规范案例已经被包含在规范条文之中。在2010版的B31.3中新增了条文“320. ANALYSIS OF SUSTAINED LOADS”，在“320.2 Stress Due to Sustained Loads”节中，明确指出了SL的计算表达式，与早期B31.3版本中CASE 178对SL的计算方法相同。

对于采用CAESARⅡ软件进行管道应力分析计算的单位来说，如果按照B31.3标准来进行应力校核，还需要根据CAESARⅡ的软件版本来进行静态配置的设置。对于某些CAESARⅡ版本(例如5.0等)来说，计算一次持续纵向应力时系统默认是不考虑扭矩因素的，此时应该在静态配置页将“Add Torsion in SL Stress”项设置为“YES”，或者将 “Implement B31.3 Code Case 178”选项选中，从而在SL的计算过程中将扭矩因素考虑进去。

2 ASME B31.3对计算一次应力SL时应力增大系数的考虑

根据材料力学的理论可知，对于塑性材料制成的构件，由于局部结构不连续产生的应力集中对其在静载荷作用下的强度几乎无影响。在B31.3-2010版本之前，B31.3并未对一次应力是否采取应力增大系数作出明确规定，只是在附录S的应力计算范例中给出过参考的应力增大系数选取方法。在B31.3-2008版本的附录S中，范例在计算一次持续应力SL时采用了0.75倍的应力增大系数，但是同时标准在附录S中给出了注释[1]：ASME B31.3不认可使用应力增大系数来进行管道组件的一次持续载荷设计。应力增大系数是基于疲劳试验的结果。选择适当的应力增大系数是设计者的责任。本例使用0.75倍的应力增大系数用于持续不变的工况场合[2]。

B31.3在1987年12月14日的释义6-03中指出，在校核一次应力时可以不考虑应力增大系数的影响。鉴于此，当利用CAESARⅡ软件采用B31.3标准进行管道应力分析计算时，在软件的静态配置页有关于一次应力SL计算时SIF的选项，软件提供了3种不同的选项：可以选择忽略应力增大系数的影响；可以采用0.75倍的应力增大系数；可以采用应力增大系数。

以上情况均为B31.3-2010版本未正式发行之前的情况。在B31.3-2010版本中“320.2 Stress Due to Sustained Loads”节，公式(23a)、(23b)、(23c)中明确指出了管道组成件进行一次应力计算时平面内和平面外应力增大系数的选择，亦即应力增大系数选择不小于1.0的0.75倍应力增大系数[3]。

尽管B31.3-2010对一次应力的应力增大系数做出的规定存在较大争议，但作为规范，当采用B31.3标准来进行设计时，还需要按照规范的要求来进行。在有些版本的CAESARⅡ软件的静态配置中，默认的一次应力SL的SIF为1.0，所以在此应将选项“B31.3 Sustained SIF Multiplier”修改为0.75。

3 ASME B31.3对管道厚度负偏差的考虑

3.1计算一次应力SL时

在B31.3-2008版本的302.3.5(c)和B31.3-2010版本的320.1中，明确指出了用于计算一次应力SL的管壁厚度应为公称壁厚减去加工、腐蚀和磨蚀的厚度，但是基于自重作用的载荷还是采用公称厚度来进行计算。

对于国内大多数用户所采用的CAESARⅡ软件来说，在管道模型输入页面，有“-Mill Toll %”项，此项用于定义管道壁厚允许的加工偏差和其他机械误差，该值仅影响壁厚的校核，对于计算SL并无影响。在部分技术人员采用CAESARⅡ进行冷箱内管道应力分析时，考虑到管道介质没有腐蚀和磨蚀，往往忽略CAESARⅡ输入项“Corrosion：”，而恰恰该项是至关重要的选项，此项如果输入为0或者忽略，则会造成CAESARⅡ在计算SL时采用公称壁厚来进行计算。为安全考虑，应该在“Corrosion：”输入管道壁厚的加工偏差、腐蚀和磨蚀的总和。

3.2计算二次应力SE时

在B31.3-2012版本319.3.5条，规范规定柔性分析中应使用管道和管件的公称壁厚和外径[4]。

4 ASME B31.3对材料的许用位移应力规定

B31.3-2012版本319.3.4(b)解释：在附录D中的应力增强系数，是通过用铁基塑性材料制成的有代表性的管道组件和装配件的疲劳试验得到的。许用的位移应力范围是基于对碳钢和奥氏体不锈钢的试验而得。当对某些非铁基材料(例如铜和铝合金)和在非低循环条件下用第302.3.5的公式(1a)和(1b)确定位移应力范围时，宜谨慎使用。

许用位移应力SE的校核主要是为了防止管道的疲劳破坏，而疲劳破坏开始的标志则是出现疲劳裂纹。塑性好的材料能够延缓疲劳裂纹的发生和扩展，推迟产生疲劳裂纹的时间。

对于国内空分装置冷箱，冷箱内管道大部分采用铝合金管道还有少量的不锈钢管道。如果按照GB14976-2012选择牌号为06Cr19Ni10的无缝管，则标准规定的最小断后伸长率为35%；对应的铝管道如果按照GB/T4437.1-2000标准选用，5052牌号的铝管断后最小伸长率标准未做规定，5083牌号的铝管断后最小伸长率规定14%；如果选择焊接管，相应的GB3880.2对不同牌号不同厚度的铝板作出了不同的最低伸长率要求，5052最低伸长率变化范围在1%～19%,5083最低伸长率变化范围在1%～16%。参考以上国内标准的数据可以看出，作为奥氏体不锈钢的代表材料06Cr19Ni10的塑性较铝合金5052、5083的塑性高很多。B31.3对于铝合金管道单独提出在确定许用位移应力时需要谨慎，是否与材料塑性有关也是未知，其具体原因还需要业内技术人员的广泛研究讨论。

不过空分装置冷箱内管道在设计预期寿命内循环次数很低，产生低周疲劳破坏的可能性较小。

5 结束语

ASME B31.3以其科学、严谨作为管道设计的规范已经在全世界范围得到广泛的认可，新版标准B31.3-2012较B31.3-2010之前的版本有较大的变化，具体内容有：一次应力的计算公式变化情况、一次应力中应力增大系数的规定、应力分析中对于管道厚度负偏差的考虑、二次应力分析中对材料许用位移应力的规定。

[1] 查尔斯·贝赫特Ⅳ著，陈登丰译.工艺管道ASME B31.3实用指南[M].北京:化学工业出版社,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.