管道应力计算中ASME B31标准系列的应用及比较

方立

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

管道应力计算中ASME B31标准系列的应用及比较

方立

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

ASME B31规范系列是石油化工行业中常用的标准系列。文章从许用应力、壁厚计算和应力校核等方面对ASME B31.1、B31.3、B31.4和B31.8进行了比较，针对各个标准适用的不同管道类型，分析了各标准之间的相同点与不同点，重点对不同之处进行了论述，为工程设计的恰当应用提供参考。

ASME B31；许用应力；壁厚计算；应力校核

ASME B31标准系列是由美国机械工程师协会（The American Society of Mechanical Engineers，ASME）B31压力管道规范委员会领导下编制的，由一系列单独出版的卷组成，每卷根据不同的管道类型进行制定：B31.1所述动力管道主要指发电站、工业设备和公共机构的电厂、地热系统及集中和分区的供热和供冷系统中的管道；B31.3所述工艺管道主要为炼油、化工、制药、纺织、造纸、半导体和制冷工厂，以及相关的工艺流程装置和终端设备中的管道；B31.4所述液态烃和其他液体的输送管线系统主要指工厂与终端设备间以及终端设备、泵站、调节站和计量站内输送主要为液体产品的管道；B31.5所述冷冻管道主要为冷冻或二次冷却器的管道；B31.8所述气体输送和配汽管道系统为生产厂与终端设备（包括压气机、调节站和计量器）间输送主要为气体产品的管道以及集汽管道；B31.9所述房屋建筑用户管道主要为工业设备、公共机构、商业和市政建筑以及多单元住宅内的管道，但不包括B31.1所覆盖的尺寸、压力和温度范围；B31.11所述浆液输送管道为工厂与终端设备间以及终端设备、泵站和调节站内输送含水稀浆的管道；B31.12所述氢用管道系统和管道主要适用于气态和液态氢管道系统以及输送气态和液态氢管道。

在石油化工行业中，最常用的管道设计标准是ASME B31.3，在一些特定的设备和装置中（如长输管道、动力锅炉等系统）也会应用到ASME B31.1、B31.4和 B31.8， 而对于 ASME B31.5、B31.9、B31.11及B31.12则较少涉及。本文将从许用应力、壁厚计算和应力校核等方面对ASME B31.1、B31.3、B31.4和B31.8进行比较，分析各标准之间的相同点与不同点，旨在工程设计中能够应用适当的标准来进行设计和计算。

1　管道许用应力的确定

ASME B31.1规范中规定的许用应力在强制性附录A《许用应力表》中给出，该附录列出了适用于动力管道的各种材料在不同温度下的许用应力值。ASME B31.1规定管道材料的许用应力取值为钢材抗拉强度的1/3.5和屈服强度的2/3之间的较小值，在该《许用应力表》中还专门包括了焊缝系数和铸造质量系数。

ASME B31.3规范中规定的许用应力也在其附录A中给出，同样列出了适用于工艺管道的各种材料在不同温度下的许用应力值。该许用应力取值为钢材抗拉强度的1/3和最低屈服点的2/3之间的较小值。

ASME B31.4中，许用应力值按式（1）计算：

式中，0.72为以公称壁厚为基准的设计系数，考虑了规范准用材料标准中提供的壁厚负偏差和最大允许缺陷深度等因素，并增加裕量；E为焊接接头系数。

ASME B31.8中，许用应力值按式（2）计算：

式中，F为设计系数；E为纵向接头系数；T为温度降低系数。

比较上述标准中管道材料许用应力可知：

ASME B31.1和B31.3中有明确的许用应力值，该值一般以钢材的抗拉强度和屈服强度为基准，在考虑一定安全系数的同时，还考虑钢材蠕变、应力松弛等其他因素，故其选用的钢材通常要考虑材料的综合力学性能；而B31.4和B31.8则仅仅以钢材的最低屈服强度为基准，一般以高屈强比的材料为主。以SA106B材料为例，其许用应力（常温下）按照B31.1为117 MPa，B31.3为135 MPa，B31.4为173 MPa，而B31.8仅给出最低屈服强度为239 MPa。这是因为：ASME B31.1和B31.3所涵盖的管道系统承受荷载条件较为复杂，其压力、温度等操作条件变化范围较广，故管道系统需考虑较大的安全系数；而B31.4和B31.8是针对长距离气液输送的管道标准，该类管道承受荷载条件相对简单，压力温度变动范围较小，在工程中易于被精确计算，故可以以最低屈服强度作为评判依据。

2　管道壁厚计算

为了更直观地比较上述规范在壁厚计算方面的区别，本文采用列表的方式进行比较。ASME B31.1 和B31.3的计算公式较为接近，故将两者放在一起，见表1；而ASME B31.4和B31.8则较为接近，其壁厚计算公式见表2。

表1　ASME B31.1和B31.3的内压直管管道壁厚计算公式Tab.1 The Formula of Wall Thickness in ASME B31.1 and ASME B31.3

表2　ASME B31.4和B31.8的内压直管管道壁厚计算公式Tab.2 The Formula of Wall Thickness in ASME B31.4 and ASME B31.8

比较以上标准中关于承受内压直管管道壁厚的计算公式，可知：

（1）在壁厚计算公式中，ASME B31.1和B31.3以许用应力为基础，两者计算公式较为相近；而ASME B31.4和B 31.8则以最低屈服强度为基础进行计算，两者计算公式较为相近；而B31.1、ASMEB31.3与B31.4、B31.8的计算公式之间区别较大。

（2）B31.1用于动力管道，其介质一般为蒸汽、凝液和水等腐蚀性较小的介质，因此其附加厚度A以机械加工产生的损失为主；而B31.3规范适用于石油、化工和制药等领域，在设计过程中需考虑管道内不同流体介质的腐蚀性，因此其加工裕量c要兼顾腐蚀裕量与机械加工损失。

另外，ASME B31.3在B31.1的计算公式基础上还增加了焊接接头强度降低系数W。在高温下，焊接接头的持久强度可能比母材的持久强度低。该系数适用于温度高于510 ℃且基于蠕变影响的考虑［6］。

（3）ASME B31.4和B31.8在计算壁厚公式中，关于壁厚偏差以及最大允许缺陷深度等通过计算许用应力的设计系数F来体现，并增加了一定的裕量。ASME B31.4的设计系数一般取0.72，而ASME B31.8的设计系数则根据其地区等级的不同而取值不同。

3　管道应力校核

3.1一次应力校核

ASME B31系列的一次应力校核准则为：

（1）ASME B31.1 压力、重量和其他持续机械载荷的产生的纵向应力的总和SL不应超过热态条件下的许用应力Sh。

（2）ASME B31.3 管道系统任一组件由于压力、重量和其他持续载荷产生的纵向应力的总和SL，应不超过预计最高金属温度下的许用应力Sh和焊接接头的强度降低系数W的乘积。考虑纵向应力时，焊接接头的强度降低系数W对于纵向焊缝可取为1.0。

（3）ASME B31.4 压力、重量和其他外在载荷所产生的纵向应力之和，不应超过0.75 S。S为材料许用应力，S=0.72×E×最低屈服强度。

（4）ASME B31.8 纵向压应力和各种外载荷，如管子自重和内盛物重量，风载荷引起的纵向弯曲应力之和不应超过0.75 S。S为最低屈服强度。

对比标准中的一次应力校核公式可知：B31.1 和B31.3的校核准则基本一致，但B31.3额外考虑了焊接接头的降低系数，较B31.1稍保守。B31.4和B31.8的校核准则也基本一致，均以材料的屈服强度为基准，但B31.4的校核准则更苛刻。与壁厚计算类似，ASME B31.1、B31.3与B31.4、B31.8的一次应力校核准则之间相差较大。

3.2二次应力校核

在ASME B31规范中，对二次应力的计算均根据第三强度理论（最大剪应力理论）。若忽略轴向作用，则当量应力SE为：

另外，由于ASME B31.4中还包含埋地管道的计算，埋地管道由于土壤弹性力和摩擦力的作用可视为完全约束的直管管道，其二次（膨胀）应力应按式（4）进行计算。

式中 SL— 纵向压应力；

Sh— 流体压力产生的环向应力；

T1— 管道安装时的温度；

T2— 最高或最低操作温度；

E — 钢材弹性模量；

α — 线膨胀系数；

υ — 泊松比。

对于二次应力的校核，ASME B31标准系列的准则均为SE≤SA，SA为许用位移应力范围。同样，不同标准对于SA的定义也是不同的。

（1）ASME B31.1规定

管道系统计算得出的二次应力范围SE应不大于式（5）计算出的许用位移应力范围SA：

当Sh大于SL时，他们之间的差（Sh- SL）可加到式（5）中，在此情况下许用应力范围按式（6）计算：

式中 f — 应力范围系数（f≤1）；

Sc— 在计算应力范围的循环中预期的最低金属温度下的材料的基本许用应力；

Sh— 在计算应力范围的循环中预期的最高金属温度下的材料的基本许用应力。

（2）ASME B31.3规定

ASME B31.3关于许用位移应力范围SA的计算公式与B31.1定义基本一致，为：

（3）ASME B31.4规定

不考虑液压应力，根据100 %的膨胀，采用材料冷态条件下的弹性模量而算出的最大膨胀应力范围SE不得超过许用应力范围S。S为材料许用应力，S=0.72×E×最低屈服强度。

（4）ASME B31.8规定

最大组合的膨胀应力范围SE不应超过0.72 S。S为规定的最低屈服强度。

对比上述许用位移应力范围计算公式可知：

（1）ASME B31.1、B31.3与 ASME B31.4、B31.8关于许用位移应力范围的计算公式完全不同。这是因为：ASME B31.1和B31.3主要是为了防止二次应力的疲劳破坏，其许用应力公式是基于安定性分析得出［5］。而ASME B31.4和B31.8的二次应力校核则仍旧以管道强度破坏为基准。笔者认为ASME B31.4和B31.8对于二次应力的许用值判据过于保守，是值得商榷的。

（2）ASME B31.4 中的埋地管道的二次应力计算与其他计算完全不一致，应区别对待。

综上所述，在管道应力校核过程中，对于一次应力的校核ASME B31.1和B31.3基本一致，比ASME B31.4和B31.8保守；而在二次应力的计算中ASME B31.1、B31.3与B31.4、B31.8之间有根本的区别。

4　结束语

在工程设计中，由于ASME B31.1和ASEM B31.3涉及的管道一般均为装置内的架空管道，其特点是管道数量和品种较多，但是单根管道的距离并不是很长，而且管道内介质的温度、压力种类较多，所以在设计中首先应考虑管道系统的安全性， ASME B31.1和ASEM B31.3之间的区别主要在于两者涉及的管道系统内的介质特性不同。而ASME B31.4和B31.8涉及的一般为长输管道，其特点是管道品种较少，管道内的介质操作工况较为单一，压力温度变动范围较小，但是管道距离很长，所以在工程设计时要兼顾安全和经济两个方面。本文主要针对许用应力的选取、一次应力和两次应力的校核三个和管道应力计算有关的方面论述了这几个标准之间的相同点与不同点，为工程设计的恰当应用提供参考。

［1］ASME B31.1—2014.Power Piping

［2］ASME B31.3—2014.Process Piping

［3］ASME B31.4—2012. Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids

［4］ASME B31.8—2014. Gas Transmission and Distribution Piping Systems

［5］宋岢岢.工业管道应力分析与工程应用［M］.北京：中国石化出版社，2011.

Comparison of Standards in B31 Series and Their Application in Piping Stress Analysis

Fang Li
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.， Ltd， Shanghai 200120）

The series of ASME B31 is commonly used standards in petrochemical industry. With respects of allowable stress，thickness calculation and stress checking， the comparison of ASME B31.1， B31.3， B31.4 and B31.8 was carried out. With respect to different applicable piping for these standards， the similar and dissimilar points among these standards were analyzed. Especially， the dissimilar points were emphatically stated. What presented herein may be used as reference in engineering design.

ASME B31； allowable stress； thickness calculation； stress checking

TQ 015

A

2095-817X（2016）03-0041-004

2016-03-31

方立（1972—），男，高级工程师，主要从事管道设计和管道应力计算工作。