ASME B31．1和B31．3在管道应力评判上的异同

第 4 7卷第 5期 2 0 1 0年 1 0月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T& P I P I N G Vo 1 4 7 No 5 0c t 201 0 管 道 与 道 件 AS ME B 3 1 1和 B 3 1 3在 管道应 力评判上 的异 同 李敬琦 ( 上海国际化建工程咨询公司 ， 上海2 0 0 0 6 3 ) 摘 要：汇总了A S M E B 3 1 1 和 A S M E B 3 1 3两个管道规范在管道载荷应力评判上的异同。对于从事管道应力分 析 的工程师来说 ， 熟悉管道规 范及其要 求， 才能更好地做 到“ 遵守规范” ， 才能更好地 为管道 的安全和优化 配管设计 提供有力保障。 关键词 ： A S ME B 3 1 1 ； A S ME B 3 1 3 ； 管道应力评判 中图分类号 ： T Q 0 5 0 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 1 0 ) 0 5 - 0 0 4 7 4 Di f f e r e n c e s a nd S i mi l a r i t i e s o f AS M E B31 1 a n d B31 3 o n Cr i t e r i o n t o Pi pi n g St r e s s e s LI J i n g q i ( S h a n g h a i I n t e r n a t i o n a l E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o ， S h a n g h a i 2 0 0 0 6 3 ，C h i n a ) Abs t r a c t：T he d i f f e r e n c e s a n d s i mi l a r i t i e s o n c rit e rio n t o pi pi n g s t r e s s e s e x i s t e d i n ASME B 3 1 1 a n d B3 1 3 we r e s umma r i z e d i n t h i s a r t i c l e F o r t h e e n g i n e e r s wo r k i n g i n t h e fi e l d o f p i p i n g s t r e s s a n a l y s i s ， i t i s n e c e s s a r y t o f a mi l i a r i z e t h e r e l e v a n t c o d e s ，S O t h a t t h e y c a n c o mp l y wi t h t h e c o d e s c o r r e c t l y a n d w e l l a n d c a n s u p p o rt t h e p i p i n g d e s i g n wi t h s a f e t y a n d o p t i mi z a t i o n Ke y wo r ds： ASME B31 1； ASME B31 3；p i pi n g s t r e s s c r i t e r i o n A S ME B 3 1 1( 以下简 称 “ B 3 1 1 ” ) 和 A S ME B 3 1 3( 以下简称 “ B 3 1 3 ” )目前最新版本 分别是 2 0 0 7年版 和 2 0 0 8年版 ， 其分别是有关动力 和 化工( 包括石化 、 医药 ) 等行业 的两个美 国 国家标 准 ， 其强大的技术支持 、 缜密的书写以及先进的科学 性， 使得该两大标准已被世界各国普遍采用或借鉴 吸收。因此非常有必要去学习并总结它们 。管道应 力分析是电力 、 化工等行业进行管道柔性评判 、 受力 校核 、 优化配管的必须过程 ， 当前已基本上全部 由计 算机软件来实现； 但其需要服从像 B 3 1 1 、 B 3 1 3这 样的管道规范。所 以， 了解管道规范 的基本理念才 能更好地应用好管道应力分析的工具软件 。 这里所说的管道应力 的评判 ， 主要指人们常提 到的管道一次载荷应力 、 二次载荷应力及偶然载荷 应力的评判。一次载荷应力在管道规范中常被称为 “ 持续载荷应力” 、 “ 持续应力” 。二次载荷应力在管 道规范中是“ 位移应力范围” 、 “ 膨胀应力范围” 。偶 然载荷应力在管道规范 中要求偶然 载荷 ( 风 、 地 震 等) 与持续载荷进行组合后的应力 。 为了表达 的便利 ， 下面先以相关 的术语人手， 直 到具体的异同汇总。 纵向压力应力 5 它是指管道内的压力产生的 纵向应力 ， 其值为一半 的由此压力产生的环向应力 。 下面公式( 2 ) 要较公式( 1 ) 在计算 S L p 时更精确 。公 式( 1 ) 是 B 3 1 1已明确的公式 ， 而公式( 2 ) 一般被分 析软件应用在 B 3 1 3中。 S L P = P D 。 4 t ( 1 ) S =P D i 2 ( D 。 D， ) ( 2 ) 轴向应力 F 。 x 4， 它在这里专指 除 S L p 外的管系 中由于结构载荷本身产生 的应力， 如管道在管架上 滑动摩擦力等情形 。 S S h 在 B 3 1 1和 B 3 1 3规范 中， 均定义 S 是指 在期望的位移循环分析 中管道材料在最低温度下的 基本许用应力。s 均被定义为在期望的位移循环分 析 中管道材料在最高温度下的基本许用应力。 持续应力 S 、 纵向应力 5 ， 这两个术语分别是 B 3 1 1 和 B 3 1 3规范 中的“ 称呼” ， 也 即为人们通常 所说的“ 一次载荷应力 ” 。B 3 1 1规 范中对 于计算 S s u s 有具体 的公式 ， 而 B 3 1 3对于计算 5 没有 明确 的公式 ， 只有所应考虑事项 的文字说明。B 3 1 3在 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 1 2 3 作者简介 ： 李敬琦 ( 1 9 7 7 一) ， 男 ， 甘肃省兰州 市人 ， 工程 师。长 期从 事管道工程设计 和管道工程软件开发工作 。 4 8 化工设备与管道 第 4 7卷第 5期 3 0 2 3 5 ( c ) 中要求 ， 在管道系统上任何组成件 的 S 计算中， 考虑 由于持续载荷 ( 如压力 、 质量 ) 的纵 向 应力 ， 其值不应超过 S 。 1 B 3 1 1和 B 3 1 3两个管道规范对于持续 应力 S s 。 或纵向应力 S 的计算中的异同 ( 1 )B 3 1 1和通常被采用 的 B 3 1 3的一次应力 的计算公式如下： S =S L P + 0 7 5 i M Z S h ( B 3 1 1 ) S L =S L P +F x 4+ S b S h ( B 3 1 3 ) 其中M = + + 。 S b = ( 。 M。 )+ ( i ) z ( 2 )均考虑纵向压力应力 5 ( 3 )B 3 1 1 在 5 计算公式 中没有包括轴 向应 力 F A， 但 B 3 1 3因没有提供计算 S 的公式， 人们 一 般通过其要求的内容考虑该项 j 。 ( 4 )B 3 1 1的 S 计算公式 中， 对于合成力 矩 ( 即包括弯矩 和扭矩 ) 乘以一个不小于 1 0的系数 0 7 5 i ， 其中 i 是应力增强系数； 而 B 3 1 3规范 中对 于 i 分成平面内 i ， 与平 面外 i 。 两种 ， 且仅用于弯矩 中。将这里提到 的形如 0 7 5 i 称作持续 应力指 数 S S I ( s u s t a i n e d s t r e s s i n d e x ) 。B 3 1 3曾在早些年规范 解义 中指出设计者 可以在持续应力分析 中使 用 0 7 5 i 这样的 S S I 。 ( 5 )B 3 1 3明确 ， 在管道截面模量计算 中， 面积 A要以在公称壁厚 中扣除因机械磨损 、 介质腐蚀 、 侵 蚀的余量后的壁厚作为计算 。但在管道质量考虑时 则用公称壁厚。而 B 3 1 1从公式 ( 1 ) 及附录 G( 术 语表 ) 中可知， 其 以公称壁厚 t n 进行计算 。 ( 6 )B 3 1 1中在 Js 的计 算 中， 同时包 括弯矩 和扭矩 ( 即包括弯曲应力 5 和扭转应力 S ) ， 而 B 3 1 3规范中没有明确地说明， 但从其将持续应 力“ 称作” 为“ 纵向应力” 来看 ， 它在 5 计算 中是不包 括扭矩( 即扭转应力) 的。 ( 7 )A S ME B 3 1 3规范 中还引入了一个可替代 的计算持续载荷纵向应力的方法B 3 1 C A S E 1 7 8 。该方法 中除 了考虑 F A( 轴 向应力 ) 、 s 之 外 ， 还考虑了扭转应力 ( 即考虑 了扭矩 的因素 ) ； 同 时明确了各参数的组合方法。下面是公式 ： S L ： ( I F l + 5 b ) +( 2 5 ) 其 中， S 。 =M 2 Z， S b 基本与前面提到的计算方 法一样 ， 其中明确考虑了持续应力指数 S S I ( 同样应 用到平面内 i 和平面外 i ) ， 且 S S I 取 0 7 5 i 和 1 0 中的更大者。 2 位移膨胀应力范 围在 B 3 1 。 1和 B 3 1 3中 的异 同 ( 1 )两个规 范的位移 应力范 围的计算公式及 评 判 S F ：i M ZS A ( B 3 1 1 ) S E =( S b + 4 S ) “ S A ( B 3 1 3 ) 其 中， 是 由于位移载荷范围引起的在管道及 管件横截 面上的力矩 载荷 范 围的合 力矩 ( 即 、 、 的均方根合成) ； 这里的范围是从环境温度到 操作温度范 围。5 是考 虑了应力增强系数 的平 面 内、 外弯曲应力的合成。s 中未计入应力增强系数。 可看出在两个规范中的位移应力中均考虑 了弯 矩和扭矩的因素。两规范在位移应力中均没有考虑 由于轴向应力产生的位移应变影响， 这是 因为在一 般的管道 中轴 向应力对于位移应力范 围的影响很 小 ， 但是在一些特殊情况 ， 如包含热流体 的埋地管 线、 内外温差很大的夹套管等 ， 轴向应力就非常有必 要去考虑。B 3 1 3在 3 1 9 2 3 ( c ) 中对这种特殊管 道要求考虑轴向应力。 ( 2 )许用应力范围 S 。 S = 1 2 5 S + 0 2 5 S h ( 对于 B 3 1 3的K类 ( 高压 ) 管道只能用此 ， B 3 1 1 无此分类 ) 或当 S S 时也可用 。 S = 1 2 5 ( S 。 +S )一S 。 ( 对于B 3 1 3 的除 K类( 高压) 管道外用此 ， B 3 1 1 无此分类 ) 此外， 对于这里 的应力范 围( 降低 ) 系数厂 ， 在现 今的两个管道规范中已有一些差异， 在 A S M E B 3 1 3中 厂 的取值当应力循环次数低于 7 0 0 0时最大可 为 1 2 ， 自2 0 0 4年版始用曲线图代替了像 B 3 1 1 那 样简单表格数据， 用“ 应力范围系数” 术语替代 了原 来( 或像 B 3 1 1 那样) 的“ 应力范围降低系数” 术语。 根据不同的材料 、 温度 、 应力循环情况_厂 有具体的取 值 规定 。 ( 3 )一般来说 ， B 3 1 1和 B 3 1 3均不对操作工 况下 的应力进行评判。但 B 3 1 3的附录 P中提供 了评判应力范围的可替代方法， 可用来评判热持续 应力和位移应变范围。操作应力是在任何操作工况 下包括有压力、 质量及其他持续载荷 ( 但不包括偶 然载荷) 的计算的应力 ， 其许用值 5 。 为 ： S 。 A =1 2 5 ( S 。 + S h ) 操作应力 5 和最大操作应力 范围 s 的计算公 式分别为 ： S = ( 1 F 4 I + S ) + 4 S t j 李敬琦 A S M E B 3 1 1和 B 3 1 3在管道应力评判上的异同 4 9 S E= ( 1 F Al + S b ) + 4 S t 。 3 偶然载荷应 力的评判异 同 S =S L P + 0 7 5 i ( + Mb ) ZK S h ( B 3 1 1 ) B 3 1 1 公式中， 。 与前面一样 ， 是持续载荷下 的 力矩的合成； M 是偶然载荷 下的力矩 的合成 ， 其表 达公式与 的类似。 B 3 1 3没有提供偶然载荷应力的计算公式 ， 但 要求由于持续和偶然载荷产生的纵 向应力之和不得 超过 K S 。言外之 意， 要分别去将持续和偶然应力 加和 ， 进行评判， 其 中纯偶然应力的公式表达与持续 应力的表达类似 。 注意， 两 个 规 范 中许 用 应 力 的 放 大 系 数 不同： 对于 B 3 1 1 ， 当偶然载荷每次作用 的时间不超 过 1 h且每年的总时间低 于 8 0 h ， K取 1 5 ； 当偶然 载荷每次作用的时间不超过 8 h且每年的总时间低 于 8 0 0 h ， K 取 1 1 5 。而 对 于 B 3 1 3 ， K 取 1 3 3 ( P a r a 3 0 2 3 6 ) 或 K类 ( 高压 ) 管道时取 1 2( 见 P a r a K 3 0 2 3 6 ) 。对于温度大于 4 2 7 ( 8 0 0。 F ) 的钢管道( 不含铸钢、 其它延展性材料等) ， 1 3 3 S 可用 0 9 l ， h W替代 ， 其 中 J ， h 为用最高温度对应的屈 服强度值， 为强度降低系数 ， 在没 有更合适数据 的情况下， 对于奥氏体不钢材料 取 1 0 ， 除此之外 的钢材料 取 0 8 。 两个规范中都要求对不同时考虑风和地震载荷 工况( 言外之意是可以在不 同工况中分别考虑) 。 4其他细节上 的异 同 ( 1 )B 3 1 1 和 B 3 1 3两规范中对于材料许用应 力的取值不同。这会影响到计算应力的评判值 ， 因 此需要在使用时注意。 ( 2 )应力评判 中的许用应力 s 、 s 取值时还应 注意 ， B 3 1 1 在 1 0 2 3 2 ( B) 中规定 ， 位移应力计算 中不考虑焊接接头系数 E或铸件质量系数 F， 但 因 B 3 1 1规范许用应力表 中对于焊管或铸管均计入 了 E或 F， 故在这里所说的应力计算中要除去该系数 。 B 3 1 1 在 5 、 5 的注释中规定 ， 对具有最小拉伸强度 超过 7 0 k s i ( 4 8 0 MP a ) 的金属材料 ， 在没有其它更合 理的证 明下 ， 在进行位移应力计算 时应采用不超 过 2 0 k s i ( 1 4 0 MP a ) 的 S 。 或 S 。B 3 1 3许用应力表中未 包括这里提到的系数 。B 3 1 3在 3 0 2 3 5条有关 s 和 S 的注释中规定 ， 如果材料为铸件 ， 则基本许用 应力还应乘以系数 F， 若为纵 向焊 ， 则不必去乘 以系 数 E。这样来看 ， B 3 1 1和 B 3 1 3在柔性分析 中对 于纵向焊管( 直缝或螺旋缝 ) 均不要求考虑 E。 ( 3 )与许用应力有关 的另外一个术语是焊接接 头强度 降低 系数 W( We l d J o i n t S t r e n g t h R e d u c t i o n F a c t o r ) ， 其首次在 2 0 0 4年版 的 B 3 1 3规范 中提 出 并在 2 0 0 8年版中得到更新 ， 同样主要用于对纵 向 或螺旋焊管道的压 力 ( 强度 ) 设计时。 是一个介 于 0 5和 1 0的材料基本许用应力 的减小系数 。非 纵向或螺旋焊( 如周 向焊) 时是否考虑 是设计者 的责任 。B 3 1 3规定在偶然载荷评判或 3 0 2 2 4规 定的允许的压力或温度变化评估时 W= 1 0 ， 许用位 移应力计算 中不需要考虑该 。 仅用于焊接处。 鉴于此规定 ， 对于采用 B 3 1 3进行管道应力分析来 说 ， 可被应用 于持续应力 中( 如果设计者认为这 样处理更 安全 的话 ) ； 特别是对 于弯头 、 三通 等有 S I F的地方 ， 现在 5 1 0版的管道应力分析软件 C A E - S A R I I中， 对 于采用 B 3 1 3规范且 材料温度超 过 5 1 0 ( 9 5 0。 F ) 的 ， 自动按表 3 0 2 3 5中的数据在 弯头 、 三通 的焊接节点处考虑 。 ( 4 )B 3 1 1 在 1 1 9 6 4中要求位移应力计算以 冷态 ( 室温 ) 的弹性模量 E 进行计算 ， 在冷 、 热态反 力计算 中， 在 1 1 9 1 0 1中规定应以室温下的弹性模 量 E 进行计算。B 3 1 3的 3 1 9 5中 明确说 ， 在管道 系统的约束和支架设计 中以及在评估管道位移对相 连设备的影响中， 所使用 的弹性模量是环境温度下 的值 E 。但 当一条管线 中存在管道材料或温度 的 变化所引起的过应变( 非弹性的不平衡 系统) 时 ， 在 3 1 9 2 2 b ( 4 ) 中指出 ， 其 弹性模量 的差异会极大地 影响应力 的分布 ， 其 引起 的位移应力应基于管系不 同部分处实际温度下的弹性模量 计算， 然后再乘 以( E E ) 这个 比值。2 0 0 4年版始 B 3 1 3中增加了 附录 P ， 其在 P 3 l 9 5条反力计算中指出应使用实际 温度下的弹性模量进行计算 ( 如果为 了得到更保定 的结果也可以使用 安装 温度 下的弹性模量 ) ； 一个 管系上的不同位置可以有不同的温度工况。 ( 5 )B 3 1 3明确 ， 在进行位移应力范围计算时 应基于在分析的热循环 内的金属最高温度与金属最 低温度 ； 在进行约束反力计算时指出， 应基于金属最 高( 或 最 低 )温 度 与 预 期 安 装 温 度。B 3 1 1在 1 0 4 8 3 关于 的意义说 明及 1 1 9 6 1中表 明， 在 柔性分析中进行位移 载荷范围应力计算 中， 考虑由 环境温度到正常操作温度的范围。 ( 6 )在柔性计算或位移应力计算 中， B 3 1 1在 1 1 9 6 4中规定 ， 应力计算应基 于组成件 的最小截 5 O 化工设备与管道 第 4 7卷第 5期 面积 ， 采用局部应变处的公称尺寸 ， 在 1 1 9 7 3中规 定 ， 用在柔性计算 的管子和管件的尺寸属性应基于 公称尺寸 ； B 3 1 3也在 3 1 9 3 5中要求柔性计算 中 应 以管道外径和公称壁厚进行计算。 ( 7 )在柔性分析中， B 3 1 3规范表明采用预期到 达到的最高( 或最低) 金属温度为计算参数， 设计参数 是用于压力设计时， 其没有必要用于管系柔 陛设计。 ( 8 )B 3 1 1和 B 3 1 3两规范在应力计算中所要 求考虑柔性特性值 h 、 柔性系数 k 、 应力增强系数 S I F 的管道元件存在着异同， h 、 后及 S I F上也存在着异 同。详细的比较可分别参见两规范的附录 D。 ( 9 )两个规范均承认非正式分析时 A S ME经验 应力判别公式 。但应注意其适用范围。 ( 1 O )在柔性计算 中所有材料及所有温度下其 泊松 比， B 3 1 1和 B 3 1 3均规定取 0 3 ， 但如果能得 到更准确或权威的数据也是允许的。 ( 1 1 )B 3 1 1在水 压试验工况中规定 ， 周 向( 环 向) 应力不应超过试验温度下屈服强度 ( 0 2 残余 应变) 的 9 0 ， 试验压力 以及试 验时的活载荷和固 定载荷( 不包括偶然载荷) 产生 的纵 向应力 总和不 应超过试验温度下屈服强度的 9 0 。而 B 3 1 3在 3 4 5 2 1 ( a ) 中规定 ， 试验压力产生的公称压力应力 或者纵向应力如果超过试验温度下材料 的屈服强度 时 ， 试验压力可降低至不超过试验温度下材料的屈 服强度。B 3 1 3在 3 0 2 3 6 ( 6 ) 中还规定 ， 试验载荷 不应同时考虑偶然载荷。 ( 1 2 )压力会对大直径薄壁管的弯头( 或弯管 ) 的柔性 系数 、 应力增强系数 S I F有着特别大的影 响， 因此需要对这两个参数进行修正。这在英文术 语 中称为 p r e s s u r e - s t i f f e n i n g 。B 3 1 1和 B 3 1 3在其 附录 D中都有所提到。 以上 内容 比较全 面地 汇总 了 B 3 1 1和 B 3 1 3 两个规范在管道系统应力分析上的异同。对于从事 管道应力分析的工程师来说 ， 熟悉管道规范 ， 才能更 好地做到“ 遵守规范( c o d e c o m p l i a n c e ) ” ， 才能更好 地为管道的安全提供有力保障。 参 考 文 献 1 A S ME B 3 1 1 o o 7 ，P o w e r P i p i n g S 2 A S ME B 3 1 3 0 0 8 ，P r o c e s s P i p i n g S 3 V e r s i o n 5 1 0 C AE S A R I I Q u i c k R e f e r e n c e G u i d e ， 2 0 0 8 4 C O AD E I n c ，P i p e S t r e s s An a l y s i s S e mi n a r N o t e s ，1 9 9 8 2 0 1 1年 化工机械 征订启事 化工机械 是国内外公开发行的中央级化工机械专业技术刊物， 由天华化工机械及 自动化研究设计院(