2004版ASME规范B31.3工艺管道的技术变更

鹅管撬米 石油化工 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 Pet rochemical Design 2 004版 ASME规范 B3 1．3工艺管道的技术变更 产 卫 (南京金凌石化工程设计有限公司，江苏南京 210033) 摘要 ：ASME B31．3—2004与 ASME B31．3—2002相比 ，作 出了一些 重要 变更 ，这些变更 涉及焊缝 接头强度降低 系数 w、应力范围 系数 f，用于高应力范围的 另一种规 则、高温情况 下针 对偶 然载荷 的另 一 种许用应力、膨胀节的特殊设计要求等，笔者针对这些变更作出说明。 关键词：ASME B31．3；2004版；技术变更；工艺管道 ASME B31．3 Process Piping是一部被 国际 工程界普遍接受的工艺管道规范，由美 国机械工 程师学会(ASME)压力管道规范 B31委员会负责 编制。其范围涵盖炼油、化工、制药、纺织、造纸、 半导体和制冷行业工艺管道，内容包括管道及其 部件的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 、设计、应力、安装和检查验收要求。 随着国内石化、化工的设计和工程建设与国际交 流的不断增加 ，ASME B31．3正在越来越多地被 国内工程界接受和采用。ASME B31．3 2004版 于 2005年 4月 29日出版 ，2005年 10月 31日起 强制执行。作为 ASME B31．3—2002的修订本， ASME B31．3—2004作 出了一些非 常重要的技 术修改。随后 B31委员会又发布了勘误表“Erra— ta to the B31．3—2004 Edition”，值得关注 的是 ， 这份勘误表不仅仅纠正了一些文字错误 ，还涉及 一 些重要的补充和修正，理应视为规范的一个组 成部分。笔者通过对 ASME B31．3—2004和 ASME B31．3—2002的比较 ，对 2004版所做 的一 些重要修改进行说明，以便于 ASME B31．3规范 (以下简称规范)的使用者加深对规范的理解和正 确运用(这里涉及的段落号均为 ASME B31．3— 2004中相应段落号，公式中符号含义与 ASME B31．3—2004相 同)。 1 焊缝接头强度降低系数 W 焊缝接头强度降低系数是 2004版规范增加 的内容 ，见 302．3．5(e)。 “在高温下，焊缝接头的持久强度可能比母材 的持久强度低。对于焊接管，当按 304确定 承受 内压要求的壁厚时，许用应力和焊缝质量系数的 乘积 SE还应乘 以焊缝接头强度系数 w 来调 整。 当按 302．3．5(c)评价持续 载荷产生的纵向应力 时，在环焊缝上的许用应力 s 要乘以 w。当评 价偶然载荷如风载荷和地震载荷或者按 302．2．4 评价允许的变动时，不要求采用焊缝接头强度降 低系数。对于偶然载荷或变动条件下的额定压力 和许用应力不要求使用焊缝强度降低系数。当按 302．3．5(d)计算许用的位移应力范围 s 时，也 不要求采用焊缝接头强度降低系数。它的应用只 取决于焊缝位置。 焊缝接头强度降低系数是引起焊缝接头失效 的名义应力与相同持续时间母材失效的名义应力 之 比，在缺少更多可用数据的情况下，对于所有材 料 ，温度不大于 510℃时 ，应取 1．0，温度为 815℃ 时，应取 0．5。中间温度的强度降低系数应使用 线性内插法求得。对于温度高于 815℃的情况， 由设计者负责确定强度降低系数。 使用焊缝接头的蠕变试验确定强度降低系数 时，宜使用全厚度横截面焊缝试样试验，其持久时 间不低于 lO00h。除非设计者考虑因横穿焊缝应 力重新分配的影响，应使用全厚度焊缝试样。”n] 引入焊缝接头强度降低系数是由于在某些情 况下，已经测定的焊件的蠕变破坏强度低于母材 的蠕变破坏强度。设计者可以基于蠕变试验数据 对具体的焊件确定其焊接接头强度系数。 使用焊缝接头强度降低系数应注意： (1)该系数仅用于 510℃以上，且基于蠕变影 收稿 日期 ：2006—12—21。 作者简介 ：严卫 (1969一)，男，江 苏南京人 。1992年 毕业 于石油 大 学 (华 东)石 油加 工 专 业，工 学学士 ，工程 师 。现从 事石 油 化 工工 艺装 置 安 装设 计 工 作。联 系电 话 ：025-58985949 维普资讯 http://www.cqvip.com 石 油 化 工 设 计 2 l绉 响的情况下； (2)在评定偶然载荷时 ，因为其持续时间短， 不必考虑焊接接头强度降低系数； (3)在计算位移应力 S 的许用应力 范围时， 不考虑焊接接头强度降低系数，因为这些应力并 不是持续性的，位移应力随时间的推移而松弛。 需要引起注意的是 ，W 的引入会对高温管系 持续应 力 的评 价 产 生 一定 影 响。2004版 规 范 302．3．5(c)指出 ：管道系统任一组件由于压力、重 量和其他持续载荷而产生 的纵向应力总和 S。 应 不超过 S 与 w 的乘积0]。W 的引入也对高温管 道壁厚的计算以及盲法兰 、盲板厚度设 计产生一 定的影 响，在 规范 304．1．2式 (3a)、(3b)以及 304．5．2式(14)和 304．5．3式(15)中，2002版的 “SE”在 2004版规范中都代之以“SEW”[2j。 ASME B31．3所规定 的基本焊 接接头强度 降低系数是 以 ASME锅炉及压力容器规范第 Ⅲ 卷 NH分卷所规定的系数为基础，并将其调整到 与 ASME B31．3的应力基准 比较相似 以后所做 评估而制定 的。 2 应力范围系数 ， 应力范围系数 ，出现在规范 302．3．5(d)式 (1a)、(1b)、(1c)中。 在 2004版规范中，2002版 中的“应力范围降 低系数 ，”一词改为“应力范围系数 f” ；2002版 的表 302．3．5被 2004版 的图 302．3．5取 代；在 2004版规范中，系数 ，上限由1提高到 1．2，下限 由 0．3扩展到 0．15，循环次数由 2×1O 增加到无 限次。 根据安定分析理论 ，要想使材料在受二次应 力的情况下处于安定状态 ，必须限制构件的一次 应力与二次应力之和小于 2倍的屈服极限 ，即： SI．+SA≤ 2SY 对于屈服极限，许用应力 S的安全系数一般 可取 1．5： S—S {1．5 为兼顾冷态和热态 ，可将许用应力 S取为冷 态许用应力 Sc和热态许用应力 Sh的平均值 S一 2(S +Sh) 在以上基础上可以推出： SI．+SA≤ 1．5(S +Sh) 进一步留出安全裕度 ，将系数 1．5改为1．25。 考虑到反复加载和卸载造成 的疲劳累积，引进应 力范围系数 f。可以得到规范中的式(1b)： sA≤．，’[1．25(S +S} )一SI J 考虑到一次应力须满足 S。．≤S 最不利的情 况是 S，，一S ，代入式(1b)可得到更为严格的校核 条件 ，即规范中的式(1a)： S ≤ ，、(1．25S +0．25Sh) 由上面的推导过程可以体会到／’取 1．2的理 由，即 1．5／1．25—1．2。当 f一1．2时 ，一次应力 与二次应力之和达到 2倍的屈服极限 ，而且能够 保持安定性 ，这一 变化 减少了原规范的保守性 。 由公式(1c)可以倒推出 厂一1．2所对应的循环次 数为 3125，，一1所对应的循 环次 数为 7000。除 此之外 ，，值大于 l尚有如下限制条件 ： (1)材料 的最小抗拉强度必须 小于 517MPa (75ksi)； (2)S 和 S 的最大值不超过 138MPa； (3)材料必须为铁基材料； (4)金属温度必须小于等于 371℃(700下)。 即使将一次应力与二次应力之和限制在弹性 安定状态之内，如果循环次数足够多的话，仍然存 在疲劳破坏的可能 。因此 当循环次数在 7000次 以上(约每天一次经 2O年)，f值依然呈降低趋 势。只是用一条平滑的曲线代替了原来的表格。 2004版规范 厂值的下限由 0．3扩展到 0．15， 循环次数 由 2×1O 增加到无限次。这一变化是 为了与 API Standard 618(炼油厂通用往复压缩 机)和 ASME()M一3(核 电厂管道 系统操作前和 开车伊始的振动试验要求 )保持一致 。 3 用于高应力范 围的另一种规则 附录 P——用于高应力范 围的另一种规则， 是规范 2004版增加的内容 。 在附录 P中，提出了一个“操作应力”的新概 念，该操作应力是在任何操作条件下的计算应力 ， 包括压力、重量和其他持续载荷及位移，不包括偶 然载荷。该方法比规范第Ⅱ章提供了更为全面并 且更适合于管道系统的计算分析，包括管道离开 支撑时产 生 的非线性影 响。该规则的使用方法 是，最大操作应力 S 或最大操作应力范围 SE不 得超过许 用的操作应力范围 S。 。S。 、S。、S 的 计算公式如下 ： S 一1．25厂(S +Sh) (Pla) 维普资讯 http://www.cqvip.com www.bzfxw.comwww.bzfxw.com 2l卷 严 卫．200 l版 ASM卜=规范 B31．3工艺管道的技 术变更 S 一、 -干 丽 (P17a) 的益处远远人f 0．8这一系数带来的浪费。 S 一、 蕊 (P17b) 附录 P巾 S⋯S 计算 与 319．4．4中式 (17) 明显的区别是轴 向应力 S 在规范 319．2．3(C) 中，“在确定位移应力范围时，通常不考虑由位移 应变产生的纵向力引起的平均轴 向应力，这是由 于在典型的管道布置中这种应力不显著。”一 在附 录 P中，轴向应力是要计算在内的。 S 一 ：雨 (1 7) 这一规则的提 出有赖于计算机分析的普及 ， 目前的的计算机分析程序允许考虑非线性效应而 且可以很容易地进行组合载荷的精确计算 。这使 因手工计算而被简化的一些规则能够得到修订 。 在以往的规范 中，只提供了一次应力和二次 应力的计算方法与评价 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。对于涉及多种操作 条件和包含不同支撑方式 的复杂管 系来说，使用 附录 P可以更精确地加 以评定。但是需 要注意 的是，附录 P并非强制性条款，而且不能替代原 有的应力评价方法 ]。 4 高温情况下针对偶然载荷的另一种许用应力 在 2004版规范 302．3．6，对于高温下的偶然 载荷 ，给出了另一个许用应力。 温度大于 437。C(800。F)时，可选有别 于1．33 乘以表 A一1所列基 本许 用应 力的另一种许 用应 力。除铸铁 、可锻铸铁或其他无延展性材料外，短 时间的偶然载荷 (如波浪 、大风或地震)所产生的 应力 ，许用应力可使用屈服强度的 90 乘 以一个 强度降低系数作为许用应力。对于长期处于高温 下的材料，在缺乏更多数据的情况下 ，奥氏体不锈 钢的强度降低系数取 1，其他材料取 0．8l_】]。 高温材料的许用应力受蠕变强度的限制而非 屈服强度。对于持续载荷，蠕变是个问题，但对偶 然载荷，蠕变不是问题。基于此，规范在评价持续 载荷和偶然载荷之和时去掉了蠕变强度的限制 。 材料强度乘 以强度 降低 系数是 因为有 些材 料 ，特别是低合金钢 ，在高温下会产生老化 ，屈服 点和抗拉强度会随时间而降低 。奥氏体不锈钢没 有这种效应 ，强度 降低系数取为 1。对所有其他 合金钢取强度降低 系数 0．8，是基于低合金钢 的 数据。将它用在所有其他合金材料上可能偏于保 守 ，但允许 对偶然载荷按屈服强度进行设计带来 5 膨胀节的特殊设计要求 1988年以前 ，ASME B31．3涉及波纹管膨胀 节的内容非常有 限。当时要求按照非表列组件和 零件(304．7．2)和 EJMA标准进行设计 。1988年 之后 ，B31．3把对波纹管膨胀节 的要求作为附录 X加入到规范 中，与 ASME BPVC Ⅷ一1附录 26 不同的是 ，ASME B31．3没有直接引用 EJMA标 准 ，而是在有修改 的基础上采用 EJMA标准 ，这 些修改是 ASME规 范委 员 会认 为将 其转 化 为 ASME B31．3规范所必须 的。修 改主要体现 在 对压力设计、疲劳设计和液压试验的要求上。EJ— MA标准在不 断完善 ，B31．3同样 在完善 ，2004 版规范的附录 X增加 了针对波纹管膨胀节的特 殊设计要求。 在勘 误表 “Errata to the B31．3-2004 Edi— tion”中，附录 X中的 X302．1．2(c)被 以下文字取 代：“应计算 自约束膨胀节的约束件(如拉杆、铰 链、销轴等)和管道、法兰约束装置连接件的应力。 正拉伸 应 力 、挤 压 应 力 和 剪切 应 力应 不 超 过 302．3．1所述的许用应力限度。弯曲应力加拉伸 应力或挤压应 力之和应 不超过附录 A 中表 A一1 和 A一2所列应 力值与截面形状 系数的乘 积。形 状系数是塑性弯矩与屈服弯矩之比(如矩形截面 形状系 数为 1．5)。对 于约束 管道 的附 件，参 阅 321．3。局部应力可用 ASME SectionⅧ、Div．2 附录 4来评价。抗压构件的失稳评价应和钢结构 SISC手册许用应力设计一致。对 自约束 的膨胀 节，约束件应设计成能承受全部的压力推力” 。 在附录 X的副标题 中，取 消了一句话 “该标 准没有公制当量值，现时尚无基础引入它”。相应 堙，规范增加了采用sI单位的公式并与采用英制 单位的公式并列。 6 其他 6．1 弯头椭圆度的限制 2004版规范增加 了 306．2．1(b)“按 332．2．2 要求制作 ，但不满足 332．2．1的压扁极限的管道 弯头可以按照 304．7．2进行压力设计校核 ，并不 超过与制成该弯头相 同直管的额定值”。该条款 允许管道弯头超过椭圆度的限制，对外压管道的 要求比内压管道要严格。 维普资讯 http://www.cqvip.com www.bzfxw.comwww.bzfxw.com · 24· 石 油 化 工 设 计 第 24卷 6．2 用于柔性分析的温度 关于用 于柔性分析 的温度 ，2004版规 范与 2002版规范 相 比并无变化 ，只是 2004版规范通 过“条款解释 19—40”确认：金属温度用于柔性分 析，设计温度用于压力设计 。 6．3 高温情况下许用值的变动 管道系统 中压 力、温度可能发生 偶然波动 。 针对压力设计时超过设计条件的偶然性变化应符 合条件，在 2004版规范 302．2．4(f)中，增加了这 样一段话：“设计者应用业主可以接受的方法确定 这些变化的影响对管道系统在使用期内是安全的 (见附录 V)-D]。 附录 V中 V3O3提供了压力的当量压力、有 效温度 、Larson Miller参数 、断裂寿命、蠕变断裂 利用系数的计算方法。2004版规范的附录V增 加了一个例子来说明 V3O3方法的应用。 6．4 热塑性材料 2004版规范扩大了热塑性材料的使用范围。 2002版规范 A323．4．2(a)中规定 ：热塑性材 · 石他盘囊 · 料不得 用 于 在 地 面 上 输 送 可 燃 性 流 体[4]。在 2004版规范，该条款改为：除非满足下列全部要 求 ，热塑性材料可允许用于地上输送易燃流体 ，管 子尺寸不超过DN25；得到业主允许；按附录G提 供安 全 防护 ；已考 虑 了附 录 F，F323．1(a)～ F323．1(c)节的注意事项l】]。 6．5 纵向应力的计算 规范本身并没有这项内容，但 B31委员会通 过案例(B31 CASE 178)给出了一个计算纵向应 力的公式： S 一~／(Is I+Sb)。+2S： 参考文献 [1] ASME B31．3—2004 Process Piping [23 Errata tO the B31．3—2004 Edition r3] Dave Dieh1．B31．3—2004 and CAESARII COADE Mechan- ical Engineering News December 2004 [4] ASME B31．3-2002 Process Piping [5] 唐永进．压力管道应力分析[M]．北京：中国石化出版社， 2003 中国石化工程建设公司(SEI)跻身全球最大 的工程设计公司(150强)前 50强 2006年，SEI继续国内领跑，赶超世界先进水平。国际权威的《工程新闻纪录》杂志(ENR)公布：在“全球最大的工程 设计公司 15O强”中，SEI排名上升至 44位，首次进入前 5O强；同时，在“中国工程设计企业 6O强”、“中国工程设计企业 总承包营业额”、“中国工程总承包企业百强”、“中国项 目管理企业百强”等一系列排名中，SEI均荣列榜首；SEI捧走了全 国石化建筑业惟一的“十五’全国建筑业技术创新先进企业”奖牌；还荣获了中国石化“科技创新先进集体”光荣称号。 SEI又荣获国家“优秀勘察设计企业”荣誉称号，刘家明总经理荣获“中国勘察设计优秀企业家”荣誉称号。这一切证明 SEI在建设具有国际竞争力工程公司的征程中又向前迈了一大步。 (SEI消息 )2007—02—12 中国石化工程建设公司(SEI)打造新世纪精品工程 一 海南千万吨级炼厂和茂名百万吨级乙烯基地D SEI依托中国石化炼化一体化优势，进一步加大技术开发力度 ，把科技 自主创新作为头等大事和主攻方向，取得了 丰硕成果。SEI承担的海南炼化 8Mt／a炼厂的设计建设真正达到了“技术 国产化、装置紧凑化、人员精干化、管理现代 化”的目标 。SEI承担的茂名石化 1Mt／a乙烯改扩建工程实现了我国首座百万吨级乙烯生产基地的规模效应。专家们 评论：海南项目和茂名项 目是 SEI在炼油技术创新和乙烯技术国产化道路上具有新的里程碑意义的工作。 (SEI消息)2007—02—12 维普资讯 http://www.cqvip.com