管道应力分析规范更新影响ASME B31.3 应力范围及其对管道设计的影响

在最新版本的 ASME B31.3 规范（2022 版）中，膨胀载荷工况 (SA) 的许用应力发生了重大变化。 与以前的版本不同，2022 版引入了一种计算公式 1 中的应力范围因子 (f) 的新方法，该方法考虑了特定材料的冷应力和工作许用应力（Sc 和 Sh）。 最显着的变化是公式 2 中常数和指数值的调整，导致斜率从 5 变为 3。这一修改对设计的保守性产生了积极影响，并增强了管道三通分支相交处真实应力曲线的拟合度。

 在下面的文章中，我们将讨论 B31 规范对应力范围因子的更改背后的研究，该研究首次在 Tony Paulin 和 Chris Hinnant 合着的“Markl 疲劳方法和 ASME 管道应力强化因子的实验评估”论文中理论化。 这些方法在位于德克萨斯州休斯顿的 Paulin 研究小组最先进的实验室得到了进一步验证。

 应力范围系数 (F)

2022 版 ASME B31.3 规范对膨胀载荷工况 (SA) 的许用应力进行了重大更改。 如上所述，该规范的先前版本使用方程式 2 的许用应力，其中应力范围因子 f 在方程式 1 中定义，Sc 和 Sh 代表给定材料的冷态和工作许用应力。 2022年版本将循环数（N）前的常数更改为20，指数从-0.2更改为-0.333，相当于斜率从5更改为3（见下文）：

f = 6N^-0.2 <= f_m (2020 B31.3)                                                Equation 1

S_A = f[1.25(S_c+S_h) – S_L]                                                                    Equation 2

f = 20N^-0.333 <= f_m (2022 B31.3)                                                    Equation 3

对于拉伸强度低于或等于 75 ksi（或千磅每平方英寸）的材料，应力范围因子 (f ) 的最大值限制为 1.2 (fm)，否则最大值为 1.0。

 在2020年版的ASME B31.3规范中，f等于1.2，相当于大约3,100个循环（如果系统循环200次，仍将设计为3,100个循环）。 在 2022 年版本中，许用应力从大约 4,600 次循环开始受到限制。

当屈服应力控制许用应力时，应力范围系数 f 至 1.2 的限制将许用膨胀应力范围的上限设置为 2Sy 左右。 新的变化如下图所示。

图 1：2020 B31.3 和 2022 B31.3 应力范围因子 f 比较

 最值得注意的是，这种变化会影响高循环应力范围（N>50,000 次循环）。 早期的 B31.3 规范预测了非保守的允许周期，因为 Markl 斜率太浅。 黄色阴影区域代表可以使用附录 W 的高循环范围，可以应用不同的规则。 B31.3 附录 W 规则引用了更复杂的 ASME 第 VIII 部分，Div 2 焊接疲劳曲线（因为 B31 参考方程是环向对接焊缝），但产生的斜率和平均曲线与 “Markl 疲劳方法和 ASME 管道应力强化因子的实验评估”以及上面的公式 3。

 准确确定高循环管道系统中的许用应力

斜率从 5 更改为 3，正确降低了许用应力，并消除了循环次数超过 40,000 次的循环管道系统的不保守性质。

应力范围系数的更改基于“Markl 疲劳方法和 ASME 管道应力强化系数的实验评估”论文，该论文通过 Paulin 研究小组实验室使用悬臂梁和非加固预制三通进行的大量疲劳测试进行了验证。 目的是确定更广泛的循环范围以建立更好的曲线拟合。 结果表明曲线的斜率与 A.R.C. 的斜率不同。 马克最初是通过疲劳测试在他的发现中做出预测的。

图 2： 环焊缝与 Markl 曲线之间的平均曲线比较

因此，确定了最佳曲线拟合，并表明应力范围曲线拟合应为 Sf = 2330N-0.335，以获得最准确的许用应力预测。 这些更新的斜率进一步符合 ASME 第 VIII 部分第 2 部分第 5 部分焊接疲劳曲线以及世界各地使用的大多数其他焊接疲劳曲线。

 

 START管道应力分析软件和Nozzle FEM局部应力软件和 B31 一致

START 管道应力分析软件和Nozzle FEM局部应力分析软件解决方案实施了 2022 年 B31.3 版本规范中现已发布的斜率更改，用户可以在 ASME B31.3 和 ASME B31.1 的各种管道规范版本之间切换 。

图 3：START 软件中的规范选项 

此外，用户只需将 B31.3 规范年份从 2022 更改为 2020，就可以轻松查看许用应力的比较。

 

图 4：ASME 2020 许用应力 (SA) 

图 5：ASME 2022 许用应力 (SA)

 下面的结果包括使用图 3 中的 2020 年应力范围因子和图 4 中的 2022 年应力范围因子的相同几何形状。该模型中的循环数 (N) 为 45,000。

f = 6N^-0.2 = 6(45,000)^-0.2 = 0.70390                                                                                           Equation 4

S_A = f[1.25(S_c+S_h) - S_L] = 0.70390[1.25(20,000+20,000) – 1,954 psi] = 33,819 psi      Equation 5

f = 20N^-0.333 = 20(45,000)^-0.333 = 0.5643                                                                                  Equation 6

S_A = f[1.25(S_c+S_h) - S_L] = 0.56430[1.25(20,000+20,000) – 1,954 psi] = 27,112 psi         Equation 7

公式 4 和 5 显示了使用节点 5 的 2020 年应力范围因子计算出的许用应力。公式 5 和 6 显示了使用 2022 年应力范围因子进行的相同计算。

 2020 年规范版本中的许用应力对于大于 10,000 次的循环产生了保守的许用应力，如图 1 中的灰色区域所示。计算每个许用值的持续应力（SL @ 节点 5 = 1,954 psi） 两个规范版本的公式 2 相同。 该值用于公式 5 和 7。

节点 10 的计算可以以类似的方式执行，并考虑到 SL 值可能因元件的相对侧而变化。 这进一步证实了 B31J新方法 实施并纳入 START应力分析软件的理论的有效性，有效降低了许用应力并消除了循环超过 40,000 次循环的循环管道系统的保守性不足的趋势。

 更好的软件，更安全的设计

2022 版 ASME B31.3 规范对膨胀载荷工况的许用应力进行了重大更改，特别是在应力范围系数 (f) 的计算方面。 这些变化基于 Paulin 研究小组实验室进行的广泛研究和测试。 规范中的新方法使管道三通的设计更加准确和保守，特别是在高循环应力范围内。 通过实施这些变革，行业可以确保管道系统的安全性和可靠性。

要了解有关这些规范更改背后的研究以及它们如何影响您的管道设计的更多信息，我们鼓励您立即与我们的一位顾问联系。