在最新版本的 ASME B31.3 規(guī)范（2022 版）中，膨脹載荷工況 (SA) 的許用應(yīng)力發(fā)生了重大變化。 與以前的版本不同，2022 版引入了一種計(jì)算公式 1 中的應(yīng)力范圍因子 (f) 的新方法，該方法考慮了特定材料的冷應(yīng)力和工作許用應(yīng)力（Sc 和 Sh）。 最顯著的變化是公式 2 中常數(shù)和指數(shù)值的調(diào)整，導(dǎo)致斜率從 5 變?yōu)?3。這一修改對(duì)設(shè)計(jì)的保守性產(chǎn)生了積極影響，并增強(qiáng)了管道三通分支相交處真實(shí)應(yīng)力曲線的擬合度。

 在下面的文章中，我們將討論 B31 規(guī)范對(duì)應(yīng)力范圍因子的更改背后的研究，該研究首次在 Tony Paulin 和 Chris Hinnant 合著的“Markl 疲勞方法和 ASME 管道應(yīng)力強(qiáng)化因子的實(shí)驗(yàn)評(píng)估”論文中理論化。 這些方法在位于德克薩斯州休斯頓的 Paulin 研究小組最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

 應(yīng)力范圍系數(shù) (F)

2022 版 ASME B31.3 規(guī)范對(duì)膨脹載荷工況 (SA) 的許用應(yīng)力進(jìn)行了重大更改。 如上所述，該規(guī)范的先前版本使用方程式 2 的許用應(yīng)力，其中應(yīng)力范圍因子 f 在方程式 1 中定義，Sc 和 Sh 代表給定材料的冷態(tài)和工作許用應(yīng)力。 2022年版本將循環(huán)數(shù)（N）前的常數(shù)更改為20，指數(shù)從-0.2更改為-0.333，相當(dāng)于斜率從5更改為3（見(jiàn)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

對(duì)于拉伸強(qiáng)度低于或等于 75 ksi（或千磅每平方英寸）的材料，應(yīng)力范圍因子 (f ) 的最大值限制為 1.2 (fm)，否則最大值為 1.0。

 在2020年版的ASME B31.3規(guī)范中，f等于1.2，相當(dāng)于大約3,100個(gè)循環(huán)（如果系統(tǒng)循環(huán)200次，仍將設(shè)計(jì)為3,100個(gè)循環(huán)）。 在 2022 年版本中，許用應(yīng)力從大約 4,600 次循環(huán)開(kāi)始受到限制。

當(dāng)屈服應(yīng)力控制許用應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力范圍系數(shù) f 至 1.2 的限制將許用膨脹應(yīng)力范圍的上限設(shè)置為 2Sy 左右。 新的變化如下圖所示。

圖 1：2020 B31.3 和 2022 B31.3 應(yīng)力范圍因子 f 比較

 最值得注意的是，這種變化會(huì)影響高循環(huán)應(yīng)力范圍（N>50,000 次循環(huán)）。 早期的 B31.3 規(guī)范預(yù)測(cè)了非保守的允許周期，因?yàn)?Markl 斜率太淺。 黃色陰影區(qū)域代表可以使用附錄 W 的高循環(huán)范圍，可以應(yīng)用不同的規(guī)則。 B31.3 附錄 W 規(guī)則引用了更復(fù)雜的 ASME 第 VIII 部分，Div 2 焊接疲勞曲線（因?yàn)?B31 參考方程是環(huán)向?qū)雍缚p），但產(chǎn)生的斜率和平均曲線與 “Markl 疲勞方法和 ASME 管道應(yīng)力強(qiáng)化因子的實(shí)驗(yàn)評(píng)估”以及上面的公式 3。

 準(zhǔn)確確定高循環(huán)管道系統(tǒng)中的許用應(yīng)力

斜率從 5 更改為 3，正確降低了許用應(yīng)力，并消除了循環(huán)次數(shù)超過(guò) 40,000 次的循環(huán)管道系統(tǒng)的不保守性質(zhì)。

應(yīng)力范圍系數(shù)的更改基于“Markl 疲勞方法和 ASME 管道應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)的實(shí)驗(yàn)評(píng)估”論文，該論文通過(guò) Paulin 研究小組實(shí)驗(yàn)室使用懸臂梁和非加固預(yù)制三通進(jìn)行的大量疲勞測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證。 目的是確定更廣泛的循環(huán)范圍以建立更好的曲線擬合。 結(jié)果表明曲線的斜率與 A.R.C. 的斜率不同。 馬克最初是通過(guò)疲勞測(cè)試在他的發(fā)現(xiàn)中做出預(yù)測(cè)的。

圖 2： 環(huán)焊縫與 Markl 曲線之間的平均曲線比較

因此，確定了最佳曲線擬合，并表明應(yīng)力范圍曲線擬合應(yīng)為 Sf = 2330N-0.335，以獲得最準(zhǔn)確的許用應(yīng)力預(yù)測(cè)。 這些更新的斜率進(jìn)一步符合 ASME 第 VIII 部分第 2 部分第 5 部分焊接疲勞曲線以及世界各地使用的大多數(shù)其他焊接疲勞曲線。

 

 START管道應(yīng)力分析軟件和Nozzle FEM局部應(yīng)力軟件和 B31 一致

START 管道應(yīng)力分析軟件和Nozzle FEM局部應(yīng)力分析軟件解決方案實(shí)施了 2022 年 B31.3 版本規(guī)范中現(xiàn)已發(fā)布的斜率更改，用戶可以在 ASME B31.3 和 ASME B31.1 的各種管道規(guī)范版本之間切換 。

圖 3：START 軟件中的規(guī)范選項(xiàng) 

此外，用戶只需將 B31.3 規(guī)范年份從 2022 更改為 2020，就可以輕松查看許用應(yīng)力的比較。

 

圖 4：ASME 2020 許用應(yīng)力 (SA) 

圖 5：ASME 2022 許用應(yīng)力 (SA)

 下面的結(jié)果包括使用圖 3 中的 2020 年應(yīng)力范圍因子和圖 4 中的 2022 年應(yīng)力范圍因子的相同幾何形狀。該模型中的循環(huán)數(shù) (N) 為 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 顯示了使用節(jié)點(diǎn) 5 的 2020 年應(yīng)力范圍因子計(jì)算出的許用應(yīng)力。公式 5 和 6 顯示了使用 2022 年應(yīng)力范圍因子進(jìn)行的相同計(jì)算。

 2020 年規(guī)范版本中的許用應(yīng)力對(duì)于大于 10,000 次的循環(huán)產(chǎn)生了保守的許用應(yīng)力，如圖 1 中的灰色區(qū)域所示。計(jì)算每個(gè)許用值的持續(xù)應(yīng)力（SL @ 節(jié)點(diǎn) 5 = 1,954 psi） 兩個(gè)規(guī)范版本的公式 2 相同。 該值用于公式 5 和 7。

節(jié)點(diǎn) 10 的計(jì)算可以以類似的方式執(zhí)行，并考慮到 SL 值可能因元件的相對(duì)側(cè)而變化。 這進(jìn)一步證實(shí)了 B31J新方法 實(shí)施并納入 START應(yīng)力分析軟件的理論的有效性，有效降低了許用應(yīng)力并消除了循環(huán)超過(guò) 40,000 次循環(huán)的循環(huán)管道系統(tǒng)的保守性不足的趨勢(shì)。

 更好的軟件，更安全的設(shè)計(jì)

2022 版 ASME B31.3 規(guī)范對(duì)膨脹載荷工況的許用應(yīng)力進(jìn)行了重大更改，特別是在應(yīng)力范圍系數(shù) (f) 的計(jì)算方面。 這些變化基于 Paulin 研究小組實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的廣泛研究和測(cè)試。 規(guī)范中的新方法使管道三通的設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確和保守，特別是在高循環(huán)應(yīng)力范圍內(nèi)。 通過(guò)實(shí)施這些變革，行業(yè)可以確保管道系統(tǒng)的安全性和可靠性。

要了解有關(guān)這些規(guī)范更改背后的研究以及它們?nèi)绾斡绊懩墓艿涝O(shè)計(jì)的更多信息，我們鼓勵(lì)您立即與我們的一位顧問(wèn)聯(lián)系。