國際化工項目中壓力管道支管補強計算的探討

湯 海

(華陸工程科技有限責任公司，陜西西安 710065)

1 探討的范圍和背景

支管連接包括支管直接與主管的焊接連接和通過支管連接管件與主管的連接兩種形式，支管連接管件包括支管座、半管接頭和三通等[1]。在設計工藝管道支管連接時，一般優先選擇支管連接管件。支管連接管件有對應的管件制作標準，此類標準支管連接管件在結構上有足夠的耐壓強度，一般不需要進行強度校核及補強。對于一些特殊管道，如火炬管道、大口徑管道、公用工程介質管道、低壓常溫工藝介質管道以及要求支管與主管連接時支管應沿介質流向45°斜接在主管頂部的管道[2]，由于標準支管連接管件的尺寸限制及經濟合理性的因素，多數情況下支管與主管的連接需要采用直接焊接的形式，因此，在管道設計過程中需要對主管上所開支管接孔進行補強計算。

補強計算可以執行的標準有ASME B31.3、GB 50316、GB/T 20801、SH/T 3059等，在設計過程中根據具體項目要求可靈活選取標準。結合目前國內化工、石化及石油行業的發展現狀，國內絕大多數工程公司都逐步向國際市場進軍，因此，文章主要探討如何使用ASME B31.3標準對焊接支管連接進行補強計算，以解決國際化工項目設計過程中出現的支管連接問題。焊接支管分為支管直接焊于主管和帶擠壓成型接口的支管焊接兩種，帶擠壓成型接口的支管連接現場應用較少，不做討論。

2 補強計算的理論依據[3]及適用范圍[4]

支管補強計算采用的理論是等面積補強法。根據ASME B31.3標準的第304.1節進行直管段壁厚計算時，認為該直管段是完整的，如果由于焊接支管或其他原因在該直管段上開一定面積的孔，這就意味著設計用來承壓的一塊金屬材料被拿掉了，被開孔的直管段作為主管，其承壓能力實際上就被削弱了。因此，在開孔的承壓有效范圍內，必須有與之相當的多余金屬材料作為補償來保證強度。多余的金屬材料一般來自于主管和支管的壁厚設計裕量、補強板以及補強焊區。判定補強足夠的標準為：開孔剖面上所有的有效補強面積之和，不小于開孔所削弱的主管承壓所需最小截面積。等面積補強法理論認為，在有效補強范圍內所有的多余金屬材料，都被認為可以等效的彌補開孔處的材料削弱，該理論本身沒有考慮任何安全系數。隨著開孔角度的增加以及主管本身剛性的降低，都會進一步削弱開孔處的強度。所以，ASME B31.3中明確指出等面積補強法是計算支管連接的最低要求，同時有一定的適用范圍，詳見ASME B31.3中304.3.1 (b)。

ASME B31.3中支管補強計算適用范圍的限制條件有：Dh/Th<100時，Db/Dh≤1.0；Dh/Th≥100時，Db/Dh<0.5；β≥45°；支管軸線與主管軸線相交。

其中：Dh——主管外徑，Th——主管最小壁厚，Db——支管外徑，β——支管軸線與主管軸線間的夾角。

注意：在工程設計時一定要核對支管連接是否滿足以上條件，如滿足方可采用ASME B31.3 304.3進行補強計算，否則應根據304.7.2章節的要求進行支管設計。

3 工程實例

3.1 工程設計條件

某工程的某一個管道材料等級設計參數為：設計壓力1.5 MPa，設計溫度150 ℃，材料ASTM A106 GR.B SMLS，腐蝕裕量1.5 mm，管道設計壁厚見表1。根據工程經驗，初步設計該管道材料等級的支管連接表如圖1。

表1 管道壁厚Tab.1 The pipe thickness

圖1 支管連接表Fig.1 Branch pipe connection table

3.2 理論分析計算

(1) 按照ASME B31.3 304.3.2(a)的規定，圖1中的等徑三通T和異徑三通E為標準的支管連接管件，不需要進行補強計算。

(2) 按照ASME B31.3 304.3.2(b)的規定，圖1中的承插焊半管接頭H如滿足1)Db≤DN 50，2)Db/Dh≤1/4，不需要進行補強計算，否則需要進行補強計算。關于半管接頭的強度核算，在工程設計中常被忽略，該部分的限制條件應該予以重視。圖1中粗實線框內的承插焊半管接頭不滿足Db/Dh≤1/4，需進行補強計算。

按照ASME B31.3 304.3.1(b)的規定及表1定義的管道壁厚，圖1中的管對管焊接P和管對管焊接加補強板J的支管連接滿足ASME B31.3 304.3.1(b)的4個條件，可以通過ASME B31.3 304.3.3進行補強計算。

(3) 通過上述分析，該支管連接表有三部分需要進行補強計算，分別為：①粗實線框內的承插焊半管接頭H；②管對管焊接P；③管對管焊接加補強板J。明確范圍后，可按照ASME B31.3 304.3.3計算需要的補強面積A1和有效的補強面積A2+A3+A4。計算公式分別如下：

A1=thd1(2-sinβ)

A2=(2d2-d1)(Th-th-c)

A3=2L4(Tb-tb-c)/sinβ

min[(Dr-Db/sinβ)Tr′(2d2-Db/sinβ)Tr]

式中：A1——主管因開孔削弱而要求補強的截面積；A2——補強范圍內主管上除承受壓力所需面積之外的多余截面積；A3——補強范圍內支管上除承受壓力所需面積之外的多余截面積；A4——補強范圍內的焊縫截面積與補強圈截面積之和。

若計算結果滿足A2+A3+A4≥A1，則認為補強計算通過。

(4) 通過對該支管表的逐一核算得出，管對管焊接P和管對管焊接加補強板J可以滿足A2+A3+A4≥A1，補強計算通過。粗實線框內的承插焊半管接頭H在原始設計時沒有進行補強計算，忽視了ASME B31.3 304.3.2(b)中關于免除承插焊半管接頭補強計算的限制條件，這也是設計過程中普遍存在的問題，復查時經過計算，該部分也滿足A2+A3+A4≥A1，補強計算通過。

3.3 容易忽視的問題

(1) ASME B31.3支管補強計算的適用范圍關于適用范圍，標準中定義了4條要求，第3條角度要求和第4條支管軸線與主管軸線相交，一般都可以滿足。在工程設計過程中往往忽視的是第1條和第2條的要求，造成這個原因最主要的是國內標準GB 50316沒有“主管的直徑與壁厚之比(Dh/Th)小于100且支管與主管的直徑之比(Db/Dh)不大于1.0”和“主管的直徑與壁厚之比(Dh/Th)大于等于100且支管直徑Db小于主管的直徑Dh的一半”的限制要求。雖然在GB/T20801.3-2006標準中增加了管徑和壁厚比的要求，但由于GB 50316實施時間較長，很多設計人員會慣性思維的沿用GB 50316的標準要求，這樣在國際工程的管道支管連接設計中就會出現不滿足ASME B31.3相關規定的情況。在工程設計中會存在大口徑碳鋼管道、薄壁不銹鋼管道等，此類管道很可能會出現Dh/Th≥100，在工程中如忽視該限制條件，則支管連接表設計不能滿足標準要求。

(2)免除支管補強計算的條件。

①支管連接采用標準的三通，ASME B16.9或ASME B16.11中的三通，如圖1中的T和E。

②支管連接采用標準的支管連接管件，如MSS SP-97中的支管臺。

③支管連接采用標準的螺紋或承插焊管接頭、半管接頭直接焊于主管上。

以上三個可以免除支管補強計算的條件，最容易犯錯的是③。①和②為標準管件，沒有其他使用限制要求。使用③時，要求支管的尺寸不能超過DN50,同時不超過主管尺寸的1/4；管接頭、半管接頭在補強區內任何一處的最小壁厚(如在補強區內有螺紋，則壁厚是從螺紋根部量到最小外徑，管接頭和半管接頭為內螺紋)應不小于無螺紋支管的最小壁厚；管接頭、半管接頭在任何情況下其壓力級別不應小于ASME B16.11中的CL3000。在設計過程中經常會忽略“支管的尺寸不能超過DN50,同時不超過主管尺寸的1/4”的限制要求，如圖1粗實線框內的部分。該部分一般不會對使用造成影響，但忽略計算會造成設計文件的完整性不能滿足標準規范要求。

(3)計算公式。

需要的補強面積A1和有效的補強面積A2、A3及A4的計算公式較簡單，在應用過程中需注意三個符號的正確取值。

①補強區寬度之半d2：為d1或(Tb-c)+(Th-c)+d1/2兩者中的較大值。

②主管外補強區的高度L4：為2.5(Th-c)或2.5(Th-c)+Tr中較小值。

③支管焊接角焊縫厚度tc：6 mm(1/4 in)或0.7倍的支管公稱壁厚中較小值。

4 結論

支管連接在每個項目的管道設計中都是不可或缺的組成部分，支管連接的正確與否，不僅關系到管道設計是否滿足標準要求，更關系到管道設計是否滿足安全要求。在支管連接的設計過程中要綜合考慮管道運行工況，除壓力荷載之外，還有由于熱膨脹、收縮、管道限位支架等產生的管道位移及其所引起的外力，綜合所有因素，合理選取支管連接標準管件或采用支管直接與主管焊接的連接型式。

國際化工項目的焊接支管補強計算執行的主要標準為ASME B31.3，在實際工程設計過程中，一定要注意ASME B31.3標準中補強計算的適用范圍，避免出現違背標準要求的支管連接。雖然并非所有違背ASME B31.3標準的支管設計都最終會出現問題或事故，但是高質量的設計應避免一切潛在的風險，達到設計的本質安全。設計人員應深刻理解標準要求，掌握標準中的計算方法，為管道設計提供合理合規的支管連接解決方案。