国际化工项目中压力管道支管补强计算的探讨

汤 海

(华陆工程科技有限责任公司，陕西西安 710065)

1 探讨的范围和背景

支管连接包括支管直接与主管的焊接连接和通过支管连接管件与主管的连接两种形式，支管连接管件包括支管座、半管接头和三通等[1]。在设计工艺管道支管连接时，一般优先选择支管连接管件。支管连接管件有对应的管件制作标准，此类标准支管连接管件在结构上有足够的耐压强度，一般不需要进行强度校核及补强。对于一些特殊管道，如火炬管道、大口径管道、公用工程介质管道、低压常温工艺介质管道以及要求支管与主管连接时支管应沿介质流向45°斜接在主管顶部的管道[2]，由于标准支管连接管件的尺寸限制及经济合理性的因素，多数情况下支管与主管的连接需要采用直接焊接的形式，因此，在管道设计过程中需要对主管上所开支管接孔进行补强计算。

补强计算可以执行的标准有ASME B31.3、GB 50316、GB/T 20801、SH/T 3059等，在设计过程中根据具体项目要求可灵活选取标准。结合目前国内化工、石化及石油行业的发展现状，国内绝大多数工程公司都逐步向国际市场进军，因此，文章主要探讨如何使用ASME B31.3标准对焊接支管连接进行补强计算，以解决国际化工项目设计过程中出现的支管连接问题。焊接支管分为支管直接焊于主管和带挤压成型接口的支管焊接两种，带挤压成型接口的支管连接现场应用较少，不做讨论。

2 补强计算的理论依据[3]及适用范围[4]

支管补强计算采用的理论是等面积补强法。根据ASME B31.3标准的第304.1节进行直管段壁厚计算时，认为该直管段是完整的，如果由于焊接支管或其他原因在该直管段上开一定面积的孔，这就意味着设计用来承压的一块金属材料被拿掉了，被开孔的直管段作为主管，其承压能力实际上就被削弱了。因此，在开孔的承压有效范围内，必须有与之相当的多余金属材料作为补偿来保证强度。多余的金属材料一般来自于主管和支管的壁厚设计裕量、补强板以及补强焊区。判定补强足够的标准为：开孔剖面上所有的有效补强面积之和，不小于开孔所削弱的主管承压所需最小截面积。等面积补强法理论认为，在有效补强范围内所有的多余金属材料，都被认为可以等效的弥补开孔处的材料削弱，该理论本身没有考虑任何安全系数。随着开孔角度的增加以及主管本身刚性的降低，都会进一步削弱开孔处的强度。所以，ASME B31.3中明确指出等面积补强法是计算支管连接的最低要求，同时有一定的适用范围，详见ASME B31.3中304.3.1 (b)。

ASME B31.3中支管补强计算适用范围的限制条件有：Dh/Th<100时，Db/Dh≤1.0；Dh/Th≥100时，Db/Dh<0.5；β≥45°；支管轴线与主管轴线相交。

其中：Dh——主管外径，Th——主管最小壁厚，Db——支管外径，β——支管轴线与主管轴线间的夹角。

注意：在工程设计时一定要核对支管连接是否满足以上条件，如满足方可采用ASME B31.3 304.3进行补强计算，否则应根据304.7.2章节的要求进行支管设计。

3 工程实例

3.1 工程设计条件

某工程的某一个管道材料等级设计参数为：设计压力1.5 MPa，设计温度150 ℃，材料ASTM A106 GR.B SMLS，腐蚀裕量1.5 mm，管道设计壁厚见表1。根据工程经验，初步设计该管道材料等级的支管连接表如图1。

表1 管道壁厚Tab.1 The pipe thickness

图1 支管连接表Fig.1 Branch pipe connection table

3.2 理论分析计算

(1) 按照ASME B31.3 304.3.2(a)的规定，图1中的等径三通T和异径三通E为标准的支管连接管件，不需要进行补强计算。

(2) 按照ASME B31.3 304.3.2(b)的规定，图1中的承插焊半管接头H如满足1)Db≤DN 50，2)Db/Dh≤1/4，不需要进行补强计算，否则需要进行补强计算。关于半管接头的强度核算，在工程设计中常被忽略，该部分的限制条件应该予以重视。图1中粗实线框内的承插焊半管接头不满足Db/Dh≤1/4，需进行补强计算。

按照ASME B31.3 304.3.1(b)的规定及表1定义的管道壁厚，图1中的管对管焊接P和管对管焊接加补强板J的支管连接满足ASME B31.3 304.3.1(b)的4个条件，可以通过ASME B31.3 304.3.3进行补强计算。

(3) 通过上述分析，该支管连接表有三部分需要进行补强计算，分别为：①粗实线框内的承插焊半管接头H；②管对管焊接P；③管对管焊接加补强板J。明确范围后，可按照ASME B31.3 304.3.3计算需要的补强面积A1和有效的补强面积A2+A3+A4。计算公式分别如下：

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——主管因开孔削弱而要求补强的截面积；A2——补强范围内主管上除承受压力所需面积之外的多余截面积；A3——补强范围内支管上除承受压力所需面积之外的多余截面积；A4——补强范围内的焊缝截面积与补强圈截面积之和。

若计算结果满足A2+A3+A4≥A1，则认为补强计算通过。

(4) 通过对该支管表的逐一核算得出，管对管焊接P和管对管焊接加补强板J可以满足A2+A3+A4≥A1，补强计算通过。粗实线框内的承插焊半管接头H在原始设计时没有进行补强计算，忽视了ASME B31.3 304.3.2(b)中关于免除承插焊半管接头补强计算的限制条件，这也是设计过程中普遍存在的问题，复查时经过计算，该部分也满足A2+A3+A4≥A1，补强计算通过。

3.3 容易忽视的问题

(1) ASME B31.3支管补强计算的适用范围关于适用范围，标准中定义了4条要求，第3条角度要求和第4条支管轴线与主管轴线相交，一般都可以满足。在工程设计过程中往往忽视的是第1条和第2条的要求，造成这个原因最主要的是国内标准GB 50316没有“主管的直径与壁厚之比(Dh/Th)小于100且支管与主管的直径之比(Db/Dh)不大于1.0”和“主管的直径与壁厚之比(Dh/Th)大于等于100且支管直径Db小于主管的直径Dh的一半”的限制要求。虽然在GB/T20801.3-2006标准中增加了管径和壁厚比的要求，但由于GB 50316实施时间较长，很多设计人员会惯性思维的沿用GB 50316的标准要求，这样在国际工程的管道支管连接设计中就会出现不满足ASME B31.3相关规定的情况。在工程设计中会存在大口径碳钢管道、薄壁不锈钢管道等，此类管道很可能会出现Dh/Th≥100，在工程中如忽视该限制条件，则支管连接表设计不能满足标准要求。

(2)免除支管补强计算的条件。

①支管连接采用标准的三通，ASME B16.9或ASME B16.11中的三通，如图1中的T和E。

②支管连接采用标准的支管连接管件，如MSS SP-97中的支管台。

③支管连接采用标准的螺纹或承插焊管接头、半管接头直接焊于主管上。

以上三个可以免除支管补强计算的条件，最容易犯错的是③。①和②为标准管件，没有其他使用限制要求。使用③时，要求支管的尺寸不能超过DN50,同时不超过主管尺寸的1/4；管接头、半管接头在补强区内任何一处的最小壁厚(如在补强区内有螺纹，则壁厚是从螺纹根部量到最小外径，管接头和半管接头为内螺纹)应不小于无螺纹支管的最小壁厚；管接头、半管接头在任何情况下其压力级别不应小于ASME B16.11中的CL3000。在设计过程中经常会忽略“支管的尺寸不能超过DN50,同时不超过主管尺寸的1/4”的限制要求，如图1粗实线框内的部分。该部分一般不会对使用造成影响，但忽略计算会造成设计文件的完整性不能满足标准规范要求。

(3)计算公式。

需要的补强面积A1和有效的补强面积A2、A3及A4的计算公式较简单，在应用过程中需注意三个符号的正确取值。

①补强区宽度之半d2：为d1或(Tb-c)+(Th-c)+d1/2两者中的较大值。

②主管外补强区的高度L4：为2.5(Th-c)或2.5(Th-c)+Tr中较小值。

③支管焊接角焊缝厚度tc：6 mm(1/4 in)或0.7倍的支管公称壁厚中较小值。

4 结论

支管连接在每个项目的管道设计中都是不可或缺的组成部分，支管连接的正确与否，不仅关系到管道设计是否满足标准要求，更关系到管道设计是否满足安全要求。在支管连接的设计过程中要综合考虑管道运行工况，除压力荷载之外，还有由于热膨胀、收缩、管道限位支架等产生的管道位移及其所引起的外力，综合所有因素，合理选取支管连接标准管件或采用支管直接与主管焊接的连接型式。

国际化工项目的焊接支管补强计算执行的主要标准为ASME B31.3，在实际工程设计过程中，一定要注意ASME B31.3标准中补强计算的适用范围，避免出现违背标准要求的支管连接。虽然并非所有违背ASME B31.3标准的支管设计都最终会出现问题或事故，但是高质量的设计应避免一切潜在的风险，达到设计的本质安全。设计人员应深刻理解标准要求，掌握标准中的计算方法，为管道设计提供合理合规的支管连接解决方案。