SY/T 7085-2025 承压设备的设计计算

ICS 75.180.10 CCS E 92

中华人民共和国石油天然气行业标准

SY/T 7085—2025

代替SY/T 7085—2016

承压设备的设计计算

Design calculations for pressure-containing equipment

2025-12-18发布 2026—06-18实施

国家能源局发布

目次

前言 Ⅱ

1 范围 1

2 规范性引用文件 1

3 术语和定义 1

4 符号 2

5 失效模式 3

6 弹性分析 3

7 特殊应力 6

8 非线性分析 6

9 报告结果 7

附录A(资料性)弹性分析的应力分类 8

参考文献 10

前言

本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

本文件代替SY/T 7085—2016《承压设备的设计计算》。与SY/T 7085—2016相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：

a) 增加了“弹性分析”“大变形分析”“极限分析”“塑性分析”“Von Mises 等效应力”的术语和定义(见3.1、3.5、3.6、3.8、3.13);

b) 增加了失效模式(见第5章);

c) 增加了应力极限的总体要求(见6.1.1);

d) 增加了非标准材料的弹性分析(见6.1.3);

e) 增加了弹性分析的应力分类(见附录A);

f) 删除了阀体和油管头四通的设计计算(见2016年版的附录A)。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会( SAC/TC 96) 提出并归口。

本文件起草单位：中石油江汉机械研究所有限公司、江苏苏盐阀门机械有限公司、江苏腾龙石化机械有限公司、江苏宏泰石化机械有限公司、中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司、建湖鸿达阀门管件有限公司、河北华北石油荣盛机械制造有限公司、江苏恒鑫石化机械有限公司、长江大学、中国石油天然气股份有限公司川庆钻探分公司、纽威石油设备(苏州)有限公司、江苏恒达机械制造有限公司、荣成市荣利阀门有限公司。

本文件主要起草人：肖莉、刘洪翠、韩正海、朱再思、姜金维、何佳、吴启春、戴义明、潘建武、姜玉虎、孟庆荣、袁志国、李美求、韩文豪、曾钟、薄伟、陈元庆、叶勇华、李云华。

本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为：

——2016年首次发布为SY/T 7085—2016;

——本次为第一次修订。

Ⅱ

1 范围

本文件规定了井口装置和采油树用承压设备的失效模式、弹性分析、特殊应力、非线性分析、报告结果的要求。

本文件适用于井口装置和采油树用承压设备的设计验证。疲劳分析和栓接件许用应力不在本文件的范围内。其他承压设备产品的设计计算可参照执行。

2 规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 22513 石油天然气钻采设备井口装置和采油树

GB/T 34019—2017 超高压容器

3 术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

弹性分析 elastic analysis

基于假定材料具有线性弹性应力一应变关系而不考虑屈服或塑性行为的结构分析方法。 3.2

极端条件 extreme conditions

附加于操作条件下正常载荷上的特定载荷引起的条件。

注：特定载荷包括地震载荷、风载和波浪载荷。

3.3

严重变形 gross distortion

产品不再能完成预期功能的变形。

3.4

总体结构不连续 gross structural discontinuity

承压设备形状的改变。

示例：圆柱体和锥壳的连接处或圆筒体和封头的连接处等。

3.5

大变形分析 large-displacement analysis

单元的刚度计算基于实际尺寸变形的有限元分析。

3.6

极限分析 limit analysis

假设材料为理想塑性且结构处于小变形状态，研究在塑性极限状态下的结构特性。

注：极限分析为塑性分析的一个特例。

3. 7

操作条件 operating conditions

内压、外压、温度和施加于运行状态下的产品的载荷或其任一组合。

注：不包括壳体静水压试验。

3. 8

塑性分析 plastic analysis

通过考虑实际材料的应力一应变曲线或理想弹塑性材料来计算在给定载荷下的结构行为，并根据需要假定小变形或大变形理论的一种结构分析方法。

3.9

承压件 pressure-containing

预期功能的失效会导致封存流体释放到环境中的零件。

3.10

棘轮效应 ratcheting

由循环的热应力和/或机械应力产生的累积塑性变形。

3.11

小变形分析 small-displacement analysis

单元的刚度计算基于初始未变形的几何形状的有限元分析。

3.12

应力强度 stress intensity

给定点处经过应力分类后的应力按照第三强度理论得出的当量强度。此应力强度是最大剪应力的 2倍或是某一点上一次应力最大值与最小值的代数差。

3.13

Von Mises 等效应力 Von Mises equivalent stress

根据最大变形能理论，当发生屈服时单位体积内的有效应力。

4 符号

下列符号适用于本文件。

F——峰值应力;

k——应力强度系数;

P₆— 一次弯曲应力;

P— —次局部薄膜应力;

P— —次总体薄膜应力;

Q——二次薄膜应力加弯曲应力;

Rm——材料规定的最小抗拉强度;

S——基于Von Mises变形能理论的当量应力;

S——基于Tresca最大剪应力理论的当量应力;

S——设计应力强度;

S———主应力，n=1, 2 或 3 ;

2

S——试验压力下，最大许用一次总体薄膜应力强度;

S—— 规定最小屈服强度;

0x、Oy、O₂——x、y和z 方向的正应力分量;

T——剪切应力;

Tsy、Tz、Lx—x-y-z 坐标系中的剪应力分量。

5 失效模式

5.1 总体要求

本文件提供的设计分析方法和要求，用于预防失效模式。

该设计方法假定金属材料具有延展性，不考虑材料的缺陷。

注：其他失效模式，如支承应力、失稳、脆性断裂和疲劳等也可能出现，但不在本文件的范围内。

应对产品的每种适用的失效模式进行评估。如果对一种失效模式提供了多种评估程序，则应使用其中一种程序评估产品的设计。

如果额定温度超过121℃时，应确定温度对材料机械性能的影响。

注：GB/T 22513提供了材料在高温下的试验数据，并根据所获得的数据进行设计。还要考虑零件间隙和干涉处的热膨胀。

5.2 整体塑性坍塌

应通过弹性分析(6.3.2.1、6.3.2.2和6.3.2.3)、极限分析(8.2)或塑性分析(8.3)来评估和预防整体塑性坍塌的发生。

注：弹性分析(6.3.2.1和7.2)和极限分析(8.2)给出了对静水压试验的具体要求。

5.3 局部失效

应通过弹性分析(6.3.2.4)或塑性分析(8.3)来评估和预防局部失效的发生。

5.4 棘轮效应和递增性变形

应通过弹性分析(6.3.2.1、6.3.3和7.3)或塑性分析(8.3)来评估和预防棘轮效应和递增性变形的发生。

5.5 纯剪切失效

应采用7.2中的方法评估和预防纯剪切引起的失效。

5.6 可靠性准则

在进行操作试验和静水压试验时，产品应满足制造商规定的确保产品性能和功能的可靠性准则。 示例：设计限位或旋转限制会导致泄漏的发生。

6 弹性分析

6.1 应力极限

6.1.1 总体要求

对于弹性分析，应对应力进行分类计算、组合，并与每一应力分类的极限值进行比较，该极限值

3

是与材料的各应力分类对应的设计应力强度Sm的倍数。标准材料和非标准材料应符合6.1.2或6.1.3 的要求。对于其他产品，应使用6.1.2中的设计应力强度，除非产品标准或制造商规范中有其他要求。

6.1.2 标准材料

设计应力强度Sm应为规定最小屈服强度S的2/3,见公式(1):

Sm=2/3S (1)

壳体静水压试验下，最大许用一次总体薄膜应力强度S为规定最小屈服强度的90%,见公式(2):

S=0.9S (2)

6.1.3 非标准材料

设计应力强度Sm应为规定最小屈服强度S的2/3或规定最小拉伸强度的1/2中的较小值，见公

式(3) :

S.= min(2/3S,1/2R.) (3)

壳体静水压试验下，最大许用一次总体薄膜应力强度S为规定最小屈服强度的90%和规定抗拉

强度的2/3中的较小值，见公式(4):

S=min(0.9S,2/3Rm) (4)

6.2 应力组合

将应力分量组合以得出应力强度S,该应力强度S为三个主应力中最大主应力与最小的主应力的差值，见公式(5):

S=S-S₃ ………………………………… (5)

其中， S≥S₂ ≥S₃

如果GB/T 22513产品允许，Von Mises当量应力方法可用于组合应力分量，以代替本文件中规定的应力强度，见公式(6):

s.=√o²+o²+a²-0-0π- oz+3(z²+zm²+72) ……………… (6)

式中：

S——当量应力;

0x、0y、o₂——关注点的正应力分量;

Txy、Tyz、Tz—剪应力分量。

6.3 应力分类

6.3.1 总则

应力分类类型见附录A。

4

6.3.2 一次应力

6.3.2.1 一次薄膜应力强度

应适用以下要求：

一次总体薄膜应力Pm在操作条件下不超过kS,k值见6.3.2.3,见公式(7):

Pm≤kSm (7)

静水压试验下，一次总体薄膜应力不超过S,见公式(8):

Pm≤S (8)

一次局部应力强度P不超过1.5kS,见公式(9):

P≤1.5 kSm (9)

6.3.2.2 一次弯曲应力强度

当在每个表面弯曲应力分量与薄膜应力分量相组合(PL+P₆),不应超过1.5kSm,见公式(10):

P+P₆≤1.5 kSm (10)

6.3.2.3 操作条件和极端条件下k系数

操作条件下的应力强度系数k应为1.0。

当极端条件增加于操作条件载荷上时，允许更高的许用一次应力强度。在这些条件下，应力强度系数是1.2。这将产生下列最大应力强度的限定值，这些限定值都应满足公式(11)～公式(13):

(11)

(12)

(13)

波浪载荷应为20年内可能出现的最大的载荷。在这些条件下，二次应力限定值应不增加。

6.3.2.4 三向应力

三个一次主应力的代数和(S₁+S₂+S₃)应不超过设计应力强度S的4倍，见公式(14):

S₁+S₂+S₃≤4 Sm (14)

6.3.3 二次应力

对任何试验或者操作条件，二次应力的变动△Q不应超过3S,见公式(15):

△Q≤3Sm (15)

6.3.4 峰值应力

疲劳分析可能会涉及峰值应力，但疲劳分析不在本文件范围内。

注：疲劳分析的方法见2004年版《ASME锅炉压力容器规范》第YⅢ卷第2册附录5。

6.4 应力的线性化

如需要，可使用“线性化”的数值方法来区分薄膜应力和弯曲应力。

这种方法包含应力分量的数值积分，以从总应力中分离出薄膜应力和弯曲应力。总应力包括非线性峰值应力。

注：线性化的方法见2013年版《ASME锅炉压力容器规范》第VⅢ卷第2册附录5.A。

7 特殊应力

7.1 支承应力

制造商应规定平均支承应力的限定值或其他评估支承应力的方法。与可接受的工程作法一致，支承应力可允许超过材料的屈服强度。当支承应力作用于有自由端的零件时，应考虑剪切应力。

7.2 纯剪切

在纯剪切中(如键、抗剪环或者螺纹),设计条件下的载荷作用横截面上的平均一次剪应力Ta应不超过0.6S,见公式(16):

(16)

对于静水压试验条件，平均一次剪应力应不超过0.6Sm,见公式(17):

T₁≤0.6 Sm (17)

承受扭力的实心圆截面外圆周处的最大一次剪应力m应不超过0.8S,见公式(18):

Tmax≤0.8Sm (18)

制造商在设计中应规定与可接受的工程作法一致的方法以作为替代方法。

7.3 非整体连接的递增性变形

非整体连接可遭受喇叭状或其他形状的递增性变形而失效。

注：常见非整体连接包括螺帽、丝堵、环状抗剪锁紧装置、栓状锁紧装置、卡箍和活接头等。

一旦任何一种载荷组合产生屈服，因为相配合的零件在每个完整循环结束后可能发生滑移，并且在开始下一个循环中形成新的配合，所以这样的连接易产生棘轮现象。附加的变形可能发生在每个随后的循环，可能会导致像螺纹这样的互锁零件失去旋合功能。因此，非整体连接产生滑移的一次加二次应力强度应不超过Sy。

8 非线性分析

8.1 总体原则

8.1.1 一般要求

在极限分析和塑性分析中应使用Von Mises 屈服准则和流动规则。对于GB/T 22513产品，标准材料和非标准材料应符合GB/T 22513和8.1.2或8.1.3的规定。对于其他产品，应符合8.1.2的规定， 除非产品标准或制造商规范另有要求。

8.1.2 标准材料

应按照第8章对标准材料和非标准材料进行非线性分析。

8.1.3 非标准材料

非线性分析对非标准材料的适用性取决于其延展性和断裂韧性，只产生延性失效模式。

8.2 极限分析

极限分析中用到的应力一应变曲线为双线性显示。当应力低于屈服强度时，曲线的斜率等同于材料的弹性模量。当应力高于屈服强度时，斜率接近于零。

应逐级加载，直至产生严重变形或模型偏离，如结果有效，则为极限载荷的下限。

基于最后收敛的有效载荷工况，极限分析的破坏载荷至少应满足下列要求：

——在操作条件下，为实际额定载荷的1.5倍;

——在极端条件下，为实际额定载荷能力的1.25倍;

——在静水压试验下，为实际额定载荷能力的1.11倍。

极限分析不应用于评估因变形而使刚度降低的部件。用小变形结果进行极限分析时，其变形和应变没有物理意义，不应用于评估变形和应变的设计极限。

注：极限分析可用于超过6.3.2规定极限的一次应力，但不适用于二次应力。

8.3 塑性分析

如适用，塑性分析应符合GB/T 34019—2017中6.2.4的规定。

8.4 安定分析

应使用8.2中用于极限分析的弹性塑性材料。分析中应考虑非线性几何(大位移理论)的影响。

如果出现安定，设计是可接受的。也就是说，在连续施加设计载荷后，未产生累积变形或应力棘

轮。此外，在安定前出现的变形不应超过设计规定的极限值。包括静水压试验和极端条件操作载荷。 注：安定分析宜用于校核较高的一次局部应力和二次应力。

9 报告结果

设计验证报告应包括所有计算结果和产品额定值。

产品额定值应包括以下内容：

——内部温度和外部温度;

——载荷，包括拉伸、弯曲和扭转载荷;

——边界条件;

——所有验证过的极端条件。

7

附录 A

(资料性)

弹性分析的应力分类

A.1 总则

应力分类包括一次应力、二次应力和峰值应力。超过材料的屈服强度，根据加载载荷的载荷分量进行分类。

A.2 一次应力

A.2.1 总则

一次应力的基本特性是非自限的，一次加载就会发生失效或至少产生明显变形。

一次应力是由机械压力、力和力矩的作用产生的。

一次应力包括薄膜应力和弯曲应力，且假设其在壁厚横截面上线性分布。

一次局部应力会重新分布，使载荷作用截面的部分强化，如螺纹接头中一次局部应力的重新分布。

热应力不是一次应力。

A.2.2 一次薄膜应力强度

一次薄膜应力强度计算来自容器壁厚上的应力分量的平均值，可分为总体或局部一次薄膜应力强度。

一次总体薄膜应力强度( Pm) 不会引起载荷的重新分布，超过屈服强度就会导致失效。一次总体薄膜应力( P) 仅由机械载荷产生，且不包括不连续性和应力集中区的影响。

√Rt一次局部薄膜应力强度( P) 是应力水平超过一次总体薄膜应力而影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。仅由机械载荷产生。当不是应力集中区时，应考虑不连续性。具体要求如下：

——薄膜应力由压力或其他机械载荷引起，且与一次应力相联系，但若不加限制，当载荷从结构的某一部分传递到周边区域的结构，有可能产生过度塑性变形而致失效。如壳体与固定支座或与接管连接处由外加载荷引起的薄膜应力便是一次局部薄膜应力。由结构不连续性产生的一次局部薄膜应力，具有一定的自限性，但表现出二次应力的特征，从保守角度考虑仍将其划分为一次应力。

——在应力强度超过1.1kSm 处的区域，在经线方向上的延伸距离大于1.0√Rt, 式中R 为从旋转轴垂直于表面的曲率半径，t 为所考虑区域的最小厚度。超过1.1kSm的一次局部薄膜应力的范围在经线方向上不应接近于2.5 √Rt, 式中R为 (R₁+R)/2,t 为 (t+t)/2。 这里4和左是所考虑的每个区域的最小厚度，R 和 R₂ 是在这些区域内从旋转轴垂直于表面的曲率中面半径。

A.2.3 一次弯曲应力强度

一次弯曲应力P₆ 的分量计算来自线性一次应力分量的分布。该分布与实际应力分量分布具有相同的净弯力矩。一次弯曲应力分量不包括不连续性和应力集中。

8

A.3 二次应力

二次应力( Q) 是由相邻材料的约束或由结构自身的限制引起的，其基本特性是自限性。屈服可引起应力值的减小。一次载荷循环可能会引起局部屈服和应力的重新分布，但不会导致失效或严重变形。

二次应力是指在总体结构不连续处的薄膜加弯曲应力，来自总体热应力、机械载荷应力的组合。

A.4 峰值应力

峰值应力(F) 是由应力集中或不会引起显著变形的其他应力的应力分量，包括膨胀系数与基体材料不同的涂覆层中的热应力、瞬时热应力，或者热应力再分布的非线性部分。对峰值应力仅关注其可能引起疲劳断裂或脆断。

9

参考 文献