壓力管道局部應(yīng)力分析課件

1、壓力管道局部應(yīng)力分析概述局部應(yīng)力分析貫穿于整個管道應(yīng)力分析及壓力容器的設(shè)計分析工作當(dāng)中。理解局部應(yīng)力在管道及設(shè)備當(dāng)中的成因和影響，對分析設(shè)計工作至關(guān)重要。概述Part 局部應(yīng)力的應(yīng)用Part 局部應(yīng)力計算方法一、局部應(yīng)力的應(yīng)用管道專業(yè)的應(yīng)用 壓力管道應(yīng)力分析采用的是梁單元有限元法來分析。但是大口徑薄壁管道的應(yīng)力分析比較特殊，其管道單元屬性已經(jīng)超過梁單元定義范圍，其既具備梁單元屬性也具備殼單元屬性，此類管道的柔性設(shè)計往往只能保證管道自身強(qiáng)度，對于一些管口、特殊彎頭、法蘭、變徑段、三通、管道支架等局部失效無法進(jìn)行更為精確的強(qiáng)度評定。此外這些管件在管道應(yīng)力分析中所使用的SIF也規(guī)范中的常規(guī)計算方法已

2、不適用。因此我們需要采取其它手段（規(guī)范）來進(jìn)行局部應(yīng)力校核。（WRC107/297、有限元） 管道專業(yè)的應(yīng)用 設(shè)備專業(yè)的應(yīng)用 設(shè)備專業(yè)的應(yīng)用壓力容器在壓力、溫度、外部集中力、風(fēng)載、地震等載荷作用下可能導(dǎo)致管口、支撐件與殼體局部連接處失效，這些問題常規(guī)分析方法往往已不適用，應(yīng)采用WRC107/297/PD5500或有限元法來進(jìn)行局部應(yīng)力分析以確保局部連接處在設(shè)備運(yùn)行時安全可靠。管道系統(tǒng)常見局部失效管道系統(tǒng)常見局部失效管道系統(tǒng)常見局部失效壓力容器接管處引發(fā)的局部失效應(yīng)力增大系數(shù)應(yīng)力增大系數(shù)Stress Intensification Factor，用于表示彎頭、三通等幾何變形不光滑（或幾何不連續(xù)）

3、處的應(yīng)力增大現(xiàn)象，其值等于直管應(yīng)力與相同條件下彎頭、三通等管件的應(yīng)力之比，其值通常大于1：應(yīng)力增大系數(shù)規(guī)范對應(yīng)力增大系數(shù)的考慮：B31.1B31.37/27/2022AECsoft應(yīng)力增大系數(shù)彎頭的應(yīng)力增大系數(shù)三通的應(yīng)力增大系數(shù)應(yīng)力增大系數(shù)的大小與管件的直徑、壁厚、是否補(bǔ)強(qiáng)、彎曲半徑等因素有關(guān)。管道系統(tǒng)中SIF的局限性上述針對管道的應(yīng)力增大系數(shù)的研究均是以梁單元為模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的。換言之，上述SIF的計算公式及軟件的計算過程均針對D/t100，當(dāng)D/t100時，管道進(jìn)入薄壁系列，其局部失穩(wěn)特性開始表現(xiàn)出來，此時再按照管道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算將引起誤差。因此，應(yīng)用于大直徑薄壁管、管道-設(shè)備連接點(diǎn)的局部

4、應(yīng)力分析準(zhǔn)則應(yīng)運(yùn)而生。應(yīng)力增大系數(shù)的確定方法確定應(yīng)力增大系數(shù)可采用疲勞試驗(yàn)和數(shù)值分析兩種方法。其中疲勞試驗(yàn)方法是確定應(yīng)力增大系數(shù)的直接方法，也是基本方法。數(shù)值分析方法一般建立在現(xiàn)有疲勞試驗(yàn)基礎(chǔ)之上。1、疲勞試驗(yàn)法按照一系列不同應(yīng)力幅對直管和管件進(jìn)行一系列疲勞試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過擬合得到直管和管件疲勞曲線表達(dá)式：式中 直管/管件中的循環(huán)應(yīng)力幅，等于破壞點(diǎn)的彎矩幅值除以直管的抗彎的抗彎截面模量； N - 達(dá)到破壞時的循環(huán)次數(shù)； C、n - 材料常數(shù)。7/27/2022AECsoft2、數(shù)值分析法 應(yīng)用計算機(jī)程序進(jìn)行詳細(xì)的局部應(yīng)力分析確定應(yīng)力增大系數(shù)，有限元法是最為有效的一種方法。一般步驟如下

5、：采用有限元法對特殊管件進(jìn)行分析，得到應(yīng)力集中系數(shù)；應(yīng)力增大系數(shù)等于應(yīng)力集中系數(shù)的一半。應(yīng)力增大系數(shù)應(yīng)用的注意事項(xiàng)！ 根據(jù)GB 50316、ASME B31.1和ASME B31.3的規(guī)定，計算二次應(yīng)力時應(yīng)采用應(yīng)力增大系數(shù)。這是由于采用應(yīng)力增大系數(shù)的目的，是考慮局部應(yīng)力集中的影響，而局部應(yīng)力集中主要對管件的疲勞破壞產(chǎn)生作用。因?yàn)榫植康母邞?yīng)力循環(huán)，將使材料產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致破壞。校核二次應(yīng)力的目的正是為了防止疲勞破壞，因此在計算二次應(yīng)力時必須考慮應(yīng)力集中的影響，應(yīng)該采用應(yīng)力增大系數(shù)。另外，根據(jù)ASME B31.3的標(biāo)準(zhǔn)釋義，計算一次應(yīng)力可不考慮應(yīng)力增大系數(shù)。這主要是因?yàn)樾：艘淮螒?yīng)力是為

6、了控制管道的整體破壞，局部的應(yīng)力集中對管道的整體破壞影響不大。另外一次應(yīng)力采用彈性分析方法，認(rèn)為某一點(diǎn)達(dá)到屈服管道失效，已經(jīng)非常保守，如果在考慮應(yīng)力集中的影響將導(dǎo)致過分保守。WRC107、297概述WRC107及297美國焊接研究委員會第107號公報及其增補(bǔ)297公報，給出了外載作用下殼體局部應(yīng)力的計算原則及其計算公式。CAESARII 內(nèi)置的WRC107/297分析模塊能夠完全按照公報的要求，自動進(jìn)行局部應(yīng)力的計算，并能出具校核報告。需要注意的是，WRC107未考慮介質(zhì)內(nèi)壓的影響，在計算局部應(yīng)力時，對于實(shí)心附件，一般額外疊加殼體的整體膜應(yīng)力PD/2t 。對于空心附件，還需要疊加由結(jié)構(gòu)不連續(xù)引

7、發(fā)的附加應(yīng)力（K-1）PRm/2t。WRC107適用范圍： 對球殼或柱殼形式的容器壁上實(shí)心附屬元件的局部應(yīng)力 附屬元件可以為圓筒形、方形、矩形WRC107計算原理規(guī)范選擇附屬元件、接管與殼體連接處為分析對象，并在連接部位定義八個點(diǎn)，AuDu為外表面點(diǎn)，AlDl為內(nèi)表面點(diǎn)（所有點(diǎn)為殼體上的點(diǎn)），對該8個點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分類 應(yīng)力合成 應(yīng)力評定AUDUBUCUALBLCLDLWRC107作用在殼壁上附屬元件的外加基本載荷有： 壓力P、拉力T、剪切力V、沿殼體軸向的彎矩ML、沿殼體圓周方向作用的彎矩MC、作用在附屬元件上的扭矩MT。外載荷會首先在連接點(diǎn)造成一次局部膜應(yīng)力；彎矩可簡化為大小相等、方向相反的力

8、偶，而這個力偶則會生成局部彎曲應(yīng)力；介質(zhì)壓力對殼體產(chǎn)生一次總體膜應(yīng)力WRC107僅由介質(zhì)壓力p所引起的薄膜應(yīng)力為一次總體薄膜應(yīng)力Pm；由外加載荷所引起的薄膜應(yīng)力的疊加為一次局部膜應(yīng)力PL；由外載荷所引起的彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力Q；如果連接處存在過渡圓弧，可能引起附加應(yīng)力（K-1）PRm/2t，如果進(jìn)行疲勞分析，則應(yīng)帶入相關(guān)應(yīng)力集中系數(shù)，當(dāng)沒有參考值時，按照K=1.0計算（即不考慮）。附加應(yīng)力在WRC107當(dāng)中劃分為Q的一部分。WRC107校核準(zhǔn)則：PmhPm+PL 1.5hPm+PL+Q3hWRC107WRC297WRC297是WRC107的增補(bǔ)，與WRC107起到相互補(bǔ)充的作用；WRC107以球

9、殼或柱殼上的圓形或方形實(shí)心體為基本力學(xué)模型，因而能夠計算附近有支座、接管作用下筒體的局部應(yīng)力，但是不能計算圓形空心附件（接管）的局部應(yīng)力WRC297則以球殼或柱殼上開孔的圓形空心元件作為基本力學(xué)模型，因此可以計算連接處筒體周圍的局部應(yīng)力（這一部分與WRC107基本相同），以及接管上的局部應(yīng)力。WRC297與WRC107相同的，WRC297遵循 ASME -2中對應(yīng)力進(jìn)行分類的原理，在外載荷及介質(zhì)壓力作用下，在局部四個點(diǎn)產(chǎn)生薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力等。對于接管局部應(yīng)力的計算，由于不考慮接管和筒體連接處引發(fā)的應(yīng)力集中，因此不計算附加峰值應(yīng)力。舉例輸入?yún)?shù)輸入?yún)?shù)、計算查看報告局部應(yīng)力計算的局限

10、性盡管WRC107、297及其他類似文獻(xiàn)提供了局部應(yīng)力的算法，但是兩者并非萬能，他們存在一定的應(yīng)用局限性，在某些條件下計算結(jié)果與實(shí)際相差較大。WRC107應(yīng)用范圍及限制條件對于WRC107而言，其局限性包含以下一些方面：1.不能進(jìn)行接管補(bǔ)強(qiáng)板的詳細(xì)分析，只能通過增大補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域來進(jìn)行近似計算2.不能計算非標(biāo)準(zhǔn)形式下的局部應(yīng)力（例如斜接管、非徑向接管等）3.不能計算設(shè)備頂部接管及偏移接管形式下的局部應(yīng)力WRC107應(yīng)用范圍及限制條件4.僅計算連接處筒體內(nèi)外平面的八個點(diǎn)的局部應(yīng)力，不能考慮完整情況5.不能全面而精確的考慮介質(zhì)內(nèi)壓與外載荷的合成應(yīng)力6.在球殼下，d/D小于1/3，但當(dāng)球殼平均直徑Dm與球

11、殼壁厚T之比在20-55之間時，則可不用考慮d/D條件一般情況下筒體的d/D應(yīng)小于0.25，當(dāng)滿足特定條件時，其值可以提高至0.6WRC107應(yīng)用范圍及限制條件WRC107應(yīng)用范圍及限制條件WRC297應(yīng)用范圍及限制條件WRC297繼承了WRC107的一些限制條件，另外，當(dāng)連接區(qū)域的接管壁厚小于補(bǔ)強(qiáng)壁厚時，其局部應(yīng)力計算值可能過于保守d/t必須在20100之間，除非超范圍后接管仍能按照剛性考慮（即梁單元），如能滿足后者，則任意比值均可D/T必須在202500之間d/T5d/D0.5（滿足D/T前提下），通常應(yīng)當(dāng)小于0.33WRC297應(yīng)用范圍及限制條件接管必須為各向同性截面，對容器一側(cè)，計算范

12、圍不超出 ，對接管一側(cè)，計算范圍不超出 。 當(dāng)接管一側(cè)應(yīng)力水平超過2/3許用值時，建議核算容器應(yīng)力水平；107和297具有不同的計算結(jié)果；通常，107用于計算局部應(yīng)力 ；297通常用于計算柔性WRC297應(yīng)用條件小結(jié)WRC107、297為外載荷（不包括內(nèi)壓）作用下的局部應(yīng)力計算提供了一個粗略的方法，但是其結(jié)果在一定范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的，超出了這個范圍，應(yīng)該使用有限元分析軟件進(jìn)行求解。什么范圍可以使用WRC107/297？為什么？三、有限元分析(NozzlePro/FEpipe)為了能夠表示出WRC107、297計算的誤差，使用有限元分析軟件(NozzlePro/FEpipe)來進(jìn)行對比計算。有限元法

13、嚴(yán)格按照理論分析方法，結(jié)合ASME -2中的應(yīng)力分類來對特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計算，當(dāng)滿足理想化假設(shè)條件時，其結(jié)果與真實(shí)應(yīng)力十分接近，并且有限元分析法不受任何幾何條件的限制，計算精度與網(wǎng)格劃分的疏密程度相關(guān)。有限元分析(NozzlePro/FEpipe)結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域由于存在應(yīng)力增大，其峰值應(yīng)力的精確度決定了局部應(yīng)力計算的精確度。根據(jù)應(yīng)力增大系數(shù)的定義，我們不妨通過求解WRC107、WRC297、有限元法下局部區(qū)域的應(yīng)力增大系數(shù)來進(jìn)行比較。SIF=管件的局部峰值應(yīng)力等效直管峰值應(yīng)力=(PL+Pb+Q+F) (M/Z)有限元分析(NozzlePro/FEpipe)圖線表示筒體軸向應(yīng)力增大系數(shù)曲線，當(dāng)d

14、/D0.5時，WRC 107的應(yīng)力增大系數(shù)與實(shí)際接近，從整個d/D范圍上看，WRC297的結(jié)果更為保守（SIF更大），其值從215進(jìn)行變化。有限元分析(NozzlePro/FEpipe)在不同D/T、d/t數(shù)值下的軸向應(yīng)力增大系數(shù)對比曲線有限元分析(NozzlePro/FEpipe)圖線表示筒體平面內(nèi)彎曲應(yīng)力增大系數(shù)曲線，由數(shù)值上看，WRC107在d/D0.6范圍內(nèi)計算的局部應(yīng)力偏小，WRC297則在整個范圍內(nèi)應(yīng)力偏高有限元分析(NozzlePro/FEpipe)在不同D/T、d/t數(shù)值下平面內(nèi)彎曲應(yīng)力增大系數(shù)對比曲線有限元分析(NozzlePro/FEpipe)圖線表示筒體平面外彎曲應(yīng)力增大

15、系數(shù)曲線，由數(shù)值上看，WRC107在d/D0.7范圍內(nèi)計算的局部應(yīng)力與真實(shí)值接近，而WRC297則在整個范圍內(nèi)應(yīng)力偏高有限元分析(NozzlePro/FEpipe)在不同D/T、d/t數(shù)值下平面內(nèi)彎曲應(yīng)力增大系數(shù)對比曲線綜述從上述對比曲線我們可以發(fā)現(xiàn)，在d/D0.7范圍內(nèi)，對于任意D/T 還是d/t，WRC107計算得到的局部應(yīng)力值與真實(shí)值較為接近，而WRC297則在所有范圍偏高，且其趨勢隨d/D的增大而更為明顯。由此可知，當(dāng)使用WRC107及297進(jìn)行局部應(yīng)力計算時，如果發(fā)現(xiàn)計算值占許用值比例較高時，很可能說明應(yīng)力增大系數(shù)偏高的情況，應(yīng)該考慮使用有限元法進(jìn)行計算。相關(guān)有限元分析程序FEP有限

16、元系列軟件FEP有限元系列軟件嚴(yán)格按照ASME VIII-2應(yīng)力分類進(jìn)行局部應(yīng)力分析及校核。FEP有限元系列軟件板殼單元結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力計算FEP有限元系列軟件支撐件對薄壁管的局部應(yīng)力分析FEP有限元系列軟件薄壁管（殼單元）模型的局部應(yīng)力分析四、ASME應(yīng)力分類一次總體膜應(yīng)力：由內(nèi)壓或機(jī)械載荷引起，用于描述設(shè)備整體為平衡外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，在分析設(shè)計中其失效體現(xiàn)為所有截面應(yīng)力超出屈服極限ASME應(yīng)力分類一次彎曲應(yīng)力：當(dāng)設(shè)備由于外載荷產(chǎn)生彎曲變形時，截面上引發(fā)一次彎曲應(yīng)力，其值通常與膜應(yīng)力疊加產(chǎn)生應(yīng)力重分布：ASME應(yīng)力分類一次局部膜應(yīng)力：由內(nèi)壓或機(jī)械載荷（力或彎矩）引發(fā)，用于描述設(shè)備局部為平衡外載

17、荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，失效體現(xiàn)為局部截面應(yīng)力超出許用應(yīng)力值。一次局部膜應(yīng)力與二次應(yīng)力相類似。ASME應(yīng)力分類二次應(yīng)力：在材料不連續(xù)處，由于外載荷或同一結(jié)構(gòu)中不同區(qū)域溫差的影響，相連接的結(jié)構(gòu)、元件之間出現(xiàn)相互脫離的趨勢，為保證結(jié)構(gòu)的連接性所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為二次應(yīng)力。由于外載荷及溫度也可能引發(fā)一次應(yīng)力分量，故二次應(yīng)力是總應(yīng)力扣除一次應(yīng)力及峰值附加應(yīng)力后的差值。二次應(yīng)力可以是總體的也可以是局部的。ASME應(yīng)力分類一次局部膜應(yīng)力與二次應(yīng)力的區(qū)別在于前者是局部的非自限性的，一旦失效不會恢復(fù)，而后者可以是總體的但自限性的，伴隨著外載荷的變化而變化。ASME應(yīng)力分類峰值（附加）應(yīng)力：主要特征是局部的，自限性的，獨(dú)立

18、于一次及二次應(yīng)力之外的特殊應(yīng)力。典型的發(fā)生于幾何不連續(xù)處，如設(shè)備開孔所引發(fā)的應(yīng)力集中、不光滑的過渡區(qū)域、結(jié)構(gòu)中的溫差均可產(chǎn)生峰值應(yīng)力ASME應(yīng)力的強(qiáng)度評定規(guī)范中要求，對各種應(yīng)力強(qiáng)度的評定均應(yīng)包含更危險成分，因此有一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度評定，但不對單獨(dú)的二次應(yīng)力額外評定。按此思想，結(jié)合各類應(yīng)力的大小可以依次排列：ASME應(yīng)力的強(qiáng)度評定S1：PmS2：PL （PL一般大于等于Pm）S3：PL+Pb（由于PL應(yīng)力水平更高，不取Pm）S4：PL+Pb+Q（考慮局部二次應(yīng)力的影響）S5： PL+Pb+Q+F（在S4基礎(chǔ)上考慮局部的峰值應(yīng)力影響）ASME應(yīng)力的強(qiáng)度評定評定標(biāo)準(zhǔn)：S1Sm，對于一次總體膜應(yīng)力而言，=1.0，上式變化為S1kSm 其中描述了結(jié)構(gòu)在發(fā)生應(yīng)力重分布時承載能力提升的程度，1.0表示應(yīng)力不會重分布；k表示載荷組合系數(shù)，當(dāng)不存在偶然載荷（風(fēng)、地震）時取1.0；Sm表示設(shè)計許用應(yīng)力。ASME應(yīng)力的強(qiáng)度評定S2 1.5kSm一次局部膜應(yīng)力總體水平通常高于一次總體膜應(yīng)力，且一次局部膜應(yīng)力同時包含一次及二次的效果，標(biāo)準(zhǔn)取保守系數(shù)1.5，但這個值并不唯一。K的取值同上，下略。ASME應(yīng)力的強(qiáng)度評定S3 1.5kSm一次局部（或一次整體）加一次