壓力管道局部應力分析課件

1、壓力管道局部應力分析概述局部應力分析貫穿于整個管道應力分析及壓力容器的設計分析工作當中。理解局部應力在管道及設備當中的成因和影響，對分析設計工作至關重要。概述Part 局部應力的應用Part 局部應力計算方法一、局部應力的應用管道專業(yè)的應用 壓力管道應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，此類管道的柔性設計往往只能保證管道自身強度，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行更為精確的強度評定。此外這些管件在管道應力分析中所使用的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）來進行局部應力校核。（WRC107/297、有限元） 管道專業(yè)的應用 設備專業(yè)的應用 設備專業(yè)的應用壓力容器在壓力、溫度、外部集中力、風載、地震等載荷作用下可能導致管口、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，應采用WRC107/297/PD5500或有限元法來進行局部應力分析以確保局部連接處在設備運行時安全可靠。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)的局部失效應力增大系數(shù)應力增大系數(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、處的應力增大現(xiàn)象，其值等于直管應力與相同條件下彎頭、三通等管件的應力之比，其值通常大于1：應力增大系數(shù)規(guī)范對應力增大系數(shù)的考慮：B31.1B31.37/27/2022AECsoft應力增大系數(shù)彎頭的應力增大系數(shù)三通的應力增大系數(shù)應力增大系數(shù)的大小與管件的直徑、壁厚、是否補強、彎曲半徑等因素有關。管道系統(tǒng)中SIF的局限性上述針對管道的應力增大系數(shù)的研究均是以梁單元為模型進行實驗得到的。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D/t100時，管道進入薄壁系列，其局部失穩(wěn)特性開始表現(xiàn)出來，此時再按照管道標準進行計算將引起誤差。因此，應用于大直徑薄壁管、管道-設備連接點的局部

4、應力分析準則應運而生。應力增大系數(shù)的確定方法確定應力增大系數(shù)可采用疲勞試驗和數(shù)值分析兩種方法。其中疲勞試驗方法是確定應力增大系數(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)有疲勞試驗基礎之上。1、疲勞試驗法按照一系列不同應力幅對直管和管件進行一系列疲勞試驗，并根據(jù)試驗結果，通過擬合得到直管和管件疲勞曲線表達式：式中 直管/管件中的循環(huán)應力幅，等于破壞點的彎矩幅值除以直管的抗彎的抗彎截面模量； N - 達到破壞時的循環(huán)次數(shù)； C、n - 材料常數(shù)。7/27/2022AECsoft2、數(shù)值分析法 應用計算機程序進行詳細的局部應力分析確定應力增大系數(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行分析，得到應力集中系數(shù)；應力增大系數(shù)等于應力集中系數(shù)的一半。應力增大系數(shù)應用的注意事項！ 根據(jù)GB 50316、ASME B31.1和ASME B31.3的規(guī)定，計算二次應力時應采用應力增大系數(shù)。這是由于采用應力增大系數(shù)的目的，是考慮局部應力集中的影響，而局部應力集中主要對管件的疲勞破壞產(chǎn)生作用。因為局部的高應力循環(huán)，將使材料產(chǎn)生裂紋并不斷擴展，最終導致破壞。校核二次應力的目的正是為了防止疲勞破壞，因此在計算二次應力時必須考慮應力集中的影響，應該采用應力增大系數(shù)。另外，根據(jù)ASME B31.3的標準釋義，計算一次應力可不考慮應力增大系數(shù)。這主要是因為校核一次應力是為

6、了控制管道的整體破壞，局部的應力集中對管道的整體破壞影響不大。另外一次應力采用彈性分析方法，認為某一點達到屈服管道失效，已經(jīng)非常保守，如果在考慮應力集中的影響將導致過分保守。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297公報，給出了外載作用下殼體局部應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，自動進行局部應力的計算，并能出具校核報告。需要注意的是，WRC107未考慮介質內(nèi)壓的影響，在計算局部應力時，對于實心附件，一般額外疊加殼體的整體膜應力PD/2t 。對于空心附件，還需要疊加由結構不連續(xù)引

7、發(fā)的附加應力（K-1）PRm/2t。WRC107適用范圍： 對球殼或柱殼形式的容器壁上實心附屬元件的局部應力 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，AuDu為外表面點，AlDl為內(nèi)表面點（所有點為殼體上的點），對該8個點進行應力分類 應力合成 應力評定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造成一次局部膜應力；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力；介質壓力對殼體產(chǎn)生一次總體膜應力WRC107僅由介質壓力p所引起的薄膜應力為一次總體薄膜應力Pm；由外加載荷所引起的薄膜應力的疊加為一次局部膜應力PL；由外載荷所引起的彎曲應力為二次應力Q；如果連接處存在過渡圓弧，可能引起附加應力（K-1）PRm/2t，如果進行疲勞分析，則應帶入相關應力集中系數(shù)，當沒有參考值時，按照K=1.0計算（即不考慮）。附加應力在WRC107當中劃分為Q的一部分。WRC107校核準則：PmhPm+PL 1.5hPm+PL+Q3hWRC107WRC297WRC297是WRC107的增補，與WRC107起到相互補充的作用；WRC107以球

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

10、性盡管WRC107、297及其他類似文獻提供了局部應力的算法，但是兩者并非萬能，他們存在一定的應用局限性，在某些條件下計算結果與實際相差較大。WRC107應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.不能進行接管補強板的詳細分析，只能通過增大補強區(qū)域來進行近似計算2.不能計算非標準形式下的局部應力（例如斜接管、非徑向接管等）3.不能計算設備頂部接管及偏移接管形式下的局部應力WRC107應用范圍及限制條件4.僅計算連接處筒體內(nèi)外平面的八個點的局部應力，不能考慮完整情況5.不能全面而精確的考慮介質內(nèi)壓與外載荷的合成應力6.在球殼下，d/D小于1/3，但當球殼平均直徑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應小于0.25，當滿足特定條件時，其值可以提高至0.6WRC107應用范圍及限制條件WRC107應用范圍及限制條件WRC297應用范圍及限制條件WRC297繼承了WRC107的一些限制條件，另外，當連接區(qū)域的接管壁厚小于補強壁厚時，其局部應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），通常應當小于0.33WRC297應用范圍及限制條件接管必須為各向同性截面，對容器一側，計算范

12、圍不超出 ，對接管一側，計算范圍不超出 。 當接管一側應力水平超過2/3許用值時，建議核算容器應力水平；107和297具有不同的計算結果；通常，107用于計算局部應力 ；297通常用于計算柔性WRC297應用條件小結WRC107、297為外載荷（不包括內(nèi)壓）作用下的局部應力計算提供了一個粗略的方法，但是其結果在一定范圍內(nèi)是準確的，超出了這個范圍，應該使用有限元分析軟件進行求解。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)來進行對比計算。有限元法

13、嚴格按照理論分析方法，結合ASME -2中的應力分類來對特定結構進行應力計算，當滿足理想化假設條件時，其結果與真實應力十分接近，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。有限元分析(NozzlePro/FEpipe)結構的局部區(qū)域由于存在應力增大，其峰值應力的精確度決定了局部應力計算的精確度。根據(jù)應力增大系數(shù)的定義，我們不妨通過求解WRC107、WRC297、有限元法下局部區(qū)域的應力增大系數(shù)來進行比較。SIF=管件的局部峰值應力等效直管峰值應力=(PL+Pb+Q+F) (M/Z)有限元分析(NozzlePro/FEpipe)圖線表示筒體軸向應力增大系數(shù)曲線，當d

14、/D0.5時，WRC 107的應力增大系數(shù)與實際接近，從整個d/D范圍上看，WRC297的結果更為保守（SIF更大），其值從215進行變化。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)計算的局部應力偏小，WRC297則在整個范圍內(nèi)應力偏高有限元分析(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)計算的局部應力與真實值接近，而WRC297則在整個范圍內(nèi)應力偏高有限元分析(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計算得到的局部應力值與真實值較為接近，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，當使用WRC107及297進行局部應力計算時，如果發(fā)現(xiàn)計算值占許用值比例較高時，很可能說明應力增大系數(shù)偏高的情況，應該考慮使用有限元法進行計算。相關有限元分析程序FEP有限

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

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

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