【管道应力分析】 压力管道局部应力分析

2020/11/6
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应力增大系数
• 规范对应力增大系数的考虑： • B31.1
• B31.3
SSUS S1 0.75iM A / Z Pdo / 4t Sh
S1 FAX / Am iiM i 2 ioM o 2 1/2 / Z Pdo / 4t Sh
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DU
AU
BU
AL DL
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CL
CU BL
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WRC107
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WRC107、297概述
• WRC107及297——美国焊接研究委员会第107号公报及其增补 297公报，给出了外载作用下壳体局部应力的计算原则及其计 算公式。CAESARII 内置的WRC107/297分析模块能够完全按照公 报的要求，自动进行局部应力的计算，并能出具校核报告。需 要注意的是，WRC107未考虑介质内压的影响，在计算局部应 力时，对于实心附件，一般额外叠加壳体的整体膜应力PD/2t 。 对于空心附件，还需要叠加由结构不连续引发的附加应力（K1）PRm/2t。
CAESAR II 局部应力分析
概述
• 局部应力分析贯穿于整个管道应力分析及压力容器的设计分析工 作当中。理解局部应力在管道及设备当中的成因和影响，对分析 设计工作至关重要。
Leabharlann Baidu
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概述
• Part Ⅰ局部应力的应用 • Part Ⅱ局部应力计算方法
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I.
采用有限元法对特殊管件进行分析，得到应力集中系数；
II. 应力增大系数等于应力集中系数的一半。
应力增大系数应用的注意事项！
根据GB 50316、ASME B31.1和ASME B31.3的规定，计算二次应力时应采用应 力增大系数。这是由于采用应力增大系数的目的，是考虑局部应力集中的 影响，而局部应力集中主要对管件的疲劳破坏产生作用。因为局部的高应 力循环，将使材料产生裂纹并不断扩展，最终导致破坏。校核二次应力的 目的正是为了防止疲劳破坏，因此在计算二次应力时必须考虑应力集中的 影响，应该采用应力增大系数。另外，根据ASME B31.3的标准释义，计算 一次应力可不考虑应力增大系数。这主要是因为校核一次应力是为了控制 管道的整体破坏，局部的应力集中对管道的整体破坏影响不大。另外一次 应力采用弹性分析方法，认为某一点达到屈服管道失效，已经非常保守， 如果在考虑应力集中的影响将导致过分保守。
S直管 / 管件N n C
式中
直管/管件中的循环应力幅，等于破坏点的弯矩幅值除以直管的抗弯的抗弯截面模
量；
NS-直--管--/-管达件 到破坏时的循环次数；
C、n -------- 材料常数。
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2、数值分析法
应用计算机程序进行详细的局部应力分析确定应力增大系数，有限元法是最为有 效的一种方法。一般步骤如下：
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设备专业的应用
• 压力容器在压力、温度、外部集中力、风载、地震……等载荷 作用下可能导致管口、支撑件与壳体局部连接处失效，这些问 题常规分析方法往往已不适用，应采用WRC107/297/PD5500或 有限元法来进行局部应力分析以确保局部连接处在设备运行时 安全可靠。
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管道系统常见局部失效
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管道系统常见局部失效
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管道系统常见局部失效
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压力容器接管处引发的局部失效
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应力增大系数
• 应力增大系数——Stress Intensification Factor，用于表示弯头、三 通等几何变形不光滑（或几何不连续）处的应力增大现象，其值 等于直管应力与相同条件下弯头、三通等管件的应力之比，其值 通常大于1：
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应力增大系数
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弯头的应力增大系数
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三通的应力增大系数
• 应力增大系数的大小与管件的 直径、壁厚、是否补强、弯曲 半径等因素有关。
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管道系统中SIF的局限性
• 上述针对管道的应力增大系数的研究均是以梁单元为模型进行实验得到 的。换言之，上述SIF的计算公式及软件的计算过程均针对D/t≤100，当 D/t＞100时，管道进入薄壁系列，其局部失稳特性开始表现出来，此时 再按照管道标准进行计算将引起误差。因此，应用于大直径薄壁管、管 道-设备连接点的局部应力分析准则应运而生。
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应力增大系数的确定方法
确定应力增大系数可采用疲劳试验和数值分析两种方法。其中疲劳试验方法是确定应力增大系 数的直接方法，也是基本方法。数值分析方法一般建立在现有疲劳试验基础之上。
1、疲劳试验法
按照一系列不同应力幅对直管和管件进行一系列疲劳试验，并根据试验结果，通过拟合得到直 管和管件疲劳曲线表达式：
一、局部应力的应用
➢ 管道专业的应用
➢ 设备专业的应用
• 管道专业的应用
压力管道应力分析采用的是梁单元有限元法来分析。但是大口径薄壁管 道的应力分析比较特殊，其管道单元属性已经超过梁单元定义范围，其 既具备梁单元属性也具备壳单元属性，此类管道的柔性设计往往只能保 证管道自身强度，对于一些管口、特殊弯头、法兰、变径段、三通、管 道支架……等局部失效无法进行更为精确的强度评定。此外这些管件在管 道应力分析中所使用的SIF也规范中的常规计算方法已不适用。因此我们 需要采取其它手段（规范）来进行局部应力校核。（WRC107/297、有限 元）
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WRC107
• 适用范围： 对球壳或柱壳形式的容器壁上实心附属元件的局部应力 附属元件可以为圆筒形、方形、矩形
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WRC107
• 计算原理 规范选择附属元件、接管与壳体连接处为分析对象，并在连接部位定义八个
点，Au~Du为外表面点，Al~Dl为内表面点（所有点为壳体上的点），对该8 个点进行应力分类 – 应力合成 – 应力评定