国标厚壁膨胀节应力分析问题浅谈

对膨胀节进行分析计算时,国内没有膨胀节各位置应力分类及判定的依据标准,通常会参照国外设计标准进行应力分类及评定。GB/T 16749—2018 《压力容器波形膨胀节》中对不锈钢和镍基材料厚壁膨胀节的计算判定与TEMA 10th—2019 “Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association”、 ASME BPVC.Ⅷ-1—2021 “Rules for Construction of Pressure Vessel”或ASME BPVC.Ⅷ-2—2021 “Rules for Construction of Pressure Vessel—Alternative Rules”完全不同,在设计不锈钢和镍基材料厚壁膨胀节时完全参照国外标准进行评定非常不合适。介绍了国外相关标准中膨胀节应力分类,对比了GB/T 16749—2018与国外相关标准中关于不同材料厚壁膨胀节计算方法的区别,膨胀节实例的疲劳计算结果表明,厚壁膨胀节分析计算仅满足GB/T 16749—2018是完全可行的。     

压力容器壳体局部应力校核限制条件分析

介绍了HG/T 20582—2020 《钢制化工容器强度计算规范》、 JB 4732—1995 《钢制压力容器——分析设计标准（2005年确认）》、 ASME BPVC.Ⅷ-1—2021 “Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1”及ASME BPVC.Ⅷ-2—2021“Rules for Construction of Pressure Vessels Division 2—Alternative Rules”中关于外载荷作用下压力容器壳体局部应力的校核条件，并结合材料的安全系数，举例对各标准中局部应力校核限制条件进行分析讨论。认为ASME规范中的局部应力校核条件合理，对HG/T20582—2020、 JB 4732—1995中局部应力校核限制范围提出了建议。     

ASME Ⅷ-2中结构应力计算方法的由来

ASMEⅧ-2(2007版)针对焊接件的疲劳寿命给出了一个全新的评定方法——基于结构应力的疲劳评定方法,并已被证实具有良好的网格不敏感性,特别适合焊接件焊趾处的疲劳寿命评定。从结构应力的定义出发,推导了结构应力的计算步骤,阐述了规范中公式的由来,并指出了结构应力法网格不敏感性的理论依据。     

换热管-管板焊接接头的焊接工艺评定

基于换热管-管板接头的焊接实例介绍了在实际应用NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》与ASME BPVC Section IX—2019《Welding,Brazing,and Fusing Qualifications》中存在的问题。通过对比这2个标准的评定规则分析其合理性,认为NB/T 47014—2011没有必要通过正文评定来保证焊接接头的性能, ASME BPVC Section IX—2019评定规则中有一些规定更能保证焊接接头的性能。     

ASME Ⅷ-1—2013防脆性断裂理论背景介绍

介绍了ASMEⅧ-1—2013中防脆性断裂的理论背景,并对冲击豁免曲线、冲击功合格值、低应力工况及加载速率等方面进行了分析讨论。     

2004版ASME规范B31．3工艺管道的技术变更

ASME B31．3-2004与ASME B31．3-2002相比,作出了一些重要变更,这些变更涉及焊缝接头强度降低系数W、应力范围系数f,用于高应力范围的另一种规则、高温情况下针对偶然载荷的另一种许用应力、膨胀节的特殊设计要求等,笔者针对这些变更作出说明。     

膨胀节标准规范的比较及评论

介绍和比较了ASME规范、EJMA标准以及我国国标中有关膨胀节设计公式、制造检验的相同和不同之处,并通过算例进行了说明。了解ASME碳钢和低合金钢膨胀节疲劳设计公式以及对波峰和波谷曲率半径的限制,有利于膨胀节设计时降低成本和减少失效。     

复式波纹管膨胀节位移附加值计算的探讨

《美国膨胀节制造商协会标准》EJMA—2003对复式膨胀节中间管引起的膨胀节位移附加值计算作出了规定,要求在计算最大单波组合位移时加以考虑,而国内标准中并没有对此部分内容提出要求。由于波纹管的应力主要由内外压和位移引起,位移产生的应力通常大于内外压引起的应力。当复式膨胀节中间管较长,口径较大,结构较重时,对波纹管会引起较大的附加位移,最大组合位移超出设计值。因此在设计复式波纹管膨胀节时要充分考虑膨胀节上各种构件自身结构重量引起波纹管附加位移的情况,再按照国标规定进行波纹管的强度、稳定性及疲劳寿命的计算,做好膨胀节设计,确保其在装置中正常运行。     

国内外分析设计规范中锥壳大小端评定准则的讨论

内压作用下锥壳的大端厚度主要由轴向弯曲应力控制,小端厚度主要由环向薄膜应力控制,国内外规范中对大端应力控制的条款基本一致,但对小端的应力,JB4732中要求小端环向薄膜应力小于1.1倍许用应力,ASMEⅧ-2中要求小端环向薄膜应力小于1.5倍许用应力。本文利用有限元法,对锥壳小端的评定进行研究,讨论两标准中评定条款的不同之处,为工程人员提供设计参考。     

烟机入口膨胀节变形过热应力评定及分析

介绍了波形膨胀节应力分布的一般特点,对烟机入口膨胀节变形及过热问题进行了简要分析,并按美国膨胀节制造商协会标准进行了应力评定。     

ASME B31G-2012标准在含体积型缺陷管道剩余强度评价中的应用研究

为了确定石油天然气输送管道能否在规定的管道压力下正常运行,避免油气管道发生安全事故,必须对含体积型缺陷的管道进行剩余强度评价。以断裂力学和工程实践经验相结合的半经验公式作为含体积型缺陷管道进行剩余强度评价的标准已经被国内外所广泛采用。为此分析研究了ASME B31G-2012标准的3种流变应力计算方法,得出各管线钢在选用不同方式计算流变应力时,管道剩余强度值之间所存在的差异,剩余强度评价结果也会存在着不同的保守性。进而计算了不同条件下安全系数的选取范围,讨论了地区等级变化对安全系数的影响程度;并针对ASME B31G-2012标准比较了原剩余强度计算公式和改进后的剩余强度计算公式,认为改进后公式通过改变鼓胀系数和缺陷投影面积降低了剩余强度评价结果的保守性;最后通过实际工程运用明确了流变应力、安全系数、剩余强度计算公式的选取原则。结论认为:在实际应用中需要综合考虑管道使用年限、管材性质、缺陷特征、所处地区等级、检测技术及业主要求等多方面的因素来确定如何选取评价管道剩余强度的相关参数。     

基于ASME规范的火筒式加热炉建造规则应用分析

在介绍火筒式加热炉的结构与工作原理、建造中存在的问题、优化设计和应用的基础上,研究和分析了美国机械工程师协会锅炉压力容器规范在水套炉建造中的适用范围。以水套炉和相变加热炉为例,指出了按照美国机械工程师协会锅炉及压力容器规范进行加热炉建造存在的问题,可为应用美国机械工程师协会规范建造火筒式加热炉提供参考。     

变压吸附塔应力和疲劳分析

介绍了变压吸附的工作原理,对变压吸附的核心设备变压吸附塔的结构、操作温度、压力等进行了简单介绍.按照规范JB 4732-1995第七章有关简体和封头的要求,根据吸附塔的设计条件分两个工况进行各部件的强度计算和应力指数法的厚度估算,两个工况分别是设计工况（工况一）和压力循环工况（工况二）.估算吸附塔各部件的壁厚后,利用ANSYS软件对其分两个模型进行应力分析,根据JB 4732-1995第5.3条各类应力强度许用极限的要求,一次总体薄膜应力强度SⅠ的许用极限为KSm,一次局部薄膜应力强度SⅡ的许用极限为1.5KSm,一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SⅢ的许用极限为1.5KSm,一次加二次应力强度SⅣ的许用极限为3KSm.按上述许用极限应力分析评定合格后,按照规范JB 4732-1995附录C对其进行疲劳分析,累计损伤系数U不大于1.0,满足JB4732-1995的要求,可为变压吸附塔或其他疲劳容器的分析设计提供参考.     

复杂结构有限元分析强度判定方法

在进行复杂结构件有限元分析结果后处理时,缺乏一种既能判定出构件最大应力,同时又能够校核整个危险截面强度的判定标准,使得有限元分析后对结果的评价缺乏一定说服力。研究目前常见的几种强度判定标准,尝试性引入ASMEⅧ标准,借鉴以应力分析为基础的设计方法,在最大工作载荷和试验载荷2种工况下,以DG900型大钩副钩为分析对象,阐述有限元法对应力处理的方法与步骤,着重研究运用ASMEⅧ标准进行复杂结构强度判定全过程。研究表明,ASMEⅧ标准能够很好地判定构件最大应力和危险截面的强度,具有推广价值。     

B31.G腐蚀管道剩余强度评价比较分析

油气长输管道的腐蚀剩余强度评价一直是管道完整性管理的重要内容,国外在腐蚀管道的剩余强度评价方面已取得很大成就。详细说明了ASME B31.G管道腐蚀剩余强度评价方法及其各种改进方法,对其优缺点和保守性进行了分析,通过选取不同的腐蚀面积计算公式、膨胀系数计算公式,不同的流变应力进行计算,结果表明,膨胀系数M的选择对失效压力的影响很小;腐蚀面积计算方法的选择对失效压力的影响很大;不同的流动应力定义会得到不同的评价结果,相对于不同的膨胀系数M和不同的面积计算方法而言,不同的流动应力选择对评价结果的影响更大。     

油气装备配套用铝合金膨胀节ASME规范案例的形成

油气储运离不开管道输送,而管道输送受到外界影响特别是温差变化时,管道的热胀冷缩会引起管道发生位移,给输送的安全性和稳定性带来隐患,而铝合金膨胀节作为管道输送过程中热位移补偿器已经得到了广泛的应用。为了研究特殊工况下,如何更好地按照美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)的要求使用铝合金膨胀节,以某跨国企业管道工程为例,探讨了当选用铝合金膨胀节时,在与ASME规范出现偏离情况下的解决措施和技术思路,提出了当"U形波纹环面半径小于3倍的波纹管厚度(t)时"的适用条件;同时提出了铝合金膨胀节采用搅拌摩擦焊的焊接方式,并进行了适应性验证。最终形成了ASME的Code Case 2587和Code Case 2593—1两个规范案例。该研究成果为同等条件下产品的设计、研发和生产提供了理论依据和实现方法。     

高真空多层绝热低温管道内管路波纹管应力非线性有限元分析

广泛用于LNG等输送的高真空多层绝热(HV-MLI)低温管道常使用波纹管膨胀节来补偿其内管的冷缩变形,波纹管由于工作在深冷环境中且要承受液体内压,在实际使用过程中常出现断裂进而导致整个管道失效。为此,介绍了HV-MLI低温管道的基本结构,建立了波纹管有限元模型,在HV-MLI低温管道输送LNG、LO_2及LN_2的不同工况下对波纹管进行了应力非线性有限元计算,分析了轴向位移载荷及内压载荷分别作用下的波纹管响应状况,并结合国家标准GB/T 12777—2008对所用波纹管进行了强度及疲劳寿命校核。结果表明:(1)波纹管满足HV-MLI低温管道使用要求;(2)输送LN_2工况时波纹管等效应力最大,波纹管波峰内表面为危险点,此时可以考虑适当降低介质输送压力;(3)轴向位移载荷引起的波纹管子午向应力远超过材料的屈服极限,是引起波纹管疲劳损坏的主要因素,在管道设计及使用时应严格控制其数值。     

钻杆接头多轴疲劳寿命

在实际钻井过程中,钻杆接头以螺纹连接处的疲劳破坏为主,导致钻井成本显著增加。现有对钻杆接头的研究主要集中于钻杆接头的静力学特性分析,少有涉及钻杆接头的疲劳破坏的研究。基于虚功原理、Von Mises屈服准则及接触非线性理论,考虑螺纹升角的影响,建立了钻杆接头的三维有限元计算模型,分析了钻杆接头的上扣特性及其在复合载荷作用下的力学特性。基于材料S-N曲线,综合考虑尺寸系数、应力集中系数、表面加工系数及表面强化系数的影响,确定了钻杆接头的弯曲疲劳S-N曲线理论模型,通过对比验证建立了满足工程要求的钻杆接头疲劳有限元计算模型。运用多轴疲劳算法,计算了钻杆接头在复合交变载荷下的疲劳寿命,分析了残余应力和表面质量对疲劳寿命的影响。研究结果表明,在上扣扭矩或复合载荷作用下,钻杆接头最大Mises应力均出现在公扣第1有效啮合螺纹牙根处;弯曲井段API钻杆接头的疲劳寿命较小,建议开发适合超深井、水平井、大位移井及大斜度井的专用钻杆接头;残余应力与表面质量对钻杆接头的疲劳寿命影响较大,在钻杆接头螺纹根部引入可控的残余压应力和改善表面质量可以大幅提高其疲劳寿命。     

管束偏心分布热交换器管板应力分析

以某管束偏心分布的热交换器管板为研究对象,应用ANSYS分析了热-机械条件下该异形管板的温度场及应力场,并根据ASME规范第Ⅷ卷第二册对结构的关键部位进行了应力分类及强度评定,为异形管板的设计和安全评定提供了可靠的依据。