绕管式换热器管板的有限元应力分析和评定！

新版分析设计标准在疲劳分析和评定部分参照ASMEⅧ-2标准作了一些基于国内材料和符合国内实际工程应用的改动和调整。以下是笔者学习新标准总结的主要三大变化以及一点个人理解。主要变化1：疲劳评定免除准则相比JB4732—1995（2005年确认），新标准在疲劳评定免除准则的内容排布和表述上有较大改动。同时为便于工程应用，对疲劳分析免除条件进行了适当补充和修改，主要改动内容如下：（1）老标准中免除疲劳分析对材料抗拉强度的限制条件是“钢材的常温抗拉强度Rm≤550MPa”，而新标准中则将这一数值调整为“标准抗拉强度下限值Rm≤540MPa”，如下图对比所示：（2）老标准对于疲劳免除的判断准则，对疲劳设备循环载荷的总循环次数未做要求也未细分区别，如下图所示：老标准中无论载荷总循环次数是多少，只要：启动与停车次数+超过设计压力20%的工作压力波动循环次数+金属温差波动的有效次数+热膨胀系数不同导致的温度波动循环次数＜1000次，则可免除疲劳分析。而新标准给出了两种进行疲劳分析免除的判断准则。其中准则一与老标准的3.10.2.1节的免除准则原理是相同的，但又有三大不同点。【区别一】按载荷的总循环次数将免除准则细分为三段，分别为：循环次数不超过105、循环次数大于105但不超过106、循环次数大于106但不超过107，并对此三段分别给出了各自的疲劳免除的判断准则。其中，对于启动与停车次数的判定，金属温差波动的有效次数的判定，热膨胀系数不同导致的温度波动循环次数的判定与老标准是一样的，不同的是对于超过设计压力的工作压力波动循环次数的判定方法做了更为精细的划分和区别要求：a）当总循环次数N≤105时：对于整体结构，压力波动范围按超过20%设计压力的工作压力循环来确定循环次数；对于非整体结构，确定压力波动范围按超过15%设计压力的工作压力循环来确定循环次数；b）当总循环次数105＜N≤106时：对于整体结构，压力波动范围按超过12.5%设计压力的工作压力循环来确定循环次数；对于非整体结构，确定压力波动范围按超过9%设计压力的工作压力循环来确定循环次数；c）当总循环次数N＞106时：对于整体结构，压力波动范围按超过11%设计压力的工作压力循环来确定循环次数；对于非整体结构，确定压力波动范围按超过8%设计压力的工作压力循环来确定循环次数；d）当循环次数>107时：如果扣除其中压力波动范围不超过6%设计压力后的压力波动循环次数≤107，则亦可按标准中的两种准则进行疲劳免除的判定。由上述规定可知：总的循环次数越多，对于压力载荷波动的范围限制越严。但是，对于压力容器来说，压力载荷波动的循环次数大多数情况下是小于105次的低周疲劳工况，故对于大多数疲劳设备，是符合上述a）的条件的，此时对于压力波动次数的确定其实回归于与老标准的要求一致了。只有对于同时存在多个显著载荷循环或应力循环的高周疲劳设备，才会用到b）~d）条去判定，当然随着石油化工设备工况的复杂化，这种存在多个应力循环的高周疲劳设备也越来越多了，这时候就需要判断有多少个应力循环，每个应力循环的循环次数是多少，总的应力循环次数是多少等来进一步判定了，以下是笔者画的一个简单的流程图供直观的了解：【区别二】对于免除准则中次数的限制多了一条要求，将封头过渡区的连接件和接管单独划分出来并给予不同的次数限制，如下图所示：老标准中是没有这条区分要求的，相较而言，新标准中的这条要求显然是变得更苛刻了，如果疲劳设备中在封头过渡区开有接管，那就要分别判定了。以a）条的整体结构为例，比如一台疲劳设备，若压力波动范围超过设计压力20%的循环次数为500次，且在封头过渡区有接管，那么按上述循环次数免除准则，封头过渡区及其上的接管是不能免除疲劳分析的，而其余部位则是可以免除疲劳分析的。如果仅仅因为过渡区不能免除疲劳分析而将设备整体有限元建模进行疲劳分析和评定的话，必然是大大增加了工作量，感觉不可取。笔者的一个思路是：是否只需要对封头过渡区及接管有限元建模进行疲劳分析和评定，而其余部位则不需要建模分析，不知是否可行。【区别三】新标准中疲劳免除准则二与老标准相比，有很大的不同和改动，但准则二与老标准3.10.2.2有一个共同点就是不直观、不实用，不利于设计人员的操作和判断。新标准执行后，准则二几乎不会用到，本文就不再赘述了。主要变化2：交变应力幅的计算及疲劳评定新的分析设计标准采用的是第四强度理论，相应的应力的表述由“应力强度”变为“当量应力”，总应力范围的当量应力及交变当量应力幅计算分别如下图式6.21和6.22所示。其实，ASMEⅧ-2中关于总应力范围的当量应力及交变当量应力幅计算提供了两种方法，其中第一种方法考虑了温度应力，实现起来相较于第二种方法更繁琐，而第二种方法可避免单独计算温度引起的当量应力范围以及泊松比修正系数，将温度应力计及在疲劳损失系数中考虑，是一种更为简化的方法。因此，我国新分析设计标准只引入了ASMEⅧ-2中更易于操作和实现的第二种方法，即下图的式6.21和6.22。交变当量应力幅的计算公式中明确了两个参数：疲劳强度减弱系数Kf和疲劳损失系数Ke,k。新标准中明确给出了对接接头/斜角接头、角接接头、填角焊缝在不同机加工和无损检测条件下的推荐疲劳强度减弱系数，疲劳损失系数在新标准中也给出了明确的计算公式，弥补了老标准的缺失，此前存在的部分争议也可因新标准的明确规定而得到解决。下图为疲劳强度减弱系数的选取表格，关于疲劳损失系数的计算就不在列出来了，可等新标准正式发布后查看或先看征求意见稿。主要变化3：设计疲劳曲线的扩展新标准对于设计疲劳曲线作了扩展：（1）老标准中关于碳素钢、低合金钢设计疲劳曲线只有106次方，而新标准扩展到了107次方，为越来越多的超过106次方的高周疲劳设备的评定提供了设计曲线和依据，如下图所示：（2）奥氏体不锈钢的设计疲劳曲线在老标准中是分别给出了10到106次方、106到1011次方两条设计疲劳曲线，并给予了不同的适用条件和使用准则，而新标准中已经融合成了一条曲线；（3）关于高强度钢螺柱的设计疲劳曲线，新标准则是拆分为最大名义应力≤2.7Smt和最大名义应力＞2.7Smt两条曲线；（4）新标准中明确给出了对应于设计疲劳曲线的计算公式，给设计人员提供了一种可通过公式直接计算许用循环次数的方法；（5）另外，新标准了增加了用于疲劳评定的载荷直方图拟定和循环次数计算方法；其中循环次数的计算提供了两种方法，分别是：最大-最小循环计数法的循环计数和雨流法的循环计数。除过以上列出的主要变化之外，还有很多其它的细节方面的改动、调整和变化，笔者就不再一一赘述了，新标准发布之后，大家自行做对比便一目了然了。本文中的内容部分为笔者个人的理解，限于笔者的专业水平和文笔水平有限，文中有表述不清楚的或不当之处还请不吝批评指正！来源：ANSYS分析设计人