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疲劳设备螺柱评定有关问题的探讨(二):小规格螺柱是否需要疲劳评定?

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上篇文章中探讨了关于螺柱疲劳评定时“如何选用S-N曲线”,详见链接:疲劳设备螺柱评定有关问题的探讨(一):如何选用S-N曲线?。本文探讨的另一个话题是“对于一台疲劳设备,当大规格法兰的螺柱疲劳评定通过了,小规格法兰的螺柱是否还需要进行一一评定?” 

文献《疲劳设备螺柱评定有关问题研究》一文中,作者对此问题进行了计算分析:文中选取磅级为Class150的DN50、DN150、DN300、DN400和DN600五种公称直径的标准管法兰,对其在20℃、0~1.5Mpa的压力波动范围条件下螺柱的受力情况进行有限元计算。这五种规格的标准管法兰分别对应了五种不同的小规格螺柱,从而在验证了疲劳设备大规格螺柱的疲劳评定后,对小规格螺柱是否还需要进行疲劳评定进行研究。得出的计算结果见下表:
从上表4的对比结果可以看出:不论是通过有限元计算还是公式计算得到的交变应力强度幅都是DN600的最大。从疲劳分析的角度来讲,对相同材料及工作条件的螺柱,如果交变应力强度幅值较大的螺柱疲劳评定可以通过,那么交变应力强度幅值较小的螺柱,即小规格螺柱的疲劳评定也一定可以通过。因此可以说明在工程应用中针对同一台设备承受同样的压力波动时,可以只对较大规格的螺柱进行疲劳分析和评定,从而简化设计过程。当然对小规格螺柱仍需满足标准C.5节中提到的相关要求,即螺柱材料、螺纹形状、根径、圆角大小等几何尺寸的要求,否则其疲劳强度减弱系数会偏大导致同样条件下螺柱有发生疲劳断裂的可能。

1)文献中的观点认为:设计条件、材料等都相同的前提下,只要大规格法兰较大的螺柱疲劳评定通过了,那么小规格法兰较小的螺柱疲劳强度也一定可以通过,即对于小规格法兰的螺柱就不用再一一进行计算和疲劳评定了,以简化设计过程。事实是否如文中作者所述的呢?从文中的分析计算的数据来看,好像确实如此,但文中作者用于验证的数据太少了,不足以证明其是一个普遍的规律,似乎有点以偏概全了。

2)事实上:我们在做疲劳设备螺柱疲劳评定的时候,会发现有小规格法兰螺柱的交变应力强度幅是大于大规格法兰螺柱的,如下表所示:DN200管法兰螺柱为12M24,,交变应力幅为12.374Mpa,而DN250管法兰螺柱为16M27,交变应力幅为10.466Mpa。可明显看出,小规格螺柱的交变应力幅却是大于大规格螺柱的。

3)综上:文献中关于大规格螺柱疲劳评定能通过,则小规格螺柱疲劳评定一定能通过的观点是有失偏颇的,在某些情况下可能具有适用性,但并非具有普遍适用的绝对规律性。关于交变应力幅的计算涉及到很多变量,如操作压力、垫片压紧力作用中心圆直径、螺柱数量、螺柱根颈等,并不能单一的以螺柱的大小来判断其规律性。

4)虽然上述不具备绝对的规律性,但可以得到一个用于判断的经验:对于低周疲劳设备,当计算一个大规格法兰的较大螺柱且疲劳评定时其操作循环次数远小于许用循环次数,即余量很大,则其余规格法兰的螺柱则不需要进行一一计算便可直接判断出所有规格螺柱的疲劳评定必然能通过。对于高周疲劳设备,当操作循环次数与许用循环次数余量很小(即接近时),则不能直接判断,还是需要对各种规格的螺柱进行一一评定。可能会出现,大螺柱交变应力幅低且疲劳评定通过,而小螺柱交变应力幅却高而出现操作循环次数大于许用循环次数,疲劳评定不通过的情况。

本文内容由笔者学习整理发布,文中内容仅代表论文作者和笔者的一些个人观点,仅供学习、交流、探讨用。

来源:ANSYS分析设计人
疲劳断裂材料ANSYS
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首次发布时间:2023-08-26
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ANSYS分析设计人
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