管应力范围是否正确计算? [用pdf]

客观的

如果没有正确考虑管道支持摩擦,请解释为什么管子应力范围计算可能无法正确。压力范围计算中潜在误差的大小取决于管道布局的几何形状,所使用的支撑件的类型和摩擦系数。压力范围内潜在误差的边缘可能足够大,以使管应力分析无效。

大多数管道应力软件没有给出下面讨论的潜在误差的任何警告。

管应力分析的根本假设

压力范围的计算是每个管道应力分析的基础。 计算应力范围的值对于评估可能导致管道系统中的部件的疲劳失效的循环载荷是必要的。

循环加载是重复的应用和去除温度,位移,压力或任何其他机械负载。负载周期由两半组成。 

  • i)            “Loading”.  e.g. 从“冷”到“热”(或“卸载”到“装载”)
  • II)            “Unloading”.  从“热”到“冷”(或“加载”到“卸载”)。

负载周期的基本和隐式定义是每个负载周期必须在同一点和应力状态下开始和结束。 如果它在同一点和应力状态下不开始和结束,则一个特定的加载和卸载序列不是一个循环。 

“冷”到“热”之间的压力差异 这与“热”不等于和相反 “冷”不是压力范围。 如果压力差异不是压力范围,那么它无效地用于疲劳和设计代码计算。

压力范围的设计代码要求

ASME B31.3 2018第319.2.3节第319.2.3位排量应力范围子部分(b)州 

              “虽然由于屈服或蠕变而导致的位移菌株导致的应力减小,但极端位移条件的菌株与原始(安装)条件(或具有更大差动效果的任何预期条件)之间的代数差保持在任何内容一个操作周期。 菌株的这种差异产生相应的应力差,位移应力范围,其用作管道设计的标准,用于柔韧性“。

319.2.3的关键短语有时不考虑在管道应力计算中是“(或者 any anticipated 具有更大差异效果的条件)“。

计算的压力范围

大多数管道应力分析软件从“安装位置”计算到第一个“热位置”(或“加载位置”)的应力差。

从“AS安装位置”开始的典型负载箱将是

装载案例描述注释
L1W + P1 + T1(重量+压力+温度)在操作条件下应力和持续加载。  i.e.  第一个“热位置”(或“装载位置”)。
L2W + P1(重量+压力)压力和持续加载在“竣工位置”。 
L3L1 - L2 =(W + P1 + T1) - (W + P1)= T1温度变化引起的应力差异T1在“安装位置”和“热位置”之间。

如果满足两个条件,则应力差分L3只能用作特定负载序列的疲劳计算的应力范围。

条件1这 stress-difference 在“安装位置”和“热位置”之间。 必须平等和相反这 stress-difference between the “hot-position” and “cold-state position”.
条件2 基于同一负载的所有后续循环 必须开始和结束 在与第一个周期相同的点。  [See Fig. 1].  

所以, the “cold-state position” 必须是一样的 这 “as-installed‑position”.  The pipe system 必须返回它 拆除负载后“AS安装位置”。

             上半部是加载和卸载序列 不是 如果应力差不等于相同顺序负载的所有后续循环的应力范围。
[看 Fig. 2]. 

             为该讨论定义了“冷态位置”作为管道在去除与所考虑的负载序列相关的热或机械载荷之后返回的点。

             “热位置”意味着与  “loaded-position”.

             “冷态位置”表示与“卸载位置”相同。             

系统返回其时的压力范围
图1:系统返回其“安装位置”时的应力范围
系统不会返回的压力范围
图2:系统不会返回其“安装位置”时的应力范围。 (管道支撑摩擦在此示例中创造了一个小的压力逆转)

核对摩擦在压力范围计算中的不利影响

 如上所述,基于应力范围计算的管道应力分析仅是校正,如果管道在每个装载和卸载序列结束时返回其“如安装位置”。

基于“AS安装位置”的压力范围仅在实际系统中只能正确:

  • a)          管道系统支撑在吊杆上。  i.e. 管道自然会“摆动”到它的“安装” position.
  • b)          管道系统在固定(锚点)点之间没有中间支撑。

涉及摩擦的任何滑动支撑都将防止管道返回其“安装” “按一定金额”。 

确保基于“AS安装位置”的压力范围计算的唯一方法对于设计来说是合理的有效性,以确保管道完全控制。 

必须设计管道支架以确保管道系统始终返回“近” 足够的“其”其“安装位置”以确保错误是可接受的限制。  For example, 通过使用低摩擦滑动支撑等使用吊架或排队,使用吊架等。  

管道应力软件

大多数管道应力分析应用程序的默认负载箱计算从“安装”的压力范围 位置“到”第一个 hot-position”. 如果用户不知道摩擦对压力范围的影响,结果可能存在错误。 

一些管应力应用可以计算装载和卸载半循环的应力差。  For example, 通过/启动 - 教授 

附加功能使用户能够确定卸载半周期是否为B31.3 319.2.3 预期 具有更大差异效果的条件“。

例子

描述:

 下面简化示例管道系统的目的是展示摩擦对上面讨论的计算的应力差的影响。 考虑使用相同的几何体进行两种情况。

  • i)           高摩擦 - 管道支撑摩擦系数= 0.3
  • II)           低摩擦 - 管道支撑摩擦系数= 0.1

每种情况都考虑了摩擦力阻止管道在第一个“冷却”(卸载)之后返回其“安装位置”的效果。每种情况都包括加载案例,以比较压力差异:

  • a)          “加热”(装载)从“安装位置”到第一个“热位置”。
  • b)          从第一个“热位置”到“冷态位置”的“冷却”(卸载)。

此示例假定管道系统在第一个方面继续循环 第一个负载周期结束时的“热位置”和“冷态位置”。 [See Fig. 2 and Fig. 4].

“静态”的效果尚未考虑。 然而,注意到“沉默”将夸大这里讨论的摩擦的影响。

示例系统几何图形
图3:示例系统几何形状

管道90 mm od,6 mm壁,e = 202713 mpa,n = 0.292, 密度= 7833.413 kg / m3,g = 9.807 m / s2

充满水(1000 kg / m3)(仅用于此示例的任意数值)。

节点描述
10
15休息支持,摩擦
25休息支持,摩擦
30RY旋转束缚表示腿10-30和30-40位移DZ 100mm“热”,0mm位移“冷”的相互旋转束缚。
30 - 40表示管道的直线部分。 30 - 40的膨胀将导致30在Z方向上扩展100mm。 (为了简化计算,忽略10至30的轴向膨胀)
示例系统受偏转和摩擦
图4:受偏转和摩擦的示例系统

表1结果(手动计算)摩擦系数= 0.1 [见 Figure 4]

载荷盒/负载单元10节点15.节点25.节点30.
LC1 W + D1 + F1“热位置”偏转DZ毫米034.791.6100
LC2 W(持续)支持负载FYN418849756
LC3 W + D2 + F2“冷态邮政”偏转DZ毫米0310
F1抗摩擦力抵抗“加热” m = 0.1 x自重z方向,添加为模拟摩擦的力。N-85-76
F2摩擦力抵抗“冷却”M = 0.1×自重Z方向,添加为模拟摩擦的力。N8576
LC4. = L1 – L2 (“Hot Position” minus “As-installed” position)MPA.33.110.526.645.1
LC5 = L1 - L3(“热位置”减去“冷态”位置)MPA.27.814.626.751.8
LC3 - LC2(“冷态”位置中的“残余应力”)MPA.5.3-4.1-0.1-6.7
LC5 - LC4在“压力范围”中的错误基于“安装”位置MPA.5.3(-16%)3.9(44%)0.1(0%)6.7(15%)
D1 =节点30 = DZ偏转= 100 mm,D2 =节点30 = DZ偏转= 0 mm

表2结果(手动计算)摩擦系数= 0.3 [见 Figure 4]

载荷盒/负载单元节点10.节点15.节点25.节点30.
LC1 W + D1 + F1“热位置”偏转DZ毫米028.889.7100
LC2 W(持续)支持负载FYN418849756
LC3 W + D2 + F2“冷态邮政”偏转DZ毫米08.92.90
F1抗摩擦力抵抗“加热” m = 0.3 x自重z方向,添加为模拟摩擦的力。N-255-227
F2摩擦力抵抗“冷却”M = 0.3×自重Z方向,添加为模拟摩擦的力。N255227
LC4. = L1 – L2 (“Hot Position” minus “As-installed” position)MPA.22.518.726.058.5
LC5 = L1 - L3(“热位置”减去“冷态”位置)MPA.6.63126.478.5
LC3 - LC2(“冷态”位置中的“残余应力”)MPA.15.9-12.3-0.4-20.0
LC5 - LC4在“压力范围”中的错误基于“安装”位置MPA.15.9
(-71%)
12.3(66%)0.4(1%)20(34%)
D1 =节点30 = DZ偏转= 100 mm,D2 =节点30 = DZ偏转= 0 mm

表3结果(通过/开始 - 教授)摩擦系数= 0.1 [参见 Figure 4]

载荷盒/负载单元节点10.节点15.节点25.节点30.
LC1 W + D1 + F1“热位置”偏转DZ毫米034.791.6100
LC2 W(持续)支持负载FYN420847754
LC3 W + D2 + F2“冷态邮政”偏转DZ毫米0310
摩擦力F1抵抗“升温” m = 0.1 x自重z方向,添加为模拟摩擦的力。N-84-76
摩擦力F2抵抗“冷却”M = 0.1×自身重Z方向,添加为模拟摩擦的力。N8476
LC4. = L1 – L2 (“Hot Position” minus “As-installed” position)MPA.32.910.425.644.9
LC5 = L1 - L3(“热位置”减去“冷态”位置)MPA.27.614.525.751.5
LC5 - 基于“安装”的“压力范围”错误 positionMPA.5.3(-16%)14.5(39%)0.1(0.031%6.7(15%)

表4结果(通过/开始 - 教授)摩擦系数= 0.3 [参见 Figure 4]

载荷盒/负载单元节点  10节点15.节点25.节点30.
LC1 W + D1 + F1“热位置”偏转DZ毫米028.889.7100
LC2 W(持续)支持负载FYN420847754
LC3 W + D2 + F2“冷态”发件偏转DZ毫米08.92.90
摩擦力F1抵抗“升温” M = 0.3 Z方向,添加为模拟摩擦的力。N-252-225
摩擦力F2抵抗“冷却”m = 0.3 z方向,添加为模拟摩擦的力。N  253227
LC4. = L1 – L2 (“Hot Position” minus “As-installed” position)MPA.22.418.525.958
LC5 = L1 - L3(“热位置”减去“冷态”位置)MPA.6.630.726.378
LC5 - 基于“安装”的“压力范围”错误 positionMPA.15.8(-70%)12.2(66%)0.4(1%)20(34%)

讨论结果

表1 - 支持摩擦m = 0.1

             表1列出了用管道支撑摩擦载荷循环的偏转和压力差异 = 0.1.

  • i)           “安装在”热位置“。 (Load case LC4).  i.e.  Warm-up (loading).
  • II)           “冷静的热门位置”。 (Load case LC5). 即冷却(卸载)。

使用Mathcad的经典光束公式计算结果。 (An identical Autodesk Nastran梁元素模型在相同的结果附近)。

预热载荷盒LC4的应力差异小于冷却载壳LC5的应力差。 (节点10除外)。 Therefore, LC4 如上所述,不能用作最大系统“压力范围”的基础。 [见图2]。 

如果系统继续在“热位置”和“冷态”之间循环循环 位置“,然后将负载案例LC5定义为压力范围。  [See Fig. 2].  i.e.  A maximum 压力范围为51.8 mpa。 (比45%高15% MPa calculated for load “安装位置”和“热位置”之间的周期。

             注意,通过摩擦减少了节点10的LC5应力差。  The 由于讨论的原因,LC4的节点10的较高应力差不是应力范围。 但是,通常,LC4仍将作为单个应用程序进行检查。

表2 - 支持摩擦m = 0.3

表2结果与上面讨论的表1相同,但对于m = 0.3。 

同样,如果可以假设管道在冷却到“冷态”后返回“热位置” 位置“,然后装载案例LC5将是压力范围。 [See Figure 2].  i.e.  A maximum 压力范围为78.5 mpa。 (计算负载的34%高于58.5 MPa “安装位置”和“热位置”之间的周期。

Pass / Start-Prof管道应力分析软件(用于比较)

表3和表4分别示出了相当于表1和表2的通行证/启动结果。通过/启动 - PROF结果显示与手动计算和通用FE光束分析的紧密相关性(Autodesk Nastran 2021)。 

概括

  • 用于疲劳分析的应力范围要求对预热的压力差异 (加载)与冷却/卸载相同。 In other words, the 如果与后续负载循环的应力差异不同,则从“安装位置”的热压/加载的应力 - 差异不是压力范围。
  • 如果可以保证管道系统可以保证在冷却(卸载)期间,预热(装载位置)的压力差仅作为压力范围有效,因为可以保证在冷却(卸载)期间返回相同的位置随后的负载周期。
  •  本讨论使用简单的示例来证明基于的管道应力范围计算 “as‑installed 如果摩擦防止管道返回到冷却/卸载后,位置“可以显着误差。
  •  误差的幅度取决于摩擦系数,管道布局和所使用的管道支架的类型。 使用引导件,线路停止等控制管道运动方法对任何潜在误差的大小具有显着影响。
  •  当导轨或其他管道支撑控制移动时,必须小心拍摄,以减少计算出的位移应力和从“安装”的负载 position”.  For 示例,从滑动支撑件中移除引导件以减少由地震锚运动导致的计算过应力。
  •  管道应力理论和管道设计代码都要求最繁重的压力范围用于评估管道系统的疲劳寿命,以便在其设计寿命上进行安全操作。

B31.3 2018第319.2.3节州“虽然由于屈服或蠕变而导致的位移菌株导致的应力减小,但极端位移条件的菌株与原始(安装)条件(或具有更大差动效果的任何预期条件)之间的代数差保持在任何内容一个操作周期。 菌株的这种差异产生相应的应力差,位移应力范围,其用作管道设计的标准,用于柔韧性“。

在作者的经验中,B31.3 319.2.3有时被解释为仅意味着“这 极端位移条件和原始(安装)条件“。

但是,B31.3实际上是“在任何一个操作循环期间,极端位移条件和原始(安装)条件(或具有更大差动效果的任何预期条件的任何预期条件)之间的代数差异保持基本恒定“。

 上面简单的例子表明,未能考虑这句话 “(或者 any anticipated 具有更大差异效果的条件)“在B31.3 319.2.3中可以导致截然不同和可能不准确的计算结果。

**未来部分“管道应力范围正确计算?”将讨论计算出的压力范围如何受到植物寿命的实际变化的影响。 例如,如果一个管道支持超过另一个管道锈蚀,则应力计算的有效性会发生什么?

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安德鲁替康

作者,安德鲁克德尔是英国的机械工程师,具有管道,管道应力,有限元分析和CAD的特殊兴趣。 1978年,他毕业于机械工程中的BSC。管道压力的兴趣开始于1982年与PSA5开始。他于1986年以来,他曾担任英国许多公司的合同管道压力工程师。

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