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摘 要： 摘要：對于彎頭及三通等管道應力薄弱部件，ASMEB31.3規(guī)范附錄D中給列的應力增大系數(shù)(i)和柔性系數(shù)(k)存在一定的局限性，只有在沒有更加適用的數(shù)據(jù)時才采用。文章運用B31J規(guī)范對應力增大系數(shù)(i)和柔性系數(shù)(k)進行修正，并將修正前后的應力計算結果進行比較后
摘要：對于彎頭及三通等管道應力薄弱部件，ASMEB31.3規(guī)范附錄D中給列的應力增大系數(shù)(i)和柔性系數(shù)(k)存在一定的局限性，只有在沒有更加適用的數(shù)據(jù)時才采用。文章運用B31J規(guī)范對應力增大系數(shù)(i)和柔性系數(shù)(k)進行修正，并將修正前后的應力計算結果進行比較后表明采用B31J規(guī)范修正后的管道系統(tǒng)應力分析結果更加真實準確，而且還能降低工程造價。
關鍵詞：管道應力分析;B31J;FEATools
引言管道在內壓、持續(xù)外載荷和溫度等載荷的作用下，在彎頭、三通等處將產生應力集中，管道上的彎頭及三通是應力薄弱部件。彎頭及三通的應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)是計算其局部應力最重要的影響因素，因此如何獲得準確的應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)是彎頭及三通應力計算的關鍵。
1簡介
對于不同的管件，ASMEB31.3規(guī)范的附錄D給出了應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)計算的經驗公式，它們的基礎建立在歷史上著名的Markl位移-控制疲勞試驗的工作基礎上，盡管Markl和他的團隊所做的一系列有意義的疲勞試驗為一些主要的管件應力增大系數(shù)的確定奠定了基礎，但是由于管件形式和尺寸的多樣性，Markl的實驗并不全面，而且限于當時的試驗條件和手段，有些數(shù)據(jù)存在不準確的情況，例如B31.3附錄D中，三通的柔性系數(shù)均取1，不考慮三通柔性，與實際不符。
因此B31.3規(guī)范[1]明確說明附錄D中所列的應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)只有在沒有更加適用的數(shù)據(jù)時才采用。而更加適用的應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)獲得方法主要有疲勞試驗和數(shù)值分析法兩種。疲勞試驗是在Markl工作的基礎上改進試驗條件和手段對已有結果的管件進行修正以及開展Markl工作中未涉及管件的疲勞試驗。數(shù)值分析方法主要是應用計算機程序進行詳細的局部應力分析來確定應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)。疲勞試驗由于時間長、投資大顯然是不適合工程應用的。
工程上，對于非標管件，應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)一般采用數(shù)值分析方法來獲得。而對于常規(guī)的標準管件，我們迫切需要一種簡單快捷的應力增大系數(shù)和柔性系數(shù)的修正計算方法以獲得比現(xiàn)有B31.3規(guī)范附錄D中更加適用的數(shù)據(jù)，這種方法即為ASMEB31J[2](金屬管件的應力增大系數(shù)i和柔性系數(shù)k的確定)，B31J為現(xiàn)行的管道標準提供了“更適用的數(shù)據(jù)”(i、k值)，用B31.3規(guī)范進行評定的管道可以用B31J進行修正計算以獲得更為準確的應力計算結果。
大型復雜管系的應力分析計算均采用商業(yè)軟件進行。CAESARII是目前世界上應用最廣泛的管道應力分析軟件，廣泛應用于石化、化工、電力、海事、船舶、建筑、制藥等眾多行業(yè)領域，核電領域中常用于核電常規(guī)島的管道應力分析。自CAESARII2017起，其內置有PRG公司開發(fā)的FEAtools有限元分析軟件。FEATools軟件是世界上首款專門針對梁單元管道所開發(fā)的用于解決當前規(guī)范中限制的有限元分析程序。
高建林，宋光紅，章軍[4]等人運用FEATools軟件中的FEBend有限元分析模塊對B31.3規(guī)范附錄D中的彎頭應力增大系數(shù)進行修正，以保證大直徑管道系統(tǒng)整體應力分析結果的準確性。正版CAESARII用戶可以免費使用FEATools軟件所含的FEATranslation模塊將CAESARII建立的“常規(guī)”管道模型轉化成更為精確的分析模型，轉化后的管道模型中的三通及彎頭處的應力增大系數(shù)及柔性系數(shù)均采用ASMEB31J規(guī)范進行計算，從而達到優(yōu)化管道應力模型，提高計算結果準確性的目的。
2示例
管道模型由一些直管、2個閥門、6個焊接三通組成的2個并聯(lián)管路，材料為A53gradeB。運行工況(溫度、壓力)有3組，采用CAESARII2017自動推薦工況組合，共15種工況。
2.1常規(guī)模型分析結果
按照ASMEB31.3進行分析評定，其12工況EXP(二次應力)超標，最大應力點20的應力比為130%。
2.2常規(guī)模型改造后分析結果
需要增加管系柔性來降低熱膨脹應力。通常可以通過增加π型彎來增大管道柔性以解決二次應力超標的問題。其12工況EXP(二次應力)已經通過，最大應力點20的應力比已經降到31.4%，可見采用增加π型彎來增大管道柔性的效果十分明顯。但此種方法增加了彎頭管件，降低了設計的經濟性，同時管道內介質的流動阻力也會相應增加，并且π型彎的布置位置往往受到現(xiàn)場環(huán)境條件的限制。
2.3B31J優(yōu)化模型分析結果
運用CAESARII內置FEATools軟件所含的FEATranslation模塊將自動更新管道模型中所有標準三通及彎頭的分支點、約束形式以及依據(jù)B31J計算獲得的應力增大系數(shù)i以及柔性系數(shù)k，最終將CAESARII建立的“常規(guī)”管道模型轉化成更為精確的分析模型。
示例模型中，CAESARII常規(guī)模型的三通中三個管段相交于中心線交點5050處，應力增大系數(shù)也添加在此節(jié)點處，而且三通柔性系數(shù)取1(不考慮三通柔性)，此建模方法不太合理。而運用B31J自動優(yōu)化后的模型中，三通接支管處，支管與管壁的交匯處添加了節(jié)點5053、5054,兩點之間采用NODE/CNODE帶剛度連接，考慮了支管的柔性。而主管節(jié)點5050與5053兩點之間則采用剛性連接，可見運用B31J優(yōu)化后的模型更合理。
將按照B31J優(yōu)化后的CAESARII模型按照ASMEB31.3進行分析評定，其12工況EXP(二次應力)可以通過，最大應力點20的應力比為54.7%。可見按照B31J優(yōu)化后的CAESARII模型進行計算可以得到更為準確的結果，且整個管系不需增加π型彎等改造即可滿足B31.3規(guī)范要求，提高了設計的經濟性。
2.4B31J和B31.3應力增大系數(shù)i以及柔性系數(shù)k對比
運用FEATools中的SIF/SSI/K模塊可以獲得按照不同規(guī)范計算的SIF/SSI/K值。對于同種類型三通，與應力增大系數(shù)與柔性系數(shù)相關的參數(shù)，B31J遠多于B31.3，可見B31J規(guī)范對i、k值分類更加細化。且對于應力增大系數(shù)i相同參數(shù)，B31J均比B31.3小，而對于柔性系數(shù)k，B31J均比B31.3大，考慮了真實情況下的三通柔性(B31.3柔性系數(shù)均取1)，故用B31J優(yōu)化后的模型應力計算結果會比原模型的小。
3結論
按照B31J優(yōu)化后的模型進行計算避免了不精確的“常規(guī)模型”結果中可能出現(xiàn)的過于保守的高估應力現(xiàn)象，從而避免了過度設計和不必要的管道走向更改等，不僅為管道應力分析提供了更準確的結果而且提高了設計的經濟性。
參考文獻：
[1]ASMEB31.3-2014,ProcessPiping,TheAmericanSocietyofMechanicalEngineers[S].
[2]ASMEB31J-2017，StressIntensificationFactors(i-Factors),FlexibilityFactors(k-Factors)，andTheirDeterminationforMetallicPipingComponents,TheAmericanSocietyofMechanicalEngi-neers[S].
[3]FEAToolsUserManualV3.0.[4]高建林，宋光紅，章軍，等.關于彎頭應力增大系數(shù)的計算[J].化工設備與管道，2016，53(03)：81-83.
化工師評職投稿刊物：《化工設備與管道》(雙月刊)創(chuàng)刊于1964年，由全國化工設備設計技術中心站、全國化工、工藝配管設計技術中心站聯(lián)合主辦。