关于一次应力的余量加到二次应力计算中的讨论

第５４卷第２期化工设薯与一遁Ｖ０１．５４Ｎｏ．２２０１７年４月ＰＲＯＣＥＳＳＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＰＩＰＩＮＧＡｐｒ．２０１７关于一次应力的余量加到二次应力计算中的讨论李家栋（南京扬子石油化工设计工程有限责任公司，南京２１００４８）摘要：对ＡＳＭＥＢ３１．１另Ｊ，．Ｂ３１．３中关于一次应力的余量可以加到二次应力的计算中这一规定进行了详细的讨论及阐述，并考察了在ＣＡＥＳＡＲＩＩ中激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”选项对于二次应力计算结果的影响。从结果可知，＂－３该选项被激活时，．－ｊ－以有效解决二次应力超出许用应力范围的情况。关键词：ＣＡＥＳＡＲＩＩ；一次应力；二次应力；“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ’’中图分类号：ＴＱ０５５．８；ＴＨ１２３文献标识码：Ａ文章编号：１００９—３２８１（２０１７）０２．００８３—００４在进行乙烯、ＬＮＧ等极端低温介质存储站场的“ＡＳＭＥＢ３１压力管道规范”中所使用的术语。在设计时，应力计算的重要性愈发明显。采用应力计ＣＡＥＳＡＲＩＩ中使用该方式来阐述在ＡＳＭＥＢ３１．１和算软件如ＣＡＥＳＡＲＩＩ进行相关管道的应力计算已是ＡＳＭＥＢ３１．３中关于热（位移）许用应力范围增加的较为普遍采用的方法［１－２］ｏＣＡＥＳＡＲＩＩ是以材料力学、描述。在这些段落中，ＡＳＭＥＢ３１允许将瓯与Ｓ，之结构力学、弹塑性力学、有限元、管道应力分析与计间的差值，加入到计算最大许用位移应力范围——瓯算等为基础，进行管道系统设计和分析，是国际公认的公式中的第二项“０．２５Ｓ”中。的管道应力分析软件【３］。对ＣＡＥＳＡＲＩＩ而言，通常＆的计算公式为：是按照规范进行相关的运用及计算［４－７］。文＿－ｆ［１．２５＆＋０．２５瓯＋（鼠一＆）］对于ＬＮＧ等极端低温工况的管道，在采用式中文——最大许用位移应力范围；ＣＡＥＳＡＲＩＩ进行设计的过程中，由于极端温度产生Ｓ——分析的位移循环期间，预计最高金属温的热胀冷缩所造成的管道位移量，通常要远大于常规度下的基本许用应力；装置管道的位移量，极易造成二次应力超出许用应力Ｓ。——由于压力、重量和其他持续载荷产生的范围的问题。笔者根据自己在多个液化天然气项目径向应力；的应力计算过程中的实际经验，对ＣＡＥＳＡＲＩＩ计算品——分析的位移循环期问，预计最低金属过程中发生的二次应力的超标问题提供了一种解决温度下的基本许用应力；办法：通过激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”选项，产一应力范围减小系数。可以在很多情况下解决这一问题。下面就该方法的理ＡＳＭＥＢ３１的相关规范中提到，它可以添加到论及使用情况进行详细的阐述。０．２５Ｓ项中，所以也就是说“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓ１相关理论ｒａｎｇｅ”为一个可选项。但如果分析人员不选择该选项，那么该计算得到的结果则将是偏于保守的。ＡＳＭＥＢ３１．１【４１和Ｂ３１．３ｔ５１中，对许用膨胀应力基于该规范中这一规则的理解，Ｓｐｉｅｌｖｏｇｌｅ［９１对范围的计算进行了规定，即允许将一次应力的余量加ＡＳＭＥＢ３１规范中对于分析人员能够使用的从操作温入到二次应力的计算中，在唐永进的著作中对此也有度下的材料的屈服强度到环境温度下的材料的屈服提及［８］。而ＣＡＥＳＡＲＩＩ中设置了一个针对该段规定强度（更低的安全系数）的整个应力范围进行了详细的选项，即“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”。所以对于该设置的使用，有必要进行讨论及阐述。收稿日期：２０１６．０６。１３作者简介：李家栋（１９８３一），男，江苏南京人，研究生。主要从首先，“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”并不是事ＬＮＧ配管及应力计算方面的工作。Ｉ匕工设备与管谭第５４卷第２期的阐述。由于Ｓｈ（忽略蠕变的可能性）无论在操作以及安装工况下均设定为２／３鼠（＆：屈服强度），因此可以计算出操作工况下的屈服应力是１．５品，安装工况下的屈服应力是１．５爵。因此将重量（弯曲）、径向压力（张力）和热膨胀（位移）这些载荷组合之后就可以得到总的许用应力范围为：１．５（＆＋Ｓ）。在ＡＳＭＥＢ３激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”选项，如图２所示。然后运行模型。１中该计算公式引入了应力范围减小系数ｆ以满足由于管道材料以及实际过程中存在的诸多的不确定性。而ＡＳＭＥＢ３１也允许使用公式１．２５（＆＋＆）用于描述前面述及的载荷组合的总的允许应力范围（当增加安全系数后）。但ＡＳＭＥＢ３１中对于由重量引起的持续载荷，使用１．０鼠，因此对于允许的热膨胀（位移）应力范围则为Ｉ．２５￡＋０．２５鼠。因为ＡＳＭＥＢ３１拟使用材料的全部强度（从操作工况下的屈服强度到安装工况下的屈服强度），而它遵循上述段落中阐述的规则。该规则允许分析师把未使用的部分（计算的持续径向应力和许用应力１．０瓯之间的差值）用以增加允许的热膨胀（位移）应力范围。但是在对整个系统进行应力分析时超出安装工况下的这部分许用应力，其对整个系统而言，不同的地方其值并不是一样的，并且这部分的差异将直接反映出系统是否得到了很好的支撑及约束（弯曲应力的影响将更大）。而当“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓ’。图１应力计算模型Ｆｉｇ．１ＴｈｅｓｔｒｅｓｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅＮ２“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”选项ｓｔ］‘ｅＳＳＦｉｇ２Ｔｈｅｏｐｔｉｏｎｏｆ“ｌｉｂｒａ’ａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｒａｎｇｅｒａｎｇｅ”计算结果如图３、４所示。由图中可知，热膨胀工况中Ｌ８２、Ｌ８７、Ｌ９０均出现应力超标的问题。而超标的节点显示为撑２１０。此处是该管系的一处弯头，也说明弯头处为应力薄弱点，易发生应力集中现象导致应力超标。而从结果来看，此处的应力超标值并不太大，约超过许用应力值６％，因此，考虑采用激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓ这一选项被激活时，在查看应力计算结果时就可以发现，对于模型的不同的节点而言，超出安装工况的许用应力值的不同将导致许用应力范围——＆的不同。此外，对于ＣＡＥＳＡＲＩＩ而言只有当工况设置里至少有一个持续应力工况存在的情况下，才能激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”。如果一个系统中出现ｒａｎｇｅ”的方法来解决该问题。超过一个以上的持续应力工况，那么对于所有的持续应力工况而言将采用最大的Ｓ值，而对于任意一个原件都将采用鼠减去该最大的乱值。因为持续应力从一个管系到另一个管系是不同的，所以许用膨胀应力也将不同。下面将通过一个实例来说明“ｌｉｂｅｒａｌｓｔｒｅｓｓａｌｌｏｗａｂｌｅｒａｎｇｅ”激活前后，应力分析结果的差异。２计算实例首先，建立一个模型，完成的模型如图１所示。然后在“ＳｐｅｃｉａｌＥｘｅｃｕｔｉｏｎ图３应力计算结果Ｆｉｇ．３ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”的设置中，不李家栋．关于一；欠应力的余量加到二次应力计算中的讨论▲＼图４最高应力节点图Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｎｏｄｅｏｆｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓ重新进入模型，在“ＳｐｅｃｉａｌＥｘｅｃｕｔｉｏｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓ”的设置中，激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”选项，如图５所示。然后再次运行程序。计算结果见图６。由图中可以看出，通过激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”这一设置，该处应力未再出现超标的问题。而通过对比图６与前文中图３的计算结果也可以发现，该选项被激活后，“ＡｌｌｏｗａｂｌｅＳｔｒｅｓｓ”中的值变大，但对于不同的节点而言，该值是不同的。这也印证了前文中述及的观点。但是这里必须强调的是，如果设计师在计算过程中发现应力值超出许用应力值范围很多时，采用此法是无法解决二次应力超标的问题。此时应考虑通过调整管道的走向或增加管系的柔性来解决此问题。３注意事项尽管前文述及采用激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”的方式可以有效解决二次应力超出许用应力范围的问题，但是对于该选项的使用还是应保持审慎ｓ㈣ⅢＥ＊～ｉ々ｎｐｍ…÷■■ＭＦⅧ＊“ＥｑＭⅫｄｒａｎｔｘⅧⅢＨ¨ｔ¨Ｉｋ自｝№∞＃ＭＡ¨“ＰｍＲ∞№ＢＩ赫Ｅ吲鲥ｃ砷ｔ・ｈ州ｔｃ目■晰＊■・Ｔｈｍ＿ｅ—Ｄ咖ｈｗ－＿畔Ｄ唧ｔａｂ・ａｌｓｏ即“＿岫ｂＩｈｌｌ＿＇岫Ｉ，…ｎＧ４ｌ，～№＿．㈣ｍｅｍ‰ｍ∞㈣ｍＰｃ州ｄｆ恼叫ｅ＿＊啪ｎｌｍｏ．０ｍｌｌｈ删’ａ瑚ｍＭ㈨《Ｍｄ＾ｄ口Ⅻｍ¨－＿ｅＴ”３Ｚ…图５“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”选项Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｏｐｔｉｏｎｏｆ“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ’’：：：｛６．２：－一：ｔ．∞：：：：：ｒ＊ｊ＊＂：；Ｒｊ｛：．！：：÷∞ｔ－：Ｇ：｝Ｈ二ｊ＝｛：．‘：￡：．’３二÷．÷＊二ｊ：＝：＊¨‘《ｊ．：￡ｉ缃．Ｈ一’￡：ｊ‘≤：ｚｓ＊二ｓ：”：．｝Ｂ｝．”｛：＊ｊ÷“：：÷．Ｈ３．§．＊ｔ：：ｉ１３：！ｉ２Ｉ：：ｓ三：・ｓ”ｊ：Ｋ：Ｅ¨：：！Ｈ３：；＊Ｈ￡１５二．ｓ：：：ｊ：：’｛Ｓ，Ｘｊ：！：：Ｅ＊ｉ：，：：Ｋ：：‘‘ＥＥｊ３：３图６应力计算结果Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ的态度。何时采用陔选项，这是一个１：程ｆ：的判断。例如，如果持续的应力计算结果已到达８０％或９０％的许用应力，并且系统将在材料蠕变范围内运行，这时设计者在评估二次应力范围时，则可能希望采用保守的方案而选择不激活选项“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”。另一种情况也可以作为参考，就是当系统处于剧烈循环的运行状态（参见Ｂ３１．３段３００．２中的定义）并且设计师想要采用更长的疲劳寿命时，将不会考虑激活该选项。如果系统在Ｂ３１＿３第３０２．２．４节或在Ｂ３１．１第１０２．２．４节中所描述的压力／温度变化范围内运行时，设计者或业主也可能会考虑采用保守的设计方案，而不考虑激活“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”。４结论本文对ＡＳＭＥＢ３１．１和Ｂ３１．３中关于一次应力的余量可以加到二次应力计算中的这一规定进行了详细的阐述，并用实例说明了在ＣＡＥＳＡＲＩＩ计算中，关于“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”的设置对计算结果的影响。从结果可知，当“ｌｉｂｅｒａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｒａｎｇｅ”被激活时，可以解决二次应力超出许用应力范围的情况。参考文献［１］孙明烨，刘燕，陈敏，等．ＬＮＧ管道应力计算与分析［Ｊ］煤气与热力，２００８，２８（１２）：１７．１９．［２］邢一东，毛炜，杜江，等．ＣＡＥＳＡＲＩＩ软件在汽轮机蒸汽管道布置中的应用【Ｊ］．化工设备与管道，２０１３，５０（３）：７８．８１．［３］宋岢岢．压力管道设计及工程实例［Ｍ】．北京：化学工业出版社，２００５．３５—５５．［４］ＡＳＭＥＢ３１．１—２０１２，ＰｏｗｅｒＰｉｐｉｎｇ［Ｓ］．［５］ＡＳＭＥＢ３１．３—２０１２，ＰｒｏｃｅｓｓＰｉｐｉｎｇ［Ｓ］．．８６．化工设誓与誓遵第５４卷第２期［６］［７］［８］ＧＢ５０３１６－－２０００（２００８），工业金属管道设计规范［ｓ］．３０４１－－２０１６，石油化工管道柔性设计规范【Ｓ】．［９］２０１０．５７—６４．ＳＨ／ＴＳ．Ｗ．Ｓｐｉｅｌｖｏｇｅｌ．ＰｉｐｉｎｇＳｔｒｅｓｓＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄ［Ｍ】唐永进．压力管道应力分析【Ｍ］．北京：中国石化出版社，ＮｅｗＹｏｒｋ：ＬａｋｅＳｕｃｃｅｓｓ，１９６１，２—６．ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆＣａｌｃｕｌａｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄＵｓｉｎｇＳｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＰｒｉｍａｒｙＳｔｒｅｓｓｔｏＳｅｃｏｎｄａｒｙＳｔｒｅｓｓＬＩＪｉａｄｏｎｇ（ＮａｎｊｉｎｇＹａｎｇｚｉＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｄｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｍｐａｎｙＬｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４８．Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ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