对ASME B31.3工艺管道中关于柔性分析的理解

　　1问题的提出

　　管道和压力容器在设计原理上既有共通之处,也因为各自的特点而各不相同。按ASME B31.3[1]工艺管道进行管道应力的柔性分析过程中,对其部分内容存在着不同的理解,主要有:

　　(1)对管道的柔性分析实质上也是对管道的疲劳寿命评定。为此,在柔性分析中除应按B31.3的规定计及因各种位移引起的交变应力外,是否还应计及因压力(当工艺上存在交变压力时)引起的交变应力。

　　(2)由上面(1),如要计及,是计及管道的周向应力还是轴向应力,抑或二者都要计及;如不要计及,则又如何防止因交变压力对管道引起的疲劳损伤。

　　(3)管道的柔性分析确是疲劳寿命评定,它和容器设计中因交变压力引起的疲劳寿命评定有何异同之处。

　　对上述问题,笔者对照B31.3的有关规定,逐一提出不成熟的看法,作为引玉之砖,谨与管道设计的有关专家共同探讨。

　　2柔性分析和压力疲劳的关系

　　由位移对管道元件引起的交变应力对元件材料必然会导致疲劳损伤,这和由压力对管道元件引起的交变应力对元件材料构成的疲劳损伤从失效机理角度分析是相同的。

　　综观B31.3对D类、M类管道的柔性分析中的规定,其基本思路为:

　　其中, SE为由交变位移对管道所引起的弯矩、扭矩,在所考虑元件上产生的弯曲应力Sb、剪切应力St组成的当量应力范围,在计算时已计及各元件在受弯、受剪时因结构不同于直管而引入的应力增强系数,

　　SA为许用应力范围,SA=f(1.25Sc+0.25Sh)其中Sc、Sh分别为该元件在循环荷载时最低和最高温度时的许用应力,f为许用应力范围折减系数,和荷载的循环次数N有关。

　　由此可见,这和容器设计的压力疲劳评定中把交变应力幅限于材料的许用应力幅以下是完全相同的。二者所区别的仅是:柔性分析用交变应力范围表示,其许用应力范围用解析式形式表示;而容器的压力疲劳评定用交变应力幅表示,且其许用应力幅以S-N设计曲线表示,见图1。

　　既然二者在失效机理、设计思路上是相同的,那么可以认为:在柔性分析中假定元件只有交变位移应力而无压力、当然更无交变压力的作用,则它的疲劳寿命应该和同应力水平的,只有交变压力而无位移、当然更无交变位移作用时元件的疲劳寿命基本相同。也就是尽管二者的许用应力范围或许用应力幅是以解析式或以疲劳设计曲线的形式表示,但通过换算,统一用S-N,即疲劳设计曲线的形式表示,二者应该是基本一致的。

　　但实际情况是,管道不仅有交变位移引起的应力,而且一般还存在交变压力引起的应力。按照疲劳设计原理,如果此二种应力的最大值不是发生在元件的同一点,而且对应以不同的循环次数,则可以按各处的交变应力幅和相应的循环次数逐点进行疲劳评定,以许用循环次数的最小值作为该元件的许用疲劳寿命。如位移应力和压力应力的最大值发生在同一元件的同一点,但不是同时、且各对应以不同的循环次数时,则可用积累损伤原理进行评定。如位移应力和压力应力的最大值发生在同一元件的同一点,而且二者完全同步,则就应该按二者相叠加后的应力幅进行评定。