压力容器接管许用载载和 WRC及有限元局部应力计算方法

压力容器接管许用载载和 WRC及有限元局部应力计算方法 

 通过管道互连的压力容器系统广泛应用于石化和加工厂。 如果设计不准确，容器外壳或封头部可能会发生弯曲变形或泄漏。

在本文中，我们将详细介绍了确定允许的设备接管许用载荷如何帮助工程师设计更好的管道应力合规性。

 工程师在现代管道系统中面临的常见设计问题

在建设这些系统的过程中，设计人员经常面临两个常见问题：

1.    在订购压力容器初期时，压力容器设计工程师并不知道施加在容器上的外部机械载荷（例如持续载荷和热载荷）。 唯一已知的载荷可能是容器承受的内部压力。

2.    负责确定管道布局和支撑布置以及计算管道系统对容器施加设备管口的机械反作用力的管道工程师并不知道容器上的允许载荷，这可能会影响设计者优化管道布局和支撑的能力，管道工程师就得尽量减少管道对设备载荷的管道布置。 如果这些载荷超过限制，设备接管-容器相交处可能会承受过大的应力，或者设备接管-管道法兰连接可能会发生过载。

因此，评估最大允许设备接管许用载荷可以帮助解决两件事：

1.    为容器设计者提供设备管口许用载荷，以便他们可以在设计管道系统之前，顺利设计完成连接到接管的容器外壳或头部。

2.    为管道设计者提供终止于容器管口的管道设计限制管口载荷指南，以避免容器壳体或封头的过大局部应力。

 为什么确定最大允许设备接管许用载荷很困难

 在知道确切的管道布局和支架布置之前计算压力容器的设备接管载荷可能会导致设计问题。 压力容器设计工程师不能仅从数学或理论意义上来处理这个问题。

事实上，同等地包含所有载荷的纯理论或数学处理可提供在实践中通常不必要的结果。 例如，在下图中，管道系统对容器终端法兰施加了三个力和力矩。

图 1：法兰连接上的力矩和力

常见的工程实践表明，与其他两个力矩相比，与环向对齐的 Mc 力矩会对容器造成更多的潜在损坏，因为容器沿环向方向的刚度更大。 径向力 P 往往会拉开或分离法兰，可能会导致泄漏危险。 因此，与其他许用载荷相比，这些许用载荷的大小应保持较低。

在选择最大允许设备接管许用载荷时，这些力和力矩的组合通常要求产生小于容器中最大允许应力的应力。 然而，设计者可以选择无数种荷载组合。

因此，开发一种可以在管道开始设计之前评估最佳设备接管许用载荷集的方法可能很困难。 如果计算出许用载荷太低，管道设计方案复杂，可能会让管道变得昂贵。 如果许用载荷太高，则容器设备接管设计需要不必要的加固，并可能导致设备生产或材料成本增加

 如何确定最大允许设备接管许用载荷

如上所述，确定允许载荷可能很复杂，因为可能存在无限范围的载荷组合。 可以在所有其他载荷为零的情况下计算最大单独载荷。 还可以假设某些载荷组合。

下表显示了典型的许用载荷报告，其中列出了“实际”许用载荷组合的保守许用载荷组合。

 

图2：许用载荷表

在生成允许载荷表时，采用了以下程序：

l 当所有其他载荷为零时，可以计算容器最大承受压力。 使用较低的设计压力来计算允许的外部载荷。

l 实际允许载荷可以基于比 SRSS（平方和的平方根）方法更准确的组合理论。

l 由于局部许用应力不同，二次载荷和一次载荷的计算方式不同。

 此外，可以针对所有其他载荷为零并且可以假设某些载荷组合的情况计算最大单独载荷。

通过管道应力确定最大载荷

 此外，当设计容器或管道应力完成时，可以计算允许的设备接管许用载荷。 在这两种情况下，连接管道施加到设备接管上的载荷必须受到计算出的允许设备接管载荷的限制。

当容器设计针对压力进行优化或者容器壁上几乎没有额外的厚度可用于额外的外部载荷时，管道设计者可能会遇到配管困难。 当设计压力接近最大许用压力时，许用载荷变小，可趋于零。

 下面的报告显示，对于所分析的容器，允许的平面内力矩从 148,480 英寸磅下降到 148,480 英寸磅。 至 0 英寸磅 当压力从 8000 psi 增加到 8750 psi（或每平方英寸）时。

图 3：容器 A 的应力力报告

大多数许用载荷基于位移和应力的叠加和线弹性计算。 当内部压力增加时，外部许用载荷能力可以增加，这是设计者通常直观地知道的。 由于压力而导致的外部载荷增加不会反映在线性弹性解中。

 当椭圆化（大旋转）控制应力相互作用时，压力应力和外部载荷应力不会线性相加。 然而，使用大旋转弹塑性理论的非线性分析可以解决这个问题。

由于施加了允许的外部载荷，可以计算位移并与设备接管制造公差进行比较。 下面的报告显示了一系列位移计算。 只要这些位移小于容器直径的 1%，许用载荷通常是合理的。

图 4：位移计算

 

使用 WRC 107/297 和 537 分析设备接管应力

焊接研究委员会或 WRC 107/297/537 公报中提出的方法是业界广泛接受的用于分析圆柱壳和球壳外部载荷引起的应力的方法。 下面是一种计算许用载荷的方法示意图：

 

步骤 1：计算每个许用载荷的应力因子：

Sax = SCFax x Fax / A 

Sin = SCFin x Min / Z 

Sout = SCFout x Mout / Z 

Stor  = SCFtor x Mtor / Z 

Spre = SCFpre x PD/4T

步骤 2：计算允许许用载荷：

(3 (M/Z)2 + (PdesD/4T)2 )0.5 = Sall

Maxallow = M / SCFax 

Minallow = M / SCFin 

Moutallow = M / SCFout 

Pallow = Sall x 4T/D / SCFpre

 WRC 计算功能可以确定管道和设备接管应力

 在当今石化和加工厂广泛使用的压力容器系统的设计中，确定允许的设备接管许用载荷非常重要，因为它有助于防止管道结构在容器壳体或头部处弯曲或泄漏；同样获得设备接管柔性对管道应力分析也十分重要，这样在高温，配管路由收到很多限制下，可以减少管道柔性，通过引进设备管口柔性，也可以降低管道系统二次应力和降低管口推力和弯矩。

   WRC 公告提供了计算方法，帮助设计人员更好地分析外部载荷引起的应力。 此外，现有的设计和分析软件包括内置 WRC 107、297，FEA分析方法计算模块，可帮助完成此过程，并进一步帮助设计人员对补强圈、未加强和非居中开口模型进行建模，以符合 FEA 功能的应力合规性。

这很简单：

• 将您的设备管口建立进入模型，

• 选择获取管口柔性；选择局部应力分析方法，或计算设备管口许用最大载荷。

• 根据FEA 模型进行局部接口局部应力。

Nozzle FEM软件是START新一代智能化管道应力分析模块中得一个软件模块。 如果您正在寻找一款也可以既能计算管口柔性，也能计算三通，假管弯头之托，设备管口局部应力软件，解决设备接口安全问题，请立即请求咨询，了解我们的 FEA 功能如何帮助您加快安全且合规的压力容器和管道应力分析设计。