壓力容器接管許用載載和 WRC及有限元局部應力計算方法 

 通過管道互連的壓力容器系統廣泛應用于石化和加工廠。 如果設計不準確，容器外殼或封頭部可能會發生彎曲變形或泄漏。

在本文中，我們將詳細介紹了確定允許的設備接管許用載荷如何幫助工程師設計更好的管道應力合規性。

 工程師在現代管道系統中面臨的常見設計問題

在建設這些系統的過程中，設計人員經常面臨兩個常見問題：

1.    在訂購壓力容器初期時，壓力容器設計工程師并不知道施加在容器上的外部機械載荷（例如持續載荷和熱載荷）。 唯一已知的載荷可能是容器承受的內部壓力。

2.    負責確定管道布局和支撐布置以及計算管道系統對容器施加設備管口的機械反作用力的管道工程師并不知道容器上的允許載荷，這可能會影響設計者優化管道布局和支撐的能力，管道工程師就得盡量減少管道對設備載荷的管道布置。 如果這些載荷超過限制，設備接管-容器相交處可能會承受過大的應力，或者設備接管-管道法蘭連接可能會發生過載。

因此，評估最大允許設備接管許用載荷可以幫助解決兩件事：

1.    為容器設計者提供設備管口許用載荷，以便他們可以在設計管道系統之前，順利設計完成連接到接管的容器外殼或頭部。

2.    為管道設計者提供終止于容器管口的管道設計限制管口載荷指南，以避免容器殼體或封頭的過大局部應力。

 為什么確定最大允許設備接管許用載荷很困難

 在知道確切的管道布局和支架布置之前計算壓力容器的設備接管載荷可能會導致設計問題。 壓力容器設計工程師不能僅從數學或理論意義上來處理這個問題。

事實上，同等地包含所有載荷的純理論或數學處理可提供在實踐中通常不必要的結果。 例如，在下圖中，管道系統對容器終端法蘭施加了三個力和力矩。

圖 1：法蘭連接上的力矩和力

常見的工程實踐表明，與其他兩個力矩相比，與環向對齊的 Mc 力矩會對容器造成更多的潛在損壞，因為容器沿環向方向的剛度更大。 徑向力 P 往往會拉開或分離法蘭，可能會導致泄漏危險。 因此，與其他許用載荷相比，這些許用載荷的大小應保持較低。

在選擇最大允許設備接管許用載荷時，這些力和力矩的組合通常要求產生小于容器中最大允許應力的應力。 然而，設計者可以選擇無數種荷載組合。

因此，開發一種可以在管道開始設計之前評估最佳設備接管許用載荷集的方法可能很困難。 如果計算出許用載荷太低，管道設計方案復雜，可能會讓管道變得昂貴。 如果許用載荷太高，則容器設備接管設計需要不必要的加固，并可能導致設備生產或材料成本增加

 如何確定最大允許設備接管許用載荷

如上所述，確定允許載荷可能很復雜，因為可能存在無限范圍的載荷組合。 可以在所有其他載荷為零的情況下計算最大單獨載荷。 還可以假設某些載荷組合。

下表顯示了典型的許用載荷報告，其中列出了“實際”許用載荷組合的保守許用載荷組合。

 

圖2：許用載荷表

在生成允許載荷表時，采用了以下程序：

l 當所有其他載荷為零時，可以計算容器最大承受壓力。 使用較低的設計壓力來計算允許的外部載荷。

l 實際允許載荷可以基于比 SRSS（平方和的平方根）方法更準確的組合理論。

l 由于局部許用應力不同，二次載荷和一次載荷的計算方式不同。

 此外，可以針對所有其他載荷為零并且可以假設某些載荷組合的情況計算最大單獨載荷。

通過管道應力確定最大載荷

 此外，當設計容器或管道應力完成時，可以計算允許的設備接管許用載荷。 在這兩種情況下，連接管道施加到設備接管上的載荷必須受到計算出的允許設備接管載荷的限制。

當容器設計針對壓力進行優化或者容器壁上幾乎沒有額外的厚度可用于額外的外部載荷時，管道設計者可能會遇到配管困難。 當設計壓力接近最大許用壓力時，許用載荷變小，可趨于零。

 下面的報告顯示，對于所分析的容器，允許的平面內力矩從 148,480 英寸磅下降到 148,480 英寸磅。 至 0 英寸磅 當壓力從 8000 psi 增加到 8750 psi（或每平方英寸）時。

圖 3：容器 A 的應力力報告

大多數許用載荷基于位移和應力的疊加和線彈性計算。 當內部壓力增加時，外部許用載荷能力可以增加，這是設計者通常直觀地知道的。 由于壓力而導致的外部載荷增加不會反映在線性彈性解中。

 當橢圓化（大旋轉）控制應力相互作用時，壓力應力和外部載荷應力不會線性相加。 然而，使用大旋轉彈塑性理論的非線性分析可以解決這個問題。

由于施加了允許的外部載荷，可以計算位移并與設備接管制造公差進行比較。 下面的報告顯示了一系列位移計算。 只要這些位移小于容器直徑的 1%，許用載荷通常是合理的。

圖 4：位移計算

 

使用 WRC 107/297 和 537 分析設備接管應力

焊接研究委員會或 WRC 107/297/537 公報中提出的方法是業界廣泛接受的用于分析圓柱殼和球殼外部載荷引起的應力的方法。 下面是一種計算許用載荷的方法示意圖：

 

步驟 1：計算每個許用載荷的應力因子：

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

步驟 2：計算允許許用載荷：

(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 計算功能可以確定管道和設備接管應力

 在當今石化和加工廠廣泛使用的壓力容器系統的設計中，確定允許的設備接管許用載荷非常重要，因為它有助于防止管道結構在容器殼體或頭部處彎曲或泄漏；同樣獲得設備接管柔性對管道應力分析也十分重要，這樣在高溫，配管路由收到很多限制下，可以減少管道柔性，通過引進設備管口柔性，也可以降低管道系統二次應力和降低管口推力和彎矩。

   WRC 公告提供了計算方法，幫助設計人員更好地分析外部載荷引起的應力。 此外，現有的設計和分析軟件包括內置 WRC 107、297，FEA分析方法計算模塊，可幫助完成此過程，并進一步幫助設計人員對補強圈、未加強和非居中開口模型進行建模，以符合 FEA 功能的應力合規性。

這很簡單：

? 將您的設備管口建立進入模型，

? 選擇獲取管口柔性；選擇局部應力分析方法，或計算設備管口許用最大載荷。

? 根據FEA 模型進行局部接口局部應力。

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