2010-1106-SIF-应力增大系数.pdf

PiStAliU iCAESAR IIPipe Stress Analysis Using CAESAR II SIF应力增大系数应力增大系数 6 Nov 10 金红伟 AECsoft 应力增大系数应力增大系数应力增大系数应力增大系数SIFSIF是什么 是什么 是什么 是什么 应力增大系数是什么应力增大系数是什么 应力增大系数是什么应力增大系数是什么 考察二次应力 位移应力范围 的计算公式可以看到 当管 道结构形状发生急剧变化时 位移应力范围的计算值与直管 相比有所增加对于平滑过渡的弯头和弯管主要是由于受相比有所增加 对于平滑过渡的弯头和弯管 主要是由于受 弯后管道出现扁平化 使抗弯刚度有所减小 对于斜接弯管 或支管连接 位移应力范围增加的主要原因是由于几何不连或支管接位移应力范围增加的要原因是由于几何不 续产生的应力集中 上述两种情况都将导致材料抗疲劳能力 有所削弱 对疲劳破坏产生不利影响 二次应力校核主要是 为了防止疲劳破坏因此为了考虑这种效应在进行二次应为了防止疲劳破坏 因此为了考虑这种效应 在进行二次应 力校核时引入了应力增大系数 应力增大系数是什么应力增大系数是什么 疲劳对管道的影响详见A R C Markl 疲劳试验 应力增大系数是什么应力增大系数是什么 A R C Markl 在20 世纪40 年代到50 年代期间研究了管道的疲劳破坏断裂 现象 并于1953 年公开发表了其研究结果 管道柔性分析 他采用对 不同弯曲应力产生的循环位移法对大量的不同管子结构进行了试验 直不同弯曲应力产生的循环位移法 对大量的不同管子结构进行了试验 直 管 各种管件 如90o弯头 45o管头 无补强之通 焊接三通等 他发 现他的实验结果符合疲劳曲线形式 M Z SIF 6N 0 2 1 25 Sc Sh Sl 6 Nov 10 应力增大系数是什么应力增大系数是什么 应力增大系数是什么应力增大系数是什么 6 Nov 10 一一些管件在施加等量载荷条件下相对于管道或其它管件更快失些管件在施加等量载荷条件下相对于管道或其它管件更快失些管件在施加等量载荷条件下相对于管道或其它管件更快失些管件在施加等量载荷条件下相对于管道或其它管件更快失 效效 疲劳失效位置疲劳失效位置 管道连接处引发的失效 弯头和管道交叉部位 Markl s试验验证了这些疲劳失效的原因 Markl s试验验证了这些疲劳失效的原因 6 Nov 10 元件疲劳元件疲劳元件疲劳元件疲劳 Markl试验采用对不同弯曲应力产生的循环位移法对大 Markl试验采用对不同弯曲应力产生的循环位移法 对大 量的不同管子结构进行了试验 直管 各种管件 如90o弯 头 45o管头 无补强三通 焊接三通等 他发现他的实头 45 管头 无补强三通 焊接三通等 他发现他的实 验结果符合疲劳曲线形式 归纳并绘制了各种管件应力对 应其循环次数的曲线 6 Nov 10 弯头失效弯头失效弯头失效弯头失效 弯头椭圆变形 弯头的变形使得管道柔性 加大 弯头的失效点在图示处失 效快于管道和弯头连接的 焊缝位置焊缝位置 6 Nov 10 应力增强应力增强应力增强应力增强 相对来说减小元件的许用应力 使用SIF来增加计算应力 更加准确 方便 Stress Mi Z 更加准确 方便 Stress Mi Z el bw S S i el 6 Nov 10 平面内平面内 平面外平面外平面内平面内 平面外平面外 ASMEB31 3工艺管线区分平面内和平面外弯曲 平面内弯曲保持管件在其原有平面内变形 平面内弯曲保持管件在其原有平面内变形 平面外弯曲使得管件在其平面外变形 6 Nov 10 平面内平面内 平面外平面外平面内平面内 平面外平面外 6 Nov 10 Mkl理论在当今规范中的应用理论在当今规范中的应用Markl理论在当今规范中的应用理论在当今规范中的应用 Markl 将他的研究延展到了其他管件和连接件 附 ASMEB31 1 31 3附录D 注意附录D中的注释附中释 6 Nov 10 B31 1 Appendix DB31 1 Appendix D 6 Nov 10 B31 3 Appendix DB31 3 Appendix D 6 Nov 10 B31 3 SIF ExampleB31 3 SIF Example B31 3 Sample SIF Calculations Welding elbow or pipe bendReinforced fabricated tee with pad or saddle InputInput Pipe OD 10 7510 7510 7510 75Pipe OD 10 7510 7510 7510 75 Pipe wall 0 3650 3650 3650 365Pipe wall 0 3650 3650 3650 365Pipe wall 0 3650 3650 3650 365Pipe wall 0 3650 3650 3650 365 Bend radius 15103050Pad thickness 00 250 3650 5 Intermediate CalculationsIntermediate Calculations Tbar 0 3650 3650 3650 365Tbar 0 3650 3650 3650 365 R1 15103050Tr 00 250 3650 5R1 15103050Tr 00 250 3650 5 r2 5 1935 1935 1935 193r2 5 1935 1935 1935 193 h 0 2030 1350 4060 677h 0 0700 1470 1940 259 Stress Intensification FactorsStress Intensification FactorsStress Intensification FactorsStress Intensification Factors out of plane 2 1712 8451 3681 000out of plane 5 2843 2342 6882 215 in plane 2 6053 4141 6411 167in plane 4 2132 6762 2661 911 6 Nov 10 B31 1 SIF ExampleB31 1 SIF Example B31 1 Sample SIF Calculations Welding elbow or pipe bendReinforced fabricated tee with pad or saddleWelding elbow or pipe bendReinforced fabricated tee with pad or saddle InputInput Pipe OD 10 7510 7510 7510 75Pipe OD 10 7510 7510 7510 75 Pipe wall 0 3650 3650 3650 365Pipe wall 0 3650 3650 3650 365 Bend radius 15103050Branch OD 4 54 54 54 5 Branch wall 0 2370 2370 2370 237 Branch OD at tee 5 Pad thickness 00 250 3650 5 Intermediate CalculationsIntermediate Calculations tn 0 3650 3650 3650 365tn or tnh 0 3650 3650 3650 365 R 15103050r or Rm 5 1935 1935 1935 193 r 5 1935 1935 1935 193tnb 0 2370 2370 2370 237 rm 2 1322 1322 1322 132 rp 2 2502 5002 2502 250 h 0 2030 1350 4060 677h 0 0700 1470 1940 259 Stress Intensification FactorStress Intensification Factor 2 6053 4141 6411 167Header 5 2843 2342 6882 215 6 Nov 10 Branch 3 4713 1243 4713 471 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 1 Reinforced tee designation from Appendix D of B31 3 Reinforced fabricated tee with pad or saddle Hole cut in thhdibhit bb dit itdld dthe header pipe branch pipe stubbed against it and welded then a pad or saddle welded around the connection to provide reinforcementprovide reinforcement 带补强板或鞍座的预制加强三通 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 无法显示图像 计算机可能没有足够的内存以打开该图像 也可能是该图像已损坏 请重新启动计算机 然后重新打开该文件 如果仍然显示红色 x 则可能需要删除该图像 然后重新将其插入 ASME B31 1 2007 无法显示图像 计算机可能没有足够的内存以打开该图像 也可能是该图像已损坏 请重新启动计算机 然后重新打开该文件 如果仍然显示红色 x 则可能需要删除该图像 然后重新将其插入 6 Nov 10 ASME B31 3 2007 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 2 Unreinforced tee designation from Appendix D of B31 3 Unreinforced fabricated tee of B31 3 Unreinforced fabricated tee Hole cut in the header pipe branch pipe stubbed against it and welded with no pad or other reinforcement 无补强 非加强预制三通 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 1 2007 ASME B31 3 2007 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 3 Welding tee designation from Appendix D of B31 3 Welding tee per ASME B16 9 with specific dimensional requirements A single piece component forged or cast that meet the dimensional copo e o ged o cas aeee de s o a requirements of B16 9 This fitting tends to have very smooth contours that provide the best stress distribution 按ASME B16 9规范制造的锻制 或铸造 焊接三通 尺寸 要求符合ASME B16 9 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 1 2007 6 Nov 10 ASME B31 3 2007 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 4 Sweepolet designation from Appendix D of 4 Sweepolet designation from Appendix D of B31 3 Welded in contour insert with specific dimensional requirements A fitting available from Bonney Forge or their imitators installed by cutting a large hole in the header and then setting the sweepolet into the hole such that it makes a smooth contour with the header similar to that of the B16 9 welding tee 镶入式支管嘴 嵌入式焊接管座 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 1 2007 ASME B31 3 2007 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 5 Weldolet designation from Appendix D of B31 3 Branch welded on fitting integrally reinforced A fitting available from Bonney Forge or their imitators installed by cutting a smaller hole in the header and then setting the weldolet onto the header over the hole The weldolet has aweldolet onto the header over the hole The weldolet has a big block of steel on it that provides reinforcement for the connection connection 整体加强的座焊支管 焊接支管台 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 1 2007 ASME B31 3 2007 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 6 Extruded Welding tee designation from Appendix D of B31 3 Extruded welding tee with specific dimensional requirements A single piece component made from a straight piece of pipe with the copo e adeoa s a gp ece o p pe e branch opening extruded The crotch radii must meet the specified dimensional requirements 挤压成形的焊接三通 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 1 2007 ASME B31 3 2007 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 7 Butt weld designation from Appendix D of B31 3 Butt welded joint This is not a tee butB31 3 Butt welded joint This is not a tee but simply a butt welded connection between two pieces of pipe or fittings Some codes specify non pieces of pipe or fittings Some codes specify non SIFs for butt welds 对接焊接接头 异径管或对焊法兰 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 1 2007 6 Nov 10 ASME B31 3 2007 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 8 9 Socket designation from Appendix D of B31 3 Fillet welded joint or socket weld flange or fitting These are not tees but simply fillet socket welded connections between two pieces of pipe or fittings Some codes differentiate between as welded unfinished and Grounddifferentiate between as welded unfinished and Ground smooth fillet welds 角接焊接头或承插焊法兰或管件 角接焊接头或承插焊法兰或管件 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 SOCKET WELD NO UNDERCUT 承插焊接 无根切承插支管台 SOCKET WELD AS WELDED 承插焊接 和ASME B16 9的焊接三通类似承插支管台 SOCKET WELD AS WELDED 承插焊接 和ASME B16 9的焊接三通类似承插支管台 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 10Taper designation from Appendix D of B31 3 10 Taper designation from Appendix D of B31 3 none This is not a tee but a butt welded connection between two pieces of pipe or fittingsconnection between two pieces of pipe or fittings where the two welded components are of different thickness and one is tapered down to match thethickness and one is tapered down to match the other This type of connection is recognized by a number of codes such as B31 1number of codes such as B31 1 ASME B16 25的锥形过渡段 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 1 2007 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 11 Threaded designation from Appendix D of B31 3 Threaded pipe joint or threaded flange B31 3 Threaded pipe joint or threaded flange This is not a tee but simply a threaded connection between two pieces of pipe or fittings between two pieces of pipe or fittings 螺纹连接的管接头或螺纹连接法兰 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 1 2007 6 Nov 10 ASME B31 3 2007 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 12 Double welded designation from Appendix D of B31 3 Double welded slip on flange of B31 3 Double welded slip on flange This is not a tee but simply the welded connection between a slip on flange and the pipe 双面焊平焊法兰 双面焊平焊法兰 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 ASME B31 3 2007ASME B31 3 2007 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 13 Lap joint designation from Appendix D of B31 3 Lap joint flange with ASME B16 9 lap jointB31 3 Lap joint flange with ASME B16 9 lap joint stub This is not a tee but a lap joint flange 松套法兰翻边管接头 松套法兰 ASME B16 9翻边管接头 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 14 15 16 BF Sweepolet BF Latrolet BF Ins Wld designation from Appendix D of B31 3 none Selection of these types uses Bonney Forge s published recommendations for SIFs for their sweepolets latrolets and weldolets respectively overriding the codeand weldolets respectively overriding the code requirements thereof We don t recommend using these types types Bonney Forge s公司产品规格 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 BONNEY FORGE SWEEPOLET 锻造嵌入式管接 头头 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 BONNEY FORGE LATROLET 锻造斜接式管接头 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 BONNEY FORGE INSERT WELDOLET 锻造直插 对焊管接头对焊管接头 6 Nov 10 SIF在在CAESAR II中的应用中的应用SIF在在CAESAR II中的应用中的应用 17Full encirclement tee designation from Appendix D of 17 Full encirclement tee designation from Appendix D of B31 3 none This type of tee is only recognized by the IGE TD 12 code other codes treat it as a reinforcedIGE TD 12 code other codes treat it as a reinforced fabricated tee The reinforcing pad goes completely around the header FULL ENCIRCLEMENT TEE 带全环绕补强板加强型三通 6 Nov 10 与应力增大系数有关的几个概念与应力增大系数有关的几个概念与应力增大系数有关的几个概念与应力增大系数有关的几个概念 应力增大系数与应力集中系数是两个不同的概念 以往一些文献将其混为一谈是不正 确的 为了清楚地说明应力增大系数的含义 首先应对以下相关概念有一个正确 的理解 1 应力集中 应力集中是指当管道几何形状发生突变时在外力作用下管道中的局部应力急应力集中是指 当管道几何形状发生突变时 在外力作用下管道中的局部应力急 剧增大的现象 2 应力集中系数 SCF 应力集中系数是指 以同一弯矩值作用在管件和直管后所产生的最大应力值之比应力集中系数是指 以同弯矩值作用在管件和直管后所产生的最大应力值之比 有些文献将其定义为应力增大系数是不正确的 3应力增大系数 SIF 3 应力增大系数 SIF 应力增大系数应力增大系数SIF应力增大系数应力增大系数SIF 应力增大系数是指在疲劳破坏循环次数相同的情况下作用于直管的弯 应力增大系数是指 在疲劳破坏循环次数相同的情况下 作用于直管的弯 曲应力与作用于管件的名义弯曲应力之比 直管的截面形状和尺应与管件 相应部分的截面形状和尺寸相同名义弯曲应力是指弯矩除以抗弯截面模相应部分的截面形状和尺寸相同 名义弯曲应力是指弯矩除以抗弯截面模 量 它没有考虑应力集中 同时认为材料始终在弹性范围之内 由此也可 将应力增大系数定义为 在疲劳破坏循环次数相同的情况下 作用于直管 的弯矩与作用于管件的弯矩之比 由应力增大系数的定义可以看出 应力 增大系数是由疲劳试验得到的 与材料的疲劳破坏存在直接关系 它与应 力集中系数是不相同的 一般认为应力增大系数是应力集中系数的一半 由于将弯矩作用于管件的平面内和平面外所产生的结果有所不同 所以应 力增大系数分为平面内和平面外两种情况 此处说的平面是指管件轴线构 成的平面 6 Nov 10 应力增大系数的确定方法应力增大系数的确定方法应力增大系数的确定方法应力增大系数的确定方法 确定应力增大系数可采用疲劳试验和数值分析两种方法 其中疲劳试验方法是确定应 力增大系数的直接方法 也是基本方法 数值分析方法一般建立在现有疲劳试验 基础之上 1 疲劳试验法 按照一系列不同应力幅对直管和管件进行一系列疲劳试验 并根据试验结果 通过拟 合得到直管和管件疲劳曲线表达式合得到直管和管件疲劳曲线表达式 CNS n 管件直管 管件直管 S 式中直管 管件中的循环应力幅 等于破坏点的弯矩幅值除以直管的抗弯的 抗弯截面模量 管件直管 S 抗弯截面模量 N 达到破坏时的循环次数 Cn 材料常数C n 材料常数 2数值分析法2 数值分析法 应用计算机程序进行详细的局部应力分析确定应力增大系数 有限元法是 最为有效的一种方法 一般步骤如下 a 采用有限元法对特殊管件进行分析 得到应力集中系数 b 应力增大系数等于应力集中系数的一半 应力增大系数应用的注意事项应力增大系数应用的注意事项 根据GB 50316 ASME B31 1和ASME B31 3的规定 计算二次应力时应 采用应力增大系数 这是由于采用应力增大系数的目的 是考虑局部应力采用应力增大系数这是由于采用应力增大系数的目的是考虑局部应力 集中的影响 而局部应力集中主要对管件的疲劳破坏产生作用 因为局部 的高应力循环 将使材料产生裂纹并不断扩展 最终导致破坏 校核二次 应力的目的正是为了防止疲劳破坏 因此在计算二次应力时必须考虑应力 集中的影响应该采用应力增大系数另外根据ASME B31 3的标准释义集中的影响 应该采用应力增大系数 另外 根据ASME B31 3的标准释义 计算一次应力可不考虑应力增大系数 这主要是因为校核一次应力是为 了控制管道的整体破坏 局部的应力集中对管道的整体破坏影响不大