第 6 页 共 12 页 应力分析基础理论讲义
上述工况根据分析结果的需要可以任意组合也可单独地进行应力计算，组合工况得到的各项结果是每种单独工况下计算结果的线性相加，如（OPE〕W＋D＋T＋P＋F工况为（SUS）W＋P＋F工况和（EXP）DS＝D2－D1工况计算结果之和。
§1.5 管道、管口应力分析评估
当管子的载荷作用在泵、压缩机、汽轮机和热交换器的管口处可能会由于载荷过大在设备管上引起较大变形，影响设备正常运转，故需对设备管咀受力进行限制，通常制造厂提供设备管咀可承受的允许载荷，否则可参考通用标准，如NEMASM－23（蒸汽轮机）、API610（离心泵）、API617（离心式压缩机），API661（空冷器）等。
连接在容器上的管道在容器上产生的薄膜应力和弯曲应力，可根据ASME锅炉和压力容器标准第8部分的第2节评估，精确结果可用有限元分析法，CAESARII 中WRC107部分可根据对计算的应力限制保守地给出容器管咀的允许承受载荷值。
1.5.1 转动设备管口载荷分析
大部分正确评估设备管口的承载能力是用试验实现，其次代替试验的最好方法是用有限元分析。CAESARII提供ROT程序利用相应标准自动评估管咀载荷，在评估设备管咀受力时，管咀载荷取管道应力分析结果中冷态和热态工况下的较大值。设备标准包括：
①蒸汽轮机－国家电气制造协会（NEMA）标准SM23 ②离心泵－美国石油学（API）标准610第6和第7版 ③离心压缩机－API标准617 ④空冷器－API标准661
⑤密闭式给水加热器－热交换学会（HEI）标准
使用这些程序时，用户需输入相关设备的结构尺寸和作用载荷。 1.5.2 根据管咀载荷计算容器应力 由于管咀载荷的容器应力计算
自从60年代初，焊接研究学会第107公告（WRC）已被设计工程师广泛地用于评估容器/附件接口的局部应力，CAESARII使用WRC107计算管咀载荷在容器上引起的应力, WRC107是一套由于附加载荷在容器上产生的有限元法分析结果的参数化法. WRC107含有方程式和无量钢曲线(基本参数:管嘴和容器直径比,容器直径与厚度之比等). 无量钢曲线是由求根系数来计算在容器上附加件连接处的应力。
WRC107可用来分析圆柱形或球形容器的附件处的应力,在用WRC107校核管嘴载荷时, 管嘴载荷取CAESARII应力分析结果中相应工况下的约束处的受力值。
1.5.3 容器应力的限制条件
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管口载荷在容器壁上引起的应力满足下列条件 Pm Pm+Pl+Pn<1.5KSmh Pm+Pt+Pb+Q<3Smavg 这里Pm是总体薄膜应力、Pt是局部薄膜应力、Pb是局部弯曲应力、 Q是总体二次应力、K为偶然载荷应力因子、.Smb是设计温度下材料的许用应力、Smarg是材料许用应力强度平均值（Smh+Smc）/2。 应力分类按ASME第8部分第2节定义，通过将靠近管咀或管咀附近容器壁上的弯曲应力定义为Q或二次应力，不管它们是否是由持续或膨胀载荷引起的，这将使Pb消失，并导致更详细的应力分类。 Pm：总体一次薄膜应力（主要由内压引起） Pl：局部一次薄膜应力：包括由内压力引起的薄膜应力,由于外加的持续的力和力矩引起的局部薄膜应力。 Q：二次应力：包括由内压引起的弯曲应力，由外力和力矩引起的弯曲应力，由外加热胀载荷引起的薄膜应力，由外加热胀力和力矩引起的弯曲应力。 以上分类定义的每个应力项包含三部分：垂直方向上的二个正应力和切线方向剪应力，然后按一定准则合成。 WRC107根据管咀载荷可计算出Pl和Q，各种应力部分可从合成应力强度得到，而应力强度可由施加的持续，热胀和偶然载荷计算中求得；CAESARII使用的评估不同应力元素的方程式如下： Pm(SUS) Pm(SUS+OCC)<1.2Smb Pm(SUS)+Pl(SUS)<1.55mh Pm(SUS+OCC)+Pl(SUS+OCC)<1.5(1.2)Smh Pm(SUS+OCC)+Pl(SUS+OCC)+Q(SUS+EXP+OCC)<1.5(Smc+Smh) 1.5.3 容器管咀柔性计算 我们知道与容器相连的管咀载荷将引起容器器壁弯曲或其它变形，在一定条件下，容器连接处允许有一定的位移和转角，也就是说与容器相连的管咀有一定的柔性，如果用完全刚性模型来模拟管道与容器连接管咀，在热胀工况下计算出的管咀载荷是非常保守的，因此有时就需对连接处的实际刚度进行计算，或将其模拟为柔性管咀与所连设备一起建入模型中。CAESRII采用WRC297对管咀的柔性进行计算，WRC297适用范围： d/D <0.5 d/t>20 20 第 8 页 共 12 页 应力分析基础理论讲义 D:容器平均直径mm t 管咀厚度mm T 容器厚度mm 第二章 管系模型的建立及分析 管子模型建立是将与所分析的管系相连的设备或容器以及管道上各种管件、约束的信息通过一定的方法建立成数学模型。模型复杂与简化视所分析问题的具体情况，如管系的柔性较好或设置有适当型式的膨胀节，就可将管系与设备和容器相连的管端作为固定约束或给出相应附加位移将管道与设备或容器脱开单独建立模型，管系模型建立具体内容如下： 1、基本元件的表示 2、管系模型建立的技巧 3、膨胀节模型的建立及计算 4、设备管器的计算包括设备载荷的计算，设备管口及设备应力的确定，设备及设备连接柔性的判断。 5、管系约束及结构模型的建立 6、其它内容（冷紧、地下管，塑料管、夹套管，法兰泄漏的分析等） §2.1 基本元件的表示法 管线基本元件用中心线或杆件表示，这些元件由两个节点来定义，每个节点有固定的坐标和六个自由度（三个位移自由度和三个转角自由度），CAESARII通过在现设备相连管端、弯头、大小头、三通支吊架处，有附加位移处，集中载荷，刚性元件，膨胀节等处编写节点号，建立与实际管系相符的数学模型。 建模步骤： 1、 编写节点号 2、 建立数据文件 （1） 输入单元节点号 （2） 输入单元坐标长度 （3） 输入单元结构尺寸：管子外径，壁厚，腐蚀余量，保温厚度。 （4） 输入设计条件：设计温度，设计压力。 （5） 选取单元类型：弯头，三通，刚性件，膨胀节。 （6） 输入约束类型。 （7） 输入外加载荷。 应力分析基础理论讲义 第 9 页 共 18 页 （8） 选取材料类型。 （9） 输入管道材料密度，管内介质密度，保温材料密度。 §2.2 管系建模型技巧 根据精确度要求，管系可建成许多种模型 1、大口径的管线用两个弹簧支撑的模型建立 简化模型，在节点⑤处,选弹簧数量为2。 这种模型约束配对的扭转反力没有考虑 精确模型：在节点⑤处引入（5〕－（10） （5〕－（15）刚性单元,零重，长为D/2， 在（10）（15）处设弹簧 2、大口径管底部刚性支架模型 简化模型节点⑤处设＋Y约束 没有考虑管道在径向的膨胀 精确模型，是从节点⑤引刚性单元 ⑤－（10）在节点（10）处设＋Y约束。 3、弯管支架模型 简单模型，节点⑤处设＋Y约束 模型中不考虑支承柱的柔性 支承柱没有支在弯管的曲线上 的正确位置上， 精确模型, 从节点⑤处引一假管单元 （5〕－（10）节点（10）处给约束条件＋Y 4、炉内弯管模型建立 半圆弯管可用两上90°弯头描述且将弯头曲率半径 改为实际曲率半径 （5〕－（10） DY＝1200 第 10 页 共 12 页 应力分析基础理论讲义 BEND Y R＝1200 （10）－（15） DX＝2400 BEND Y R＝1200 （15）－（20） DY＝-1200 5、圈管上任意位置处设约束模型的建立 单元（5）－（10） BEND B R6080 Angle# 22 Node 6 DZ 6080 Angle# 72 Node 7 RESTRAINTS Y Node 6 +Y Node 7 +Y (10)-(13) SIF& TEES Y Node 13 TYPE 节点(13)设为三通与其它管道相连 （13）－（15） BEND B RADIUS 6080 DX 6080 Angle# 10 Node @1 16 Angle# 68 Node @2 17 RESTRAINTS Y Node 16 +Y Node 17 +Y 6、斜管上导向约束模型建立 斜管上的约束用方向向量和方向余法来定义约束方向，如果使用方向向量，CAESRII会马上将其转化为方向余弦 如图则约束作用线在坐标轴上的方向余弦为 Dx=-Sin40°Dz=COS40° 或Dx=Sin40°Dz=-Sin40° §2.3 膨胀节的建模及计算 建立膨胀节的精确模型，首先应了解各种膨胀节的结构型式和工作原理，膨胀节的主要类型有： ①普通轴向型膨胀节，主要吸收管系的轴向位移。 ②横向型膨胀节（包括复式铰链型膨胀节，复式万向铰链膨胀节，复式拉杆型膨胀节），主要吸收