疲勞工況能豁免嗎

一天，朋友問我：

“最近有一臺(tái)固定管板換熱器，直徑DN500，管程操作壓力在0到0.3MPa循環(huán)，設(shè)計(jì)壓力0.5MPa。設(shè)計(jì)規(guī)范按照J(rèn)B4732做分析且蓋章，多少錢？”

我問：

“溫度高嗎？”

回答：

“溫度不高，大約160度。”

又問：

“只是因?yàn)閴毫Σ▌?dòng)，所以需要做分析？”

回答：

“是的。”

我說：

“你這種情況，可以直接提高設(shè)計(jì)壓力來設(shè)計(jì)。

按照J(rèn)B4732，當(dāng)壓力波動(dòng)小于設(shè)計(jì)壓力的20%時(shí)，是不計(jì)入循環(huán)次數(shù)的。

比如壓力0~0.3，0.3*5=1.5MPa。把設(shè)計(jì)壓力定為1.5MPa，就可以豁免疲勞。

對(duì)于你這臺(tái)DN500的換熱器，1.5MPa和0.3MPa的常規(guī)設(shè)計(jì)，材料成本相差無幾。但是省去了分析，經(jīng)濟(jì)合理。”

朋友高興道：

“有道理！”

業(yè)主不同意

過了不一會(huì)，朋友又電話過來：

“不行啊，業(yè)主工藝不同意升高設(shè)計(jì)壓力，說是系統(tǒng)都是按照這個(gè)設(shè)計(jì)壓力，不能隨便修改，所以還是需要幫忙，做分析設(shè)計(jì)！”

我想了一下：

“這種情況不用考慮業(yè)主的想法，設(shè)備是可以自己決定的。”

朋友說：“自己決定？”

我說道：“是的，設(shè)備是可以自己決定能否豁免的，比如保持原來的設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)提高設(shè)備的MAWP。這樣就避免了業(yè)主工藝的修改了。

設(shè)備MAWP提高到壓力波動(dòng)的5倍，能豁免疲勞，只要經(jīng)濟(jì)性滿足，是非常方便合理的。”

管法蘭怎么辦

上面的是個(gè)特殊工況，提高設(shè)備的MAWP到1.5MPa，整臺(tái)設(shè)備都能不增加成本的情況下，豁免疲勞。

但是有時(shí)候，整臺(tái)設(shè)備按照MAWP計(jì)算，不增加成本，但是管法蘭的壓力等級(jí)卻限制了MAWP。

假如壓力波動(dòng)幅0.44MPa呢？

如果想要豁免，需要提高到MAWP到0.44*5=2.2MPa，而Class150的法蘭，最多也就到2.0MPa。提升整體的MAWP會(huì)導(dǎo)致管法蘭壓力等級(jí)要提升，此時(shí)又要和其它專業(yè)協(xié)商，難度會(huì)很大。

管法蘭的MAWP是按照壓力溫度查表得到的，這個(gè)表是不是適用于疲勞的管法蘭呢？

在ASME里，未明確表達(dá)適用與否。ASME中與疲勞相關(guān)的部分，沒有單列法蘭，僅僅有法蘭的螺柱。

在EN里，11.4.2條，管法蘭不適用于疲勞容器，但是未明確如何計(jì)算。

俄羅斯的規(guī)范中，有法蘭疲勞的公式計(jì)算方法，詳見《壓力容器全模型 ANSYS分析與強(qiáng)度計(jì)算新規(guī)范》一書。

在實(shí)際設(shè)備分析時(shí)，一些朋友帶著管法蘭做疲勞分析，很多時(shí)候管法蘭的邊界條件是錯(cuò)的，只是把管法蘭當(dāng)做一個(gè)加強(qiáng)圈在用，導(dǎo)致管法蘭的應(yīng)力幅很小，管法蘭的結(jié)果完全不可信。

用FEA的方法用來判斷法蘭標(biāo)準(zhǔn)件，顯得復(fù)雜且低效。

實(shí)際情況，在疲勞情況下，對(duì)于法蘭肯定是有影響的，只是影響大小如何考量。

個(gè)人見解

個(gè)人認(rèn)為，管法蘭疲勞是可以豁免的。

在實(shí)際操作中，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員是不會(huì)建管法蘭模型的，一般法蘭就是直接查表得到MAWP，具有一定的工程實(shí)踐可靠性。

另一方面，考慮管法蘭如果按照公式計(jì)算，絕大多數(shù)都是由預(yù)緊狀態(tài)的設(shè)計(jì)力矩Mo控制了法蘭的厚度。

用設(shè)計(jì)力矩Mo去核算法蘭各個(gè)截面的應(yīng)力，相當(dāng)于用預(yù)緊工況核算各截面應(yīng)力，那么就相當(dāng)于操作工況的壓力波動(dòng)并不影響法蘭的計(jì)算和法蘭的應(yīng)力。

按照疲勞校核條件，兩個(gè)操作狀況應(yīng)力相減得到的應(yīng)力最大值去核算疲勞壽命，這樣相當(dāng)于一般情況下，應(yīng)力差的最大值為0，也就不用考慮疲勞了。（實(shí)際上會(huì)肯定有應(yīng)力波動(dòng)，只是貢獻(xiàn)的影響比預(yù)緊小。）

個(gè)人推測，這也是ASME為什么不明確說是否可以豁免。

EN13445的不可豁免，可能因?yàn)樗?jì)算法蘭有兩種方法，一種是waters法，一種是按照泄漏率來計(jì)算，兩種方法計(jì)算結(jié)果不同，也不能說操作對(duì)法蘭沒有影響，所以就要求計(jì)算。

假如管法蘭不用考慮疲勞，設(shè)備其他部件提高M(jìn)AWP，其實(shí)設(shè)備不用做FEA，按照規(guī)則設(shè)計(jì)規(guī)范，也可以得到可靠的設(shè)計(jì)。

不論最終采用哪種方法，起碼在設(shè)計(jì)人心里，這樣設(shè)計(jì)出來的厚度是安全可靠的。

結(jié)束語

1. 通過按照規(guī)范提高設(shè)備的MAWP來豁免疲勞是一個(gè)比較好的工程方法，牽涉的專業(yè)少，若果經(jīng)濟(jì)性無問題，實(shí)現(xiàn)起來容易。

2. 管法蘭是否可以豁免，還需要規(guī)范明確。一般情況下，當(dāng)然希望管法蘭能夠豁免，或者能夠用簡單的方法判斷管法蘭是否能夠承受疲勞。比如參考俄羅斯的方法，用程序解決管法蘭以及其螺栓的應(yīng)力分析問題。