PASS/Nozzle-FEM 接管与设备连接处的应力、柔性和许用载荷分析

PASS/Nozzle-FEM 是采用有限元法计算接管与筒体连接处的应力和柔性的专业化软件。同时软件能计算接管的许用载荷,评定各式各样的接管结构在设计载荷下的强度。软件能帮助工程师获得更高的安全裕量,同时降低了设计阶段的劳动强度。软件是专门为容器工程师,管道工程师和机械工程师专门设计的,用于快速校核压力和载荷作用下容器/设备接管,以及非标管件的强度。推荐用于石油,天然气,炼油,石化,化工,电力和其他工业行业的设备和管道设计。
软件还可以用于计算超出ASME B31规范范围的三通的SIF和柔性系数k,例如横向三通和D/T>100的三通。

与其他通用有限元软件(ANSYS, NASTRAN等)不同的是,PASS/Nozzle-FEM不需要专门培训,任何机械工程师都可以很快熟练使用。软件自动创建网格和评定计算结果。同时与半解析法(即WRC 107(537)/297)相比,使用有限元计算扩大了应用范围,提高了分析精度。
PASS/Nozzle-FEM可以计算柱壳,锥壳,平封头以及椭圆封头,球形封头和蝶形封头上面的各式结构的接管,包括轴吊。分析时考虑设备的约束边界条件和管口载荷。软件可以计算接管与筒体的薄膜应力,弯曲应力和总应力,同时也可以分析非标三通支管连接处的详细应力。另外,软件新增计算裙座与筒体/封头连接处的应力计算。
除了分析应力和稳定性,软件也可以计算接管与筒体连接处的柔性,因为这个柔性会很大程度上地影响管道应力。在管道应力分析时,管道与容器连接处通常模拟为固定,这样会导致管道的应力和容器管口局部载荷过高。为了解决这个问题,同时在分析模型中合理创建非标支架,PASS/Nozzle-FEM允许工程师将分析结果导入到PASS/START-PROF中进行管道应力的分析。

PASS/Nozzle-FEM在应力评定,获得许用应力时支持如下的规范:

  • ASME VIII div.1,?2;
  • EN 13445-3;
  • JB 4732-1995;
  • GOST 34233;
  • PNAE G-7-002-86.

PASS/Nozzle-FEM计算容器的应力,稳定性和压力作用下的开孔补强。同时也可以计算湿硫化氢腐蚀环境下的接管与筒体的连接强度。

程序内核的主要变化

在2018-2020之间,Nozzle-FEM发布了2.15, 2.16, 3.0 和3.1版本,这之间包含几个重要的变更。为了提高软件的适用性,加快运算速度,逻辑分层以及其他功能,重新写了软件的内核和用户界面。

软件内核包含主要包含三部分(见图1),这三部分互相独立。对象层次模型是由用户输入,将分析的结构表示为对象树:例如,接管表示壳体上的一个子建,在这个模型中,只有几何参数描述对象自身,需要指定子建的位置信息。

图1. Nozzle-FEM内核组件

几何模型是一个拓扑模型,包含曲线,表面,实体以及他们之间的关系等信息,这都是从对象模型中获得,PASS/Nozzle-FEM采用授权的C3D几何内核。目前,PASS/Nozzle-FEM采用壳为基础的拓扑模型,沿着中面剪力的壳体模型。

有限元模型由基于几何模型剪力的壳单元有限元组成。为有限元模型编制了与固体平衡方程相对应的线性代数方程组。

计算方法的精

PASS/Nozzle-FEM在2.15版中精华了基础计算方法:强度,许用载荷,刚度和应力增大系数。

现在采用两种方法计算刚度(柔性):计算壳体-接管的总刚度和不包含接管局部梁单元的刚度。第二种方法用采用梁单元模型(例如PASS/START-PROF),在这样的情况下PASS/Nozzle-FEM内部创建的梁单元模型,接管与壳体连接处的局部刚度是通过壳体和接管梁单元模型的不同位移来获得的:

其中:ubi 是接管梁单元末端i阶自由度的位移计算值, ui是同阶下壳体的位移计算值

为了精化应力和应变的计算方法,采用了应力外延法,解决了如下两个问题:

  1. 通过引入特殊的区域,使得应力集中的区域网格更加的细化和对齐;
  2. 提高了不同网格细化程度下计算结果的收敛性,减少了设计误差;

应力外推法时热点热力法(HSS)的运用,HSS采用表面线性外推法来计算焊脚处的应力(图2)。t1 和 t2位置的选择是基于壳体厚度,这样就能计算应力集中处的应力,同时提高了有限元模型中网格细化结果的收敛性。

图 2. 热点热力法 (HSS)

例如,在一个筒体上的插入式接管端部施加100KN轴向力,比较采用应力外推法和不采用应力外推法的区别。在这个例子中,不采用应力外推时,即便采用等级5级的网格(图3b)也会得不了最大的应力。外表面的最大应力(薄膜应力+弯曲应力)在网格等级为1时,为64.1MPa(图3a),考虑了网格质量系数Km = 1.30,计算应力为83.3 MPa。同时,当网格等级为5级时,最高应力为83.9?MPa(图3b),考虑了网格质量系数Km = 1.30,计算应力为88.1 MPa。这表明网格等级为1级时获得的最大应力小于网格等级为5级。如下图所示,网格等级为5时也没有获得最大应力。

图3. 总应力 (膜+弯) ,网格质量系数为1 (a) 和 5 (b)

当采用应力外推法时,相同的例子(图4),网格等级为1和5的计算结果很接近,而且都高于了不采用应力外推法获得的应力。

图4. 采用应力外推法总应力 (膜+弯) ,网格质量系数为1 (a) 和 5 (b)

PASS/Nozzle-FEM 2.16版发布于2018年12月,提供了“in Junction”?新算法,这在用户中产生了一些关于焊缝区域应力计算的误解。在“in Junction”?选项通常用于管道末端在与壳体连接处(图5中的i点),管道应力分析时通常考虑到壳体外壁处,然后计算获得的管口载荷也是位于该点。

图 5. “In Junction” 计算模型

在2.16之前的版本中,为了创建分析模型,是有最小接管长度要求的。2.16版之后,接管的最小长度是通过如下的公式获得(考虑足够的柔性):

这就允许工程师考虑接管界面筒体的椭圆化,对应的就是接管柔性,这计算还通过了大量的现场试验来验证。在2.16之前的版本中,当选择“in Junction”选项后,最小接管长度首先导致接管与筒体连接处的刚性更大,其次获得的连接处的应力不正确,因为在载荷施加处出现了应力的边缘相应(图6)

图6.外表面总等效应力分布:
a) L=30мм – 很好的诱发了边缘效应;
a) L=50мм – 接管长度还是位于边缘效应的影响范围;
c) 通过公式 (2)获得的长度

图7显示的是轴向许用载荷随接管长度变化的曲线,从图中可以发现,当接管长度短于100mm时,出现了荷载作用点的边缘效应 (D=2000mm, s=12mm, d=203, s1=6 mm)

图7. 柱壳上轴向偏心接管,轴向许用力Fy与接管长度L1的关系曲线A

在计算接管长度时,PASS/Nozzle-FEM自动转化用户定义在连接处的载荷数据,对应的接管长度L1= Lmin(图 5)

新的接管形式

重新写的内核采用C3D几何内核来实现实体建模,这就使得一些新的接管结构可以实现,例如嵌入板和嵌入式锻件(图8)。因此用户可以采用PASS/Nozzle-FEM分析嵌入式结构了。

图8. 嵌入式结构的接管

新元件类型

与PASS/EQUIP不同,PASS/Nozzle-FEM很长一段时间是不支持锥体一端带位移,因为老的软件核处理不了这样复杂的问题(图 9)。

图 9. 一端带位移的锥体上接管的总应力(膜+弯)

很多用户反馈希望增加方形平盖的分析,这样就可以分析空冷器管箱以及方形容器上的管口。这些元件都已经加入到软件计算模块中了(图10)

图10. 方形容器接管的总应力(膜+弯)

载荷

为了更加准确地模拟真实载荷的作用,增加了考虑液柱静压力的选项,所有元件都可以设置液柱静压力(图11),液柱静压力是沿着垂直轴承线性变化的,最大值发生在模型的最底部。对于立式容器(储罐)对应下封头的液柱静压。

图11. 立式容器中,由液柱静压产生的薄膜应力

计算热应力是2.16版软件新增加的重要功能。这样就可以考虑材料的热胀变形,同时计算由于温度变化引起的应力(不同的热胀系数和温度)。

图12a是0.5MPa作用下椭圆封头上等效应力的分布,最大的应力为86.6MPa;如果封头和材料不一样的时候,热胀系数就不同了,然后将封头的设定为200℃,管子的温度设定为220℃。这样就会产生热胀变形约束,支管连接处的应力会显著地增大(图12b),在连接处最大应力变为118.5MPa。

图12. 椭圆封头的总应力(膜+弯)分布,考虑载荷:a) 内压; b) 内压+温差

考虑温差载荷能让计算更加温和规范的要求。例如ASME BPVC.VIII.2要求校核温差引起的二次薄膜应力+薄膜应力。在GOST 34233.1-2017要求按照如下公式评定,根据规范温差应力是需要考虑的:

或者通过如下公式评定温差应力,许用应力通过持久强度和蠕变强度控制:

另外,软件允许一个模型计算多个工况,这是在3.0版的软件中增加的。从3.1版开始,软件可以分析规范规定的试验工况和安装工况。

规范更新

在新版的开发和精化中,软件也根据规范更新了,为不同的规范提供更加快捷的分析结果。软件现在支持的规范规范包括:

  • ASME BPVC.VIII.1,22017,
  • EN 134453:2014(E)Issue4 (201707),
  • GOST342233.1,6,10-2017,
  • JB 4732

未来规划

在未来,PASS技术团队计划将PASS/Nozzle-FEM一方面与压力容器软件PASS/EQUIP交互进行的局部分析,另一方面与PASS/START-PROF软件交互可以直接分析支管连接处和三通。

另外一个选择就是两个软件同时分析:一个新的单独的软件,可以创建复杂的模型,相当于一个软件可以嵌入到另外一个软件中,软件具备更强的交互功能。