問題提出

某項目的固定管板換熱器，管箱管口T1，T2開孔較大，而且作為進出口管口載荷也比較大。

設(shè)備尺寸詳圖如下圖

管箱設(shè)計壓力：60.5Barg，設(shè)計溫度85°C，MAWP63.9Barg，腐蝕裕量3mm。 筒體：ID330.2*16 材料：SA-516 70N

接管鍛件：OD258/ID182， 材料：SA-105N

Ro=258/2=129；Rm=330.2/2+3+13/2=174.6

Ro/Rm=129/174.6=0.7388，超過了WRC107的限制（WRC107/537的開孔直徑范圍為當(dāng)接管開孔外直徑/筒體中徑應(yīng)在0.0571~0.571之間）

在PVElite運行后，發(fā)現(xiàn)其局部應(yīng)力計算結(jié)果出現(xiàn)紅色警告。

這也是經(jīng)常出現(xiàn)的情況，超界。

超界=不安全？

在這里先申明一個觀念：超界不等于不安全

我經(jīng)常遇到設(shè)計人員算局部應(yīng)力的時候，看到軟件提示超界無法計算，就說計算不合格。前幾天遇到設(shè)計人員對于一個壓力比較低，介質(zhì)也沒有危害的設(shè)備采用鍛管，而且鍛管厚度并不比采用鋼管厚多少。我給的修改意見是改為補強圈。他過一會說，補強圈試過了，不合格。我感覺很納悶，一般補強圈對于局部應(yīng)力來說效果比鍛管要好，為什么加了補強圈局部應(yīng)力反而不合格。我過去看程序，SW6的提示是厚度比超界，無法計算。

超界和不安全是兩個概念。超界是無法滿足計算的一些假設(shè)條件，從而無法適用現(xiàn)有的計算模型。不安全是滿足現(xiàn)有的計算模型，但是計算不通過。超界和安不安全是沒有關(guān)系的，無法計算不代表不安全。

快速評估方法

當(dāng)幾何尺寸超界時，軟件無法計算局部應(yīng)力，不僅僅是PVElite軟件，SW6中間出現(xiàn)的限制更多，因為SW6未考慮WRC537，不能采用擬合公式。此時SW6會直接告訴用戶，你輸入的數(shù)據(jù)超界無法計算。工程中有很多是無法精確計算或者是精確計算需要耗時較多不經(jīng)濟 。那么有沒有方法在無法計算的時候，不用有限元分析來確定是否結(jié)構(gòu)承載能力足夠呢？

答案是肯定的，如果計算時超界可以考慮如下6種方法使得模型“入界”，再評估是否安全。

1.加補強圈。當(dāng)筒體與接管厚度相差較多時，通過增加補強圈使兩者厚度接近，可以不用標(biāo)準(zhǔn)補強圈，厚度也可以按照需要調(diào)整。

2.減薄接管厚度。接管厚度太厚，無法計算，可以通過減薄接管厚度的方法得到保守解。

3. WRC297無法計算可以使用WRC107計算，WRC107在接管壁厚大于筒體時，一般最大應(yīng)力都在筒體上。

4.減少接管直徑。接管直徑越大，能承受的外載越大，如果小尺寸的接管能承受A載荷，那么大尺寸的接管也能承受A載荷。

5.用PVElite來核算一下是否通過，余量有多少。因為PVElite計算局部的結(jié)構(gòu)尺寸WRC107超界時，仍然WRC537繼續(xù)計算，使用的是延長線和擬合公式的值。對于判斷趨勢是有參考價值的。

6.最后可以考慮加厚筒節(jié)的方法使結(jié)果通過。

上面那臺加補強圈計算超界，如何解決的呢？因為WRC297需要接管和筒體的厚度在一定的范圍內(nèi)。由于補強采用標(biāo)準(zhǔn)補強圈，厚度與筒體相同，導(dǎo)致筒體+補強圈的有效厚度，大于接管有效厚度的2倍，使得計算超界。經(jīng)過調(diào)整，補強圈采用標(biāo)準(zhǔn)外徑，厚度為3mm時，計算通過，打印出計算書來看，接管根部筒體和接管連接處的應(yīng)力都非常低，所以加補強圈是完全安全可靠的。

而使用鍛件時的應(yīng)力，在筒體處的最大應(yīng)力已經(jīng)接近3倍許用應(yīng)力，裕量非常小。所以采用補強圈不但能夠大大緩解局部應(yīng)力，對制造的便利，成本的節(jié)省都有好處。

問題解答

這臺設(shè)備對照上面6條，我們發(fā)現(xiàn)第4條最合適估計此載荷下，結(jié)構(gòu)是否安全。

將接管外徑改為174.6*0.571=199.3，所以我們可以將接管外徑改為198以及其它一系列尺寸對比，代入PVElite中進行試算，其評定為實際應(yīng)力與許用應(yīng)力比值。

從上表可以看出從符合標(biāo)準(zhǔn)的尺寸來看，相同的厚度的接管，其外徑越小承載能力越小。那么我們可以合理的猜測，外徑258的尺寸應(yīng)該是安全的。

有限元驗證

我們代入PVElite計算，得到超界后的計算結(jié)果是合格的。不放心后進行局部應(yīng)力分析。

模型建立

局部載荷施加

應(yīng)力分布

應(yīng)力云圖分布

應(yīng)力評定：

一般局部薄膜應(yīng)力按照1.5S，局部薄膜+彎曲應(yīng)力按照3S

但是根據(jù)GB150.3 第 6.6.2.1可以按照

局部薄膜應(yīng)力≤2.2S

膜+彎≤2.6S

分析結(jié)果評定

1.最大點出現(xiàn)在周向方向，鄰近CL/CU點。

2. Cl處,線性化后膜+彎為400.3Mpa<413.7MPa，合格

3. 6條路徑線性化后合格。

與WRC107/WRC297對比：

1. 最大點出現(xiàn)位置類似，CL點處。

2. 按照第3點，接管壁厚遠(yuǎn)大于筒體時，最大應(yīng)力點在筒體上，分析結(jié)果也驗證了這一點。

3. WRC107計算的膜+彎曲應(yīng)力為275.1MPa。遠(yuǎn)小于分析設(shè)計的400.3MPa。 大開孔的WRC的結(jié)果與有限元結(jié)果還是有區(qū)別的，當(dāng)為大開孔時，內(nèi)壓產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力非常大，它和接管載荷的彎曲應(yīng)力疊加，會導(dǎo)致WRC107的結(jié)果不是很保守。所以大開孔的管口載荷分析，完全采用WRC107是不保守的?？梢圆捎们迦A分析法來核算一下。

4. 如果開孔率不大，采用WRC107/WRC297配合上面的6條經(jīng)驗，能夠解決大部分的工程問題。

總結(jié)

出現(xiàn)超界情況->分析原因，試算使之“入界”->保守估計快速確定合理尺寸->考慮是否有必要采取別的方法驗證（如有限元）