關(guān)于ASME厚壁膨脹節(jié)設(shè)計(jì)的兩個(gè)問題

孫志剛，楊湖，占龍楊

（1. 無錫化工裝備股份有限公司，江蘇無錫 214131；2. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210036）

ASME Ⅷ-1[1]強(qiáng)制附錄26 僅適用于總厚度5mm以內(nèi)的膨脹節(jié)，基本無法用于常見的換熱器厚壁膨脹節(jié)設(shè)計(jì)。ASME Ⅷ-1 在強(qiáng)制附錄5 對殼體柔性元件膨脹節(jié)設(shè)計(jì)作出了規(guī)定，適用于厚壁膨脹節(jié)，強(qiáng)制附錄5-3（a）規(guī)定了包括UHX-17 在內(nèi)的膨脹節(jié)應(yīng)力限制準(zhǔn)則，但并未提供膨脹節(jié)應(yīng)力計(jì)算方法。TEMA RCB-8[2-3]殼體柔性元件有限元分析規(guī)定適用于厚壁膨脹節(jié)，但未提供應(yīng)力限制準(zhǔn)則，工程中普遍把ASME Ⅷ-1 與TEMA 結(jié)合起來對ASME 換熱器厚壁膨脹節(jié)進(jìn)行有限元分析設(shè)計(jì)。

TEMA 協(xié)會厚壁膨脹節(jié)有限元分析設(shè)計(jì)程序Flanged and Flued Expansion Joint Evaluation Program 比較具有代表性，膨脹節(jié)應(yīng)力分析依據(jù)TEMA RCB-8，應(yīng)力限制準(zhǔn)則可按ASME Ⅷ-1 強(qiáng)制附錄5-3、UHX-17 以及ASME Ⅷ-2，但在國內(nèi)一直未有引入應(yīng)用。壓力容器設(shè)計(jì)軟件PV elite 支持膨脹節(jié)有限元分析設(shè)計(jì)，但不能按UHX-17 進(jìn)行應(yīng)力評定；COMPRESS膨脹節(jié)有限元分析設(shè)計(jì)應(yīng)力評定可以選擇強(qiáng)制附錄5-3 或者UHX-17，但COMPRESS 膨脹節(jié)有限元分析采用的是梁單元，TEMA 認(rèn)為梁單元應(yīng)力計(jì)算精度不理想[3]。

國內(nèi)壓力容器廠家一般采用ANSYS 等通用有限元程序進(jìn)行ASME 厚壁膨脹節(jié)的有限元分析設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)者要求較高。膨脹節(jié)主要承受壓力載荷和端部位移，壓力載荷即為殼程壓力，是明確的，分析設(shè)計(jì)時(shí)正確確定膨脹節(jié)各個(gè)載荷工況下的位移邊界條件十分關(guān)鍵。對應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行評定直接關(guān)系著膨脹節(jié)的安全和設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性。相關(guān)文獻(xiàn) [4]、[5]、[6]與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并不一致，本文對ASME Ⅷ-1 換熱器厚壁膨脹節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行了介紹，可為厚壁膨脹節(jié)有限元分析設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 ASME Ⅷ-1膨脹節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)定

ASME Ⅷ-1[1]附錄5-3（a）中關(guān)于膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)定僅包括應(yīng)力限制部分：

（1）僅有機(jī)械載荷作用時(shí)，膨脹節(jié)的最大應(yīng)力應(yīng)限制在1.5S以內(nèi)，S為設(shè)計(jì)溫度下膨脹節(jié)材料許用應(yīng)力強(qiáng)度，Sy為材料的屈服強(qiáng)度。

這里的機(jī)械載荷包括壓力和壓力產(chǎn)生的膨脹節(jié)軸向位移，即壓力位移，所以即便沒有熱膨脹差，膨脹節(jié)端部軸向位移也不會為零。比如不計(jì)及熱膨脹差工況下僅有殼程壓力單獨(dú)作用時(shí)，膨脹節(jié)兩端軸向位移必然不為零，ASME 要求機(jī)械載荷包括壓力和壓力位移與膨脹節(jié)實(shí)際承載情況是一致的。采用SW6校核帶膨脹節(jié)固定管板換熱器時(shí)可將管殼程平均金屬壁溫設(shè)置為20 ℃，此時(shí)熱膨脹為零，膨脹節(jié)的位移即為壓力位移。

（2）僅有熱膨脹引起的軸向位移或者機(jī)械載荷加熱膨脹引起的軸向位移作用時(shí)，膨脹節(jié)的最大應(yīng)力應(yīng)限制在Sps以內(nèi)，Sps為一次加二次應(yīng)力的最大允許應(yīng)力。Sps一般取3S，材料室溫下的屈強(qiáng)比小于等于0.7時(shí)可取3S與2Sy中的大值。

（3）UHX-17（a）規(guī)定對于僅有機(jī)械載荷作用的工況，按照膨脹節(jié)剛度為0 進(jìn)行附加評定，換熱器除膨脹節(jié)以外的其他的元件（管板、換熱管、筒體、管箱等）強(qiáng)度評定能通過，那么波峰波谷處薄膜加彎曲應(yīng)力最大應(yīng)力限制可以由1.5S提高到Sps。

UHX-17（a）要求進(jìn)行膨脹節(jié)0 剛度附加評定，主要是考慮膨脹節(jié)波峰波谷處應(yīng)力超過1.5S后材料發(fā)生屈服，材料進(jìn)入塑性階段，膨脹節(jié)承受軸向載荷能力下降發(fā)生應(yīng)力重分布?？梢赃M(jìn)行膨脹節(jié)彈塑性分析計(jì)算膨脹節(jié)塑性剛度，用來代替膨脹節(jié)彈性剛度。但是這種方法本身比較麻煩，UHX-17（a）直接保守處理，假定膨脹節(jié)剛度為0，即膨脹節(jié)不具備軸向承載能力，此時(shí)如果其余元件一次應(yīng)力校核仍能通過，那么可以把膨脹節(jié)波峰波谷應(yīng)力限制值放寬到Sps，即膨脹節(jié)波峰波谷出的彎曲應(yīng)力由一次應(yīng)力轉(zhuǎn)化成二次應(yīng)力。UHX-17（a）的做法相當(dāng)于是在其余零部件不發(fā)生塑性垮塌的情況下，膨脹節(jié)兩端位移受到限制，壓力位移導(dǎo)致的膨脹節(jié)應(yīng)力可按二次應(yīng)力處理，符合一次結(jié)構(gòu)法[7-9]的要求。

綜上所述，并參考ASME Ⅷ-1 表UHX-17，可知膨脹節(jié)應(yīng)力限制如表1 所示。表中符號意義見ASME Ⅷ-1。

表1 膨脹節(jié)載荷工況與應(yīng)力限制Table 1 Expansion joint load cases and stress limits

2 膨脹節(jié)軸向位移

文獻(xiàn) [10]在對GB/T 151 帶膨脹節(jié)換熱器管板設(shè)計(jì)方法改進(jìn)中指出膨脹節(jié)的位移需要考慮膨脹節(jié)圓環(huán)內(nèi)部壓力導(dǎo)致的膨脹變形引起的軸向位移。ASMEⅧ-1 換熱器部分UHX-16（a）提供了膨脹節(jié)軸向位移計(jì)算公式，如式（1）所示，符號意義見ASME Ⅷ-1。公式中第一項(xiàng)為筒體軸向力作用下膨脹節(jié)軸向位移，第二項(xiàng)為膨脹節(jié)圓環(huán)內(nèi)部壓力導(dǎo)致的膨脹變形引起的軸向位移。第一項(xiàng)的分母為膨脹節(jié)和筒體組合剛度，UHX-16 針對的是薄壁波紋管膨脹節(jié)，膨脹節(jié)剛度較小，通常遠(yuǎn)小于筒體軸向剛度，組合剛度可以認(rèn)為等于膨脹節(jié)剛度。針對厚壁膨脹節(jié)，筆者認(rèn)為可采用膨脹節(jié)剛度。

將式（1）符號換成GB/T 151 和GB/T 16749 對應(yīng)符號，并將第一項(xiàng)分母改為膨脹節(jié)剛度，可得式（2）。按照式（2）對國標(biāo)換熱器膨脹節(jié)的軸向位移進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與SW6 中膨脹節(jié)當(dāng)量軸向力除以膨脹節(jié)剛度得到的位移值十分一致，說明GB/T 151 與ASME Ⅷ-1 關(guān)于膨脹節(jié)位移計(jì)算是一致的。

在TEMA 第9 版中膨脹節(jié)軸向位移計(jì)算公式為筒體軸向力除以膨脹節(jié)剛度，顯然是不對的。TEMA第10 版對此進(jìn)行了修改，在附錄A.2.6 節(jié)中提供了膨脹節(jié)軸向位移計(jì)算公式，與UHX-16 以及UHX-17中的公式類似。

ASME 的管板設(shè)計(jì)方法一般采用其UHX 篇，而非TEMA，此時(shí)膨脹節(jié)有限元模型筒體端部位移值應(yīng)按照UHX-17 公式進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)公式按照GB/T 151 和GB/T 16749 對應(yīng)符號轉(zhuǎn)換，如式（3）所示，其中Ks為筒體軸向剛度，νs為筒體材料泊松比。

式（1）和式（2）為膨脹節(jié)自身（不包括筒體）兩端的軸向位移，適用于公式算法；式（3）為膨脹節(jié)加殼程筒體軸向位移，即左右兩管板殼程側(cè)端面軸向相對位移。有限元分析時(shí)需要考慮邊緣應(yīng)力衰減長度，筒體長度取實(shí)際長度比較合適，式（3）適用于有限元分析。如果膨脹節(jié)兩端殼程筒體長度小于邊緣應(yīng)力衰減長度，宜采用三維模型比較合適，以計(jì)及到整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的影響。

3 結(jié)論

ASME Ⅷ-1 規(guī)定厚壁膨脹節(jié)不計(jì)及熱膨脹載荷工況下膨脹節(jié)的機(jī)械載荷包括壓力和壓力位移，而國標(biāo)GB/T 16749 認(rèn)為位移產(chǎn)生的應(yīng)力為二次應(yīng)力，一般不包括壓力加壓力位移載荷工況，進(jìn)行ASME 厚壁膨脹節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)參考GB/T 16749 的做法。

ASME 膨脹節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，對壓力加壓力位移在膨脹節(jié)波峰波谷產(chǎn)生的薄膜加彎曲應(yīng)力應(yīng)先按一次應(yīng)力評定，如果校核未能通過，則應(yīng)進(jìn)行UHX-17 規(guī)定的膨脹節(jié)零剛度下的換熱器強(qiáng)度校核要求，如果校核通過，才可以按一次加二次應(yīng)力評定膨脹節(jié)波峰波谷處的薄膜加彎曲應(yīng)力，而不是直接按一次加二次應(yīng)力評定膨脹節(jié)波峰波谷處的薄膜加彎曲應(yīng)力。壓力加壓力位移下膨脹節(jié)波峰波谷處薄膜加彎曲應(yīng)力按一次應(yīng)力校核未能通過，如果不考慮UHX-17，直接增加膨脹節(jié)波數(shù)，可能導(dǎo)致保守的設(shè)計(jì)結(jié)果。

第9 版TEMA 中膨脹節(jié)位移計(jì)算公式未考慮膨脹節(jié)圓環(huán)內(nèi)部壓力導(dǎo)致的膨脹變形引起的軸向位移，是不合適的，第10 版TEMA 已作出修改。膨脹節(jié)有限元分析時(shí)模型應(yīng)包含殼程筒體全部長度，采用ASME Ⅷ-1 進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，軸向位移計(jì)算應(yīng)采用UHX-17 相應(yīng)的公式，即本文式（3）。