设备管口在外载荷作用下设计的注意事项

常见设备如换热器、塔器、容器、反应器需要通过管线相互连接，连接管线对设备管口会产生水平载荷、轴向载荷以及扭矩和弯距，特别是直径较大的管口，为保证设备管口在外载荷作用下的安全性，设备专业需要校核设备管口的应力强度，并依据相应的标准规范进行安全评定。通常采用ANSYS、ADINA、ABAQUS、 NOZZLEPRO软件等软件和WRC297、WRC107、CSCBPV TD001程序进行设备管口的局部应力校核。在计算中需要考虑以下几点注意事项，与同行共勉。
1．设备管口载荷条件的注意事项
1.1 管道专业对设备专业提出的载荷条件，一般都是以各种工况提出的，设备专业需要计算的不仅仅是设计工况，还要考虑操作工况等各种工况的评定，ASME标准里面的工况就特别详细。设计工况和操作工况的评定也是不同的，每种工况考虑的载荷也不相同，可参考ASME VIII-2中的载荷组合工况进行分析。
1.2 管道专业提出的载荷通常是在管口与壳体连接处，而我们用ANSYS软件计算校核时，需要按照管口法兰密封面处的载荷进行计算，这就需要对原载荷进行位置的转换，很容易出现转换错误，所以尽可能要求管道专业把载荷提到法兰密封面。
1.3 管道载荷条件表中的管口方向，应和设备图纸管口的方向保持一致，设备专业在进行有限元模型建立的时候，才能保证施加的载荷与原载荷条件相对应。
1.4 当载荷比较大时，设计人员还应考虑载荷对设备支撑的影响，对设备支撑应进行校核，NOZZLEPRO软件适合做这样的计算。
1.5 管道载荷条件表中的管口轴向载荷，是否已经包括设备内压产生的等效载荷，还需要与管道专业沟通确认。
2．设备管口有限元计算的注意事项
2.1 设备专业需要校核管口及其与设备壳体连接处的应力强度，特别是相贯区的应力强度，所以该区域的网格划分应规整，尽量采用六面体网格，避免出现应力奇异。网格粗细直接影响应力的计算结果。
2.2管口与设备壳体相贯区内外壁角焊缝应呈凹面圆滑过渡，倒角的大小要按照标准进行，避免过大导致焊接困难，过小不能满足应力衰减的作用。
2.3 有限元模型应考虑法兰对计算的影响，特别是接管外伸较短，法兰本身的应力分布与相贯区的应力分布叠加，会对法兰密封有一定的影响。
2.4设备管口与壳体的材料通常不同，即使都采用板材卷制，也可能因厚度不一致而导致许用应力的不同，在有限元评定时，对焊缝处的应力评定应采用较小的许用应力值进行，要考虑异种钢焊接的影响，理论计算和实际要尽量保持一致。
2.5因外载荷的存在，相贯区域的弯曲应力具有一次应力和二次应力的性质，所以进行安全评定时应特别注意，不能盲目按照标准来进行，不能一概而论，如果相贯区大部分区域应力都已经超过了屈服限，还在当做二次应力用3Sm进行评定，那也是很危险的，NOZZLEPro软件里面给出了很好的提醒。ASME标准里面已经根据材料的屈强比是否大于0.7采用不同的评定，棘轮中对二次应力也是给出了具体的评定，疲劳分析也对二次应力进行了限制…
2.6在管口外伸较长且设计温度比较高时，有限元计算应考虑接管热膨胀量的影响，要考虑液柱静压力的影响。
2.7应力计算时，管口法兰是否泄漏，其密封性能应在管道系统中予以考虑。
2.8很多教材，把约束设置在管口的端部，不可照搬照抄，应根据实际情况进行施加。
3．制造检验验收的注意事项
3.1 GB/T150.4-2011中第10.3.2节规定，承受外载荷的公称直径大于等于250mm的接管与接管对接焊缝和接管与高颈法兰的对接接头，除第10.3.1节规定以外的容器，应对其A类及B类焊接接头进行局部射线或超声检测。设计者可根据设备的重要性提高检测和评定要求。
3.2 相贯区域的角焊缝存在高应力，应采用全焊透结构，尽量采用体积检测和表面检测，避免焊缝内外表面出现裂纹等缺陷，保证焊接接头系数应为1.0。ASME里面对焊缝是否进行检测，直接影响疲劳强度减弱系数。
3.3 GB/T150.1-2011中附录E规定，按本附录进行容器局部结构分析的设计单位和设计者一般不要求具备分析设计资格。设计单位应对局部结构分析的正确性负责，分析报告应作为对局部结构的强度计算书。应力分类及应力分析结果的评定方法应符合JB4732的规定。材料的设计应力强度按GB/T150.2材料的许用应力。局部结构的制造、检验和验收要求应满足JB4732的相应规定。

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