一件疲勞豁免的小事

疲勞工況能豁免嗎

一天，朋友問(wèn)我：

“最近有一臺固定管板換熱器，直徑DN500，管程操作壓力在0到0.3MPa循環(huán)，設計壓力0.5MPa。設計規范按照JB4732做分析且蓋章，多少錢(qián)？”

我問(wèn)：

“溫度高嗎？”

回答：

“溫度不高，大約160度。”

又問(wèn)：

“只是因為壓力波動(dòng)，所以需要做分析？”

回答：

“是的。”

我說(shuō)：

“你這種情況，可以直接提高設計壓力來(lái)設計。

按照JB4732，當壓力波動(dòng)小于設計壓力的20%時(shí)，是不計入循環(huán)次數的。

比如壓力0~0.3，0.3*5=1.5MPa。把設計壓力定為1.5MPa，就可以豁免疲勞。

對于你這臺DN500的換熱器，1.5MPa和0.3MPa的常規設計，材料成本相差無(wú)幾。但是省去了分析，經(jīng)濟合理。”

朋友高興道：

“有道理！”

業(yè)主不同意

過(guò)了不一會(huì )，朋友又電話(huà)過(guò)來(lái)：

“不行啊，業(yè)主工藝不同意升高設計壓力，說(shuō)是系統都是按照這個(gè)設計壓力，不能隨便修改，所以還是需要幫忙，做分析設計！”

我想了一下：

“這種情況不用考慮業(yè)主的想法，設備是可以自己決定的。”

朋友說(shuō)：“自己決定？”

我說(shuō)道：“是的，設備是可以自己決定能否豁免的，比如保持原來(lái)的設計壓力，同時(shí)提高設備的MAWP。這樣就避免了業(yè)主工藝的修改了。

設備MAWP提高到壓力波動(dòng)的5倍，能豁免疲勞，只要經(jīng)濟性滿(mǎn)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，提高設備的MAWP到1.5MPa，整臺設備都能不增加成本的情況下，豁免疲勞。

但是有時(shí)候，整臺設備按照MAWP計算，不增加成本，但是管法蘭的壓力等級卻限制了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 )導致管法蘭壓力等級要提升，此時(shí)又要和其它專(zhuān)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A(yíng)SME里，未明確表達適用與否。ASME中與疲勞相關(guān)的部分，沒(méi)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，但是未明確如何計算。

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

在實(shí)際設備分析時(shí)，一些朋友帶著(zhù)管法蘭做疲勞分析，很多時(shí)候管法蘭的邊界條件是錯的，只是把管法蘭當做一個(gè)加強圈在用，導致管法蘭的應力幅很小，管法蘭的結果完全不可信。

用FEA的方法用來(lái)判斷法蘭標準件，顯得復雜且低效。

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

個(gè)人見(jiàn)解

個(gè)人認為，管法蘭疲勞是可以豁免的。

在實(shí)際操作中，大多數設計人員是不會(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算，絕大多數都是由預緊狀態(tài)的設計力矩Mo控制了法蘭的厚度。

用設計力矩Mo去核算法蘭各個(gè)截面的應力，相當于用預緊工況核算各截面應力，那么就相當于操作工況的壓力波動(dòng)并不影響法蘭的計算和法蘭的應力。

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

個(gè)人推測，這也是ASME為什么不明確說(shuō)是否可以豁免。

EN13445的不可豁免，可能因為它計算法蘭有兩種方法，一種是waters法，一種是按照泄漏率來(lái)計算，兩種方法計算結果不同，也不能說(shuō)操作對法蘭沒(méi)有影響，所以就要求計算。

假如管法蘭不用考慮疲勞，設備其他部件提高M(jìn)AWP，其實(shí)設備不用做FEA，按照規則設計規范，也可以得到可靠的設計。

不論最終采用哪種方法，起碼在設計人心里，這樣設計出來(lái)的厚度是安全可靠的。

結束語(yǔ)

1. 通過(guò)按照規范提高設備的MAWP來(lái)豁免疲勞是一個(gè)比較好的工程方法，牽涉的專(zhuān)業(yè)少，若果經(jīng)濟性無(wú)問(wèn)題，實(shí)現起來(lái)容易。

2. 管法蘭是否可以豁免，還需要規范明確。一般情況下，當然希望管法蘭能夠豁免，或者能夠用簡(jiǎn)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力分析問(wèn)題。