基于热点应力法和结构应力法的保温支撑圈焊接接头疲劳评估及对比.pdf

第 60 卷第 4 期2023 年 8 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.60No.4Aug.2023周强，等基于热点应力法和结构应力法的保温支撑圈焊接接头疲劳评估及对比周强，张群，姬存民，杨靖，李林（西南化工研究设计院有限公司，四川 成都 610225）摘 要：针对疲劳容器中保温支撑圈与壳体的焊接接头，分别采用欧盟压力容器标准 EN 13445-3 中基于外推的热点应力法和美国压力容器标准 ASME -2 中的结构应力法对其进行疲劳评估。结果显示，采用热点应力法计算的疲劳寿命大于结构应力法计算的疲劳寿命，但两者均远远小于设备壳体母材金属的疲劳寿命。当设备预期压力循环次数较多时，为满足保温支撑圈焊接接头的疲劳寿命而将壳体薄膜应力降至非常低的水平，会导致壳体材料的较大浪费，因此，在循环次数较高的疲劳设备中应尽量采用非焊接保温支撑方式，或是采用其他受力较好的焊接保温支撑圈结构。关键词：焊缝疲劳；热点应力；结构应力；保温支撑圈；变压吸附中图分类号：TQ 050.2；TH 123 文献标志码：A 文章编号：1009-3281（2023）04-0006-008收稿日期：2022-07-14基金项目：四川省科技计划项目，项目编号：2021GFW0007，项目名称：含甲烷气体（页岩气及焦炉气）高效制氢研发设计服务。第一作者简介：周强（1991），男，工程师，本科。长期从事压力容器分析设计工作。疲劳设备在石油和化工装置中发挥着重要的作用，特别是在变压吸附提氢装置中，压力波动高达百万次的吸附塔更是装置的核心设备。近年来，在对国内多家石油和化工企业的设备进行全面检修时，多次发现吸附塔的保温支撑圈与壳体焊接处出现了疲劳裂纹 1。文献 2、3 等曾对保温支撑圈与壳体焊接接头进行了疲劳分析，其均采用了 JB 4732 所提供的金属材料疲劳评估方法及对应的光杆疲劳试验曲线。然而，金属疲劳失效和焊接接头疲劳失效机理并不相同 4，采用金属疲劳评估方法和光杆疲劳曲线来评估焊接接头的疲劳寿命是不保守的 5，应采用更加科学可行的方法对保温支撑圈结构焊接接头进行疲劳评 估。目前，常用焊接接头疲劳评估方法主要有缺口应力法、热点应力法、等效结构应力法和断裂力学方法等。其中缺口应力法需计算出焊接接头的局部缺口应力，但在进行有限元计算时，常因为焊接结构存在应力奇异而导致应力计算时并不能得到确定的收敛值。采用基于裂纹扩展的断裂力学方法时，需假设焊接接头初始裂纹，在工程应用中，该初始裂纹的参数无统一的标准，从而导致不同的设计人员得出差异较大的结果。而 EN 13445 中基于外推的热点应力法（以下简称热点应力法）和 ASME -2 中的等效结构应力法（以下简称结构应力法）有效地避开了应力奇异和计算标准不统一的问题，使得焊接接头的疲劳分析具有工程可操作性。为得到保温支撑圈焊接接头的疲劳寿命，采用ANSYS Workbench 2020 R1 对一算例进行有限元应力计算，分别按热点应力法和结构应力法对其焊趾处疲劳寿命进行分析，并对两种方法的分析结果及壳体母材金属的疲劳寿命进行对比和分析，为工程设计提供参考。1 模型分析在绝大多数保温支撑圈焊接接头疲劳失效的案例中，其疲劳裂纹均起始于保温支撑圈端部的焊趾处，裂纹沿筒体轴线方向扩展，详见图 1 所示 6。因此，在疲劳评估时将假设裂纹面指定在保温支撑圈端2023 年 8 月 7 周强，等.基于热点应力法和结构应力法的保温支撑圈焊接接头疲劳评估及对比部的焊趾处，且裂纹沿筒体轴线方向。（2）力边界：壳体内壁施加 2.1 MPa 内压，壳体上周向截面施加 46.148 MPa 等效拉应力。具体边界条件施加如图 4 所示。图 1 保温支撑圈焊接接头疲劳失效案例Fig.1 Fatigue failure case of welded joint of thermal insulation supporting ring图 2 总体网格划分Fig.2 The overall mesh图 3 局部网格划分Fig.3 The local mesh图 4 边界条件示意图Fig.4 Schematic diagram of boundary conditions1.1 设计条件操作压力循环：0 2.1 MPa；操作温度：40 ，壳体材料 Q345R，保温支撑圈材料 Q235B；筒体几何模型尺寸见表 1 所示，保温支撑圈尺寸见表 2 所示。表 1 筒体尺寸Table 1 Size of cylinder部位筒体直径/mm筒体壁厚/mm值1 60018表 2 保温支撑圈尺寸Table 2 Dimensions of heat preservation supporting ring部位高度/mm壁厚/mm焊脚高度/mm值6064在计算中不考虑腐蚀裕量和负偏差。1.2 几何模型为获得保温支撑圈端部焊趾处的热点应力或结构应力，在有限元计算时采用三维实体模型，同时为节约计算资源，只取一部分模型进行计算。1.3 单元划分采 用 ANSYS Workbench 中 的 20 节 点 三 维 实体单元（SOLID186），在保温支撑圈端部焊趾处将单元细化，以求得到较为精确的结果。为满足 EN 13445-32014，18.6.1 节中二次外推的要求，将保温支撑圈端部附近的网格长度设置为 0.1 倍壳体壁厚，即 1.8 mm，具体网格划分详见图 2、图 3 所示。1.4 边界条件根据模型特点和载荷情况，边界条件设置如下：（1）位移边界：两轴向截面施加无摩擦约束，下周向截面施加竖向位移约束。2 基于 EN 13445 中热点应力法的疲劳评估基于外推的热点应力法从 20 世纪 70 年代开始在海上结构管接头中得到应用，90 年代逐渐在船舶、车辆等领域开展应用 7，随后此方法被写入国际焊第 60 卷第 4 期 8 化工设备与管道接协会（IIW）标准焊接接头与部件的疲劳设计。在 IIW 的标准中，热点应力定义为热点处表面的应力值 8，其包含了总体结构不连续的影响，不包含局部结构不连续的影响，可通过外推获得，热点为可能形成初始裂纹的点，在焊接结构中，热点通常在焊趾或焊根部位。EN 13445-3 中引入了和 IIW 文件中相同的热点应力法，热点应力在该标准中被称为结构等效应力，且须通过外推法获得。2.1 应力结果在采用 EN 13445-3 中热点应力法进行焊接接头疲劳评估时，主应力范围可按附录 P 查询焊接结构的疲劳曲线等级，也可以基于第三强度理论的等效应力（以下简称等效应力）范围按表 18-4 查询焊接结构的疲劳曲线等级，算例中采用后者。对模型进行计算和后处理后得出等效应力云图如图 5 所示。劳曲线（S-N 曲线），该 S-N 曲线上 200 万次循环时对应的疲劳强度值称为该类焊缝结构的疲劳曲线等级。查 EN 13445-3 表 18-4 可知，保温支撑圈焊缝结构与表中编号 5.1 的焊缝结构相匹配，如图 8 所示 9，其焊缝结构的疲劳曲线等级为 71。图 5 等效应力（第三强度理论）云图Fig.5 Equivalent stress cloud(third strength theory)图 7 外推基点处的等效应力Fig.7 Equivalent stress at extrapolated base point图 6 二次外推的外推基点示意图Fig.6 Schematic diagram of the extrapolation base point of the quadratic extrapolationEN 13445-3 中提供了三种获得热点应力的外推方法，其中有两种一次外推的方法和一种二次外推的方法，具体见标准中图 18-3。算例中采用二次外推的方法，其 3 个外推基点位置如图 6 所示。此方法要求外推点附近标距长度应 0.2e，其中 e 为壳体壁厚，在有限元计算中标距长度即为网格的边长。取 3 个 外 推 基 点 的 等 效 应 力，详 见 图 7 所示。图中可看出 3 个外推基点处的等效应力分别为143.76 MPa、128.71 MPa、121.78 MPa。按热点应力二次外推公式有：2.522.240.720.40.91.4eeevvvv=-+（1）将 3 个外推基点的等效应力代入式（1）计算得热点应力 161.7 MPa，所以热点处等效应力变化范围eq=161.7 MPa。2.2 疲劳寿命计算在热点应力法中，每一类焊接结构对应一条疲0.4e0.5ee0.5e图 8 EN 13445-3 表 18-4 中编号 5.1 的焊接结构Fig.8 Weld detail of No.5.1 in table 18-4 of EN 13445-3Lt根据 EN13445-3 式 18.10-17 疲劳寿命计算公式：NfCwmeq11Tv=cm （2）式中 C1、m1 常数，按 EN 13445-5 表 18-7 查得C1=7.161011，m1=3.0；fw修正系数，fw=fewfT*；2023 年 8 月 9 周强，等.基于热点应力法和结构应力法的保温支撑圈焊接接头疲劳评估及对比 few 壁厚修正系数，当壁厚 25 mm 时，few=1；fT*温度修正系数，当温度 100 时，fT*=1；将 C1、m1、fw代入式（2）有：.N1161 77 1610169 340311#=j次所以，按 EN 13445-3 中热点应力法计算得该焊接结构的疲劳寿命为 169 340 次。3 基于 ASME -2 中结构应力法的疲劳评估结构应力法源自华裔学者 Dong P 及其团队的研究成果Battlelle 结构应力法，后经过修正引入了2007 版的 ASME -2。早期版本的标准要求使用该方法进行疲劳评估时需用户批准，随着该方法不断推广应用，其可靠性和先进性越来越被行业所接受，在 2017 及以后的版本中已取消了此条要求。3.1 应力结果结构应力是薄膜应力和弯曲应力中与潜在裂纹面垂直的应力分量 10，在保温支撑圈与壳体的焊接结构中，为壳体周向的应力分量，经过计算和处理后得到壳体的周向应力云图如图 9 所示。图，过最大应力点处取壳体壁厚方向的线性化路径，如图 10 所示。图 9 周向应力云图Fig.9 Circumferential stress cloud图 10 线性化路径Fig.10 Linearization pathASME -2 提供了两种获得结构应力的方法，分别为基于节点力的结构应力计算方法和基于应力积分的结构应力计算方法 11。其中基于节点力的结构应力计算方法具有单元类型和网格尺寸不敏感的优点 12，且与焊接件的疲劳数据有很好的关联性 13。但其计算过程较复杂，多数情况需要借助专业软件进行，算例中采用了操作更简便且只需借助通用有限元软件即可以完成的应力积分方法。根据周向应力云线性化处理后得到薄膜应力mem,k=105.84 MPa；弯曲应力为meb,k=61.12 MPa。3.2 结构应力范围参量计算按 ASME -2-2021 标准 5.5.5.2 节的焊接接头疲劳评定流程：（1）第一步，确定载荷历史仅考虑正常内压循环工况，设备内压循环范围0 2.1 MPa。（2）第二步，确定各个应力-应变循环因只考虑唯一的内压循环，所以循环应力范围为 0 MPa 内压下的应力到 2.1 MPa 内压下的应力。（3）第三步，确定循环起点和终点时垂直于假想裂纹面的薄膜应力和弯曲应力。并计算薄膜应力和弯曲应力范围，以及最大应力、最小应力和平均应力.因裂纹起始于设备外表面，裂纹表面无介质压力作用，其裂纹面压力 Pk=0，在计算中忽略此项。2.1 MPa 内压时（m 时刻）垂直于假设裂纹面的薄膜应力和弯曲应力按 3.1 节的计算结果，0 MPa 时（n时刻）垂直于假想裂纹面的薄膜应力和弯曲应力均为 0。结构薄膜应力范围：em,k=mem,k-0=105.84-0=105.84 MPa（3）结构弯曲应力范围：eb,k=meb,k-0=61.124-0=61.12 MPa（4）最大结构应力：max,k=mem,k+meb,k=105.84+61.12=166.96 MPa（5）最小结构应力：min,k=0（6）第 60 卷第 4 期 10 化工设备与管道平均结构应力：.83.MPa22166 96048,maxminmean kekekeTTvvv=+=+=（7）（4）第四步，确定循环时按弹性法计算所得的结构应力范围ek=em,k+eb,k=105.84+61.12=166.96 MPa（8）（5）第五步，确定按弹性法计算所得的结构应变范围.0.00083485E2 010166 96,keya kke5#TTfv=（9）其中，Eya,k为操作温度下材料的弹性模量，取Eya,k=2.0105 MPa，其相应的局部非线性结构应力和应变范围分别为 k和 k，可通过联立求解Neuber 准则等式（式 10）和材料滞回线应力-应变曲线公式（式 11）得到。k k=ek ek （10）2EK2,csskya kkkn1cssTTTfvv=+cm（11）其中，Kcss，ncss为材料应力-应变曲线模型的参数，按 ASME -2 表 3-D.2M，取 Kcss=696，ncss=0.111。通 过 联 立 求 解 式（10）和 式（11）可 得k=166.97 MPa，与线性结构应力一致。（6）第六步计算当量结构应力范围参量StIf,ess kessmmmM kk221ssssssTTv=-cm（12）其中：mss=3.6tess为结构应力有效厚度，当壁厚 16 mm t 150 mm 时，tess=t，取 18 mm。.IRRRR1 0070 3060 1781 230 3640 17,bbbbmkkkk122ss=-（13）.0.3661R105 8461 1261 12,bm keb keb kekTTTvvv=+=+=（14）将 Rb,k代入式（13）计算得.I1 232851mss=。fM,k为平均应力修正系数，当 mean,k0.5Sy,k时，fM,k=1.0。Sy,k为材料的屈服强度，取 317.5 MPa。将以上参数代入式（12）计算等效结构应力范围参量为：.257.5 MPaS181 232851 0166 96,.ess k23 623 6#T=#-cm3.3 疲劳寿命计算按 ASME -2，3-F.2 节，焊接接头疲劳寿命公式为：NffSf C1,1Eess kMThT=cm（15）其中：f1为改善疲劳的方法对焊接接头疲劳曲线的修正系数，当对焊趾毛刺打磨时按下式计算：f1=1.0+2.50 （10）q（16）0.0 160.166 05qCS0,.usmess k1 6T=-=-cm（17）将 q 代入式（16）计算得 f1=2.705 7；Cusm为单位转化系数，取 14.148 299；fE为环境修正系数，取 4.0；fMT为温度修正系数，按下式计算：.0.995fEE2 01102 010MTACST55#=（18）其中 ET和 EACS分别是设备平均操作温度下的弹性模量和 21 下的弹性模量。分别取 2.0105 MPa和 2.01105 MPa。C 和 h 查询标准中表 3-F.2M，按 99%置信区间（-3）取值：C=11 577.9，h=0.319 50。将以上参数代入式（15）得：.N4 02 7057257 50 99511577 999 2300.319501#=j次所以，按 ASME -2 中结构应力法计算得该焊接结构的疲劳寿命为 99 230 次。4 结果讨论4.1 疲劳寿命的对比通过两种方法分别对保温支撑圈焊接接头进行疲劳评估，结果显示，采用 EN 13445-3 的热点应力法计算的疲劳寿命为 169 340 次，采用 ASME -2中结构应力法计算所得的疲劳寿命为 99 230 次，热点应力法计算的疲劳寿命大于结构应力法计算的疲劳寿命。为作进一步对比分析，分别对不同压力波动范围下保温支撑圈焊接结构的疲劳寿命及壳体金属的疲劳寿命进行计算，其结果见表3及图11、12所示。表 3 中壳体薄膜应力 m按中径公式计算可得；金属疲劳寿命按壳体薄膜应力，依据 ASME -2 中金属疲劳寿命计算可得；壳体薄膜应力余量按下式计 算：2023 年 8 月 11 周强，等.基于热点应力法和结构应力法的保温支撑圈焊接接头疲劳评估及对比Xmmvvv=-6（19）其中 为壳体金属同时满足静强度和疲劳强度的许用应力，静强度许用应力按 205.25 MPa，疲劳强度许用应力根据表 3 中预期焊接接头的疲劳次数（按结构应力法结果）按 ASME -2 中金属疲劳寿命计算方法反算而得。从表 3 和图 11 中可看出，在不同压力波动范围下，热点应力法计算的保温支撑圈焊接接头疲劳寿命大于结构应力法所计算的疲劳寿命，但均远远小于其壳体母材的金属疲劳寿命。从表 3 和图 12 可以看出，预期压力循环次数越高，壳体的薄膜应力余量将越大，当循环次数低于 1 万次时，壳体薄膜应力余量小于等于 17%，在工程中尚可接受，当循环次数大于 1.5 万次时，壳体薄膜应力余量将超过 30%，若按常见变压吸附塔60 100 万预期压力循环次数，为满足保温支撑圈焊接接头疲劳寿命（按结构应力法），壳体薄膜应力值至少需控制在 47 56 MPa，其壳体薄膜应力余量高达 240 260%，此时将造成较大的材料浪费。4.2 两种疲劳寿命评估方法对比（1）应力选取EN 13445-3 中热点应力法采用的是基于第三强度理论的等效应力或最大主应力，当热点位于设备外表面时，该点处于两向应力状态，如两向主应力均为正应力，则应力强度和最大主应力大小相等，如其中一个为负，则第三强度理论的等效应力会大于最大主应力。表 3 不同压力波动范围下的疲劳寿命Table 3 Fatigue life under different pressure ranges序号压力波动范围/MPa热点应力法焊接接头疲劳寿命/次结构应力法焊接接头疲劳寿命/次壳体金属疲劳寿命/次壳体薄膜应力/MPa壳体薄膜应力余量 X/%10 1.061.321061.00106 101147.64261.920 1.258.031055.80105 101156.18243.230 1.504.651053.16105 101167.41204.540 1.752.931051.87105 101178.65161.050 2.001.961051.18105 101189.88128.460 2.251.381057.781043.871010101.12103.070 2.501.001055.341044.87109112.3582.780 2.757.541043.771047.48108123.5966.190 3.005.811042.731041.29108134.8252.2100 3.254.571042.021042.44107146.0640.5110 3.503.661041.521045.41106157.2930.5120 3.902.641041.001049.15105175.2717.1图 11 不同压力波动范围下的缝疲劳寿命Fig.11 Fatigue life of joints under different pressure fluctuation ranges图 12 不同预期循环次数下壳体薄膜应力余量Fig.12 Shell membrane stress margin under different expected cycles预期压力循环次数/次壳体薄膜应力余量 X/%3002502001501005001.00E+041.00E+051.00E+06内压波动范围/MPa疲劳寿命/次1.00E+071.00E+061.00E+051.00E+041.00E+031.03.02.04.0热点应力法结构应力法第 60 卷第 4 期 12 化工设备与管道而 ASME -2 中结构应力法只考虑垂直于裂纹面的应力分量，结构应力通过对裂纹面的法向应力进行积分或者由裂纹面法向的节点力计算获得，如主应力方向与潜在疲劳裂纹面法向不一致时，一般情况下与裂纹面平行的分量可忽略不计，但当裂纹面的剪应力 k/3，即多轴疲劳时，仍然需按标准进行修正。（2）应力范围的修正EN 13445-3 中热点应力法和 ASME -2 中的结构应力法均对壁厚和温度进行了修正，除此以外，ASME -2 中结构应力法还对塑性效应进行了修正，同时也考虑了不同材料弹性模量的影响。（3）疲劳曲线对比热点应力法和结构应力法的疲劳曲线都是基于概率统计，置信水平都大于 99%（均取-3），但热点应力法中，每种焊缝结构都有其对应的疲劳曲线等级，即每种焊缝对应一条疲劳曲线，对于标准中没有给出的焊缝结构，在工程设计时很难准确确定其疲劳曲线等级。而结构应力法只提供一条疲劳曲线，其适用于所有的焊接结构，因此该方法也被称为主S-N法，结构应力法的该特点也体现了其先进性。5 结论（1）压力容器的疲劳分析与静强度分析不同，焊接在受压元件表面的附件（如保温支撑圈、筋板、垫板等）大多数情况下对容器的静强度并无影响，但在疲劳容器中，这些附件与受压元件的焊接形成应力集中，而这些焊接接头往往都不能做体积性检测，从而使这些部位成为了疲劳设备上最薄弱的部位，所以在疲劳分析时应重点关注。（2）保温支撑圈的焊接将降低壳体的疲劳寿命，为满足预期疲劳寿命，往往会将壳体壁厚加厚，当循环次数小于 1 万次时，壳体上焊接保温支撑圈将不会导致壳体壁厚的较大增厚，但当循环次数大于 1万次时，采用传统焊接保温支撑圈结构将会造成壳体材料的较大浪费，此时，建议采用背带式 14等不与壳体焊接的保温支撑方式或改用其他受力更好的焊接保温支撑结构。（3）即使对焊接接头进行了详细的疲劳分析，在设计时仍然需要对该焊接接头提出全焊透、打磨圆滑过渡、表面 MT 检测等要求以改善焊接接头疲劳性能，同时还应满足标准中与疲劳设计方法相匹配的其他制造和检测要求，必要时还可采用 TIG 熔修、锤击、针式冲击等方式延长疲劳寿命 15。参考文献宋利滨，李志峰，康晓鹏，等.变压吸附器相关结构设计问1 题探讨 J.机械强度，2018，40（2）：483-487.周逢森，刘吉祥，孟永祥.疲劳设备保温支撑圈结构应力分2 析 J.化肥设计，2018，56（1）：17-19.谭立平.煤化工吸附器筒体裂纹分析 J.神华科技，2017，3 15（1）：70-72，78.秦叔经.压力容器中焊接接头的疲劳分析方法 J.化工设备4 与管道，2019，56（6）：1-10.沈鋆.ASME -2 中基于弹性总应力幅的疲劳评定方法进5 展 J.化工设备与管道，2013，50（6）：15-18.万兴，周耀，杨靖.变压吸附装置吸附器失效的现状与分析6 J.石油化工设备技术，2015，36（5）：9-12，3.周张义，李芾.基于表面外推的热点应力法平板焊趾疲劳分7 析研究 J.铁道学报，2009，31（5）：90-96.IIW Joint 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of the Chemical Industry Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610225,China）Abstract:For welded joints of thermal insulation support ring and shell in fatigue vessels,the hot spot stress method based on extrapolation in European pressure vessel standard EN 13445-3 and structural stress method in American pressure vessel standard ASME-2 were used for fatigue assessment.The results show that the fatigue life calculated by the hot spot stress method is greater than that calculated by the structural stress method,but both are far less than the fatigue life of the base metal of the equipment shell.When the equipment is expected to have a large number of pressure cycles,in order to meet the fatigue life of the welded joint of the insulation support ring,the shell film stress is reduced to a very low level,which will lead to a large waste of the shell material.Therefore,in the fatigue equipment with a high number of cycles,non-welding insulation support mode should be used as far as possible,or other welding insulation support structures with better forces should be used.Keywords:fatigue of welded joints;hot spot stress;structural stress;thermal insulation support ring;pressure swing adsorption化工设备与管道诚聘审稿专家化工设备与管道面向石油化工、化工行业，及时报道化工设备与管道方面的科技成果，促进本专业技术的发展与更新，是广大工程技术人员、科研工作者之间交流的重要园地。根据专业特点，设有压力容器、单元设备、机械与密封、管道与管件、信息交流等栏目。本刊为中文核心期刊、中国科技核心期刊，国家认定的学术期刊（A 类）。为进一步加强稿件质量控制、全面提升期刊水平，在原有审稿专家队伍的基础上，现面向全国公开招募审稿专家。具体要求如下：1.在某一学科和细分领域具有一定的学术研究水平。2.具有副高级及以上职称者。3.具有较强的责任心和职业素养，热心于审稿工作并能按时完成审稿任务者，担任过其他科技期刊编委或审稿专家者优先。如您愿意加入我们的审稿专家团队，请将个人简要介绍（姓名、教育背景、主要从事的工作或研究方向、公开发表的论文论著等资料）发邮件至 ，联系电话：[phone]。通过遴选后，编辑部将发送通知，并根据工作量情况支付审稿人相应的劳动报酬。化工设备与管道编辑部