什么是应力增强系数SIF?

基于梁单元的管道应力分析方法,对于弯头和三通,由于本身特殊的几何结构和焊缝影响,在计算这些应力集中元件应力时,采用应力增强系数SIF*名义应力获得该点应力。应力增强系数SIF是管道应力分析的基础,尤为重要。在梁单元力学模型中,节点处的应力计算往往采用如下公式:

(纯梁弯曲应力)*(SIF) <许用应力

SIF将公式进一步延展获得:

SIF应力增强系数最初是通过做试验获得。如下是Markl用来研究应力增强系数的试验台,管道内充满介质水。

对试样反复加载,开始出现裂纹,进而水泄露,直至疲劳失效。根据试样的线性刚度和变形位移获得试验加载力,应用这个力反复作用。

根据加载力*距离(加载力点-水泄露点)=该试验的线性弯矩。
弯矩/该点连接管道的抗弯截面模量=该点名义疲劳失效应力
将上述试样获得的应力和疲劳次数整合到如下的图表中

循环次数为横坐标,疲劳失效应力做纵坐标。最终将这些试验点数据连成直线获得直管环焊缝疲劳曲线(斜率为-0.2的直线),再针对弯头和三通进行试验获得他们的疲劳曲线,这些疲劳曲线和直管对应循环次数下的疲劳应力之比就是元件的应力增强系数SIF。

由于最初的试验数据都是基于4寸管道测试获得的,因此必须要获得一个计算公式以便在应力分析中计算其他直径元件的SIF值。影响SIF的几何参数包括:支管管径(d),支管厚度(t),主管直径(D),主管厚度(T)
典型计算公式如下:

梁单元的管道应力分析软件在计算应力时,都是通过上述公式计算出该元件的SIF。通过样品试验来获得SIF耗时耗力,并且成本很昂贵。因此可以通过有限元分析方法进行疲劳分析,从而获得元件的的SIF,并和试验结果进行对比。对比主要是和WRC335(修正过)中的SIF进行对比。
经过验证,我们可以通过FEA局部有限元分析方法来获得SIF:
壳体单元:

SIF = (有限元计算得到薄膜应力+弯曲应力强度)(FSRF) / [(2)(M/Z)]

八面体单元:

SIF = (最大非奇异应力强度) / [(2)(M/Z)]

薄膜应力+弯曲应力强度是依据ASME规范分析篇Pl+Pb+Q工况获得。M/Z是连接管道在失效点的名义应力。M是导致疲劳失效的作用弯矩,Z是连接管道抗弯截面模量,FSRF疲劳应力减弱系数(FatigueStressRductionFactor)通常取2

美国规范B31.3-2006 附录D 表D300 注释12 声明: “对于0.5 < d/D < 1.0异径三通的平面外应力增强系数的计算公式是不够保守的,光滑焊缝凸起可以减小SIF值,选择合理正确SIF是设计人的责任。”针对0.5 < d/D < 1.0异径三通平面外SIF不够保守事情,如果管道循环次数很低,可以不考虑这个影响问题,如果管道循环次数很高,就要通过其他方法和途径计算准确的SIF来计算管道应力。
在管道应力分析过程中,管道系统柔性的准确度对应力的影响比SIF的影响还要大,准确的接口点刚度和三通柔性的考虑更为重要。

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