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C F H I TECHN O LO G Y
10.3969/j .issn. 1673-3355.2019.05.001
基于ASME  VIII -2弹塑性方法的局部失效评定
王云、卢峰1，赵景玉2
摘要：ASMEVIII-2按分析要求设计中，防止局部失效是其中重要的一部分，以某高温高压加氢反应器冷氢管及 侧壁卸料管为研究对象，使用弹塑性有限元法对其进行局部失效分析及评定，结果表明设计结构满足局部失效准 则要求。
关键词：压力容器；弹塑性分析；局部失效；ASME 中图分类号：T H 49文献标识码：A
文章编号：1673-3355 (2019) 05-0001-06
Local Failure Assessment with Elastic-Plastic Analysis Described in ASME VIII-2
W ang  Yun , Lu  Feng , Zhao  Jingyu
Abstract ： Prevention against local failure is an important part of the design by analysis specified in ASME VIII-2. The paper takes the cool hydrogen pipe and dump nozzle of an elevated temperature and pressure hydrogenation reactor as study objects to carry out local failure analysis and assessment by the means of FEM elastic-plastic analysis. The result reveals that the structure design meets the requirement on local failure criteria.
Key words: pressure vessel; elastic-plastic analysis; local failure; ASME
Chamliramani  PI 等采用弹塑性方法对圆柱面上的孔 洞进行了分析。然而，冃前对接管区域进行局部失
效评定的弹塑性分析文献还比较少见，在ASME Cock  Case  2605 -2 1 I D |中明确提出，需要进行 CC 2605分析的部件局部失效评定应采用弹塑性方 法。
为此，本文首先介绍局部失效弹性分析及弹塑 性分析方法及其技术背景，然后以某加氢反应器的 冷氢管和侧壁卸料管为研究对象，采用弹塑性方法 对接管结构进行分析，并对结果进行评定和比较。
1评定的弹性及弹塑性分析方法
ASME  VIII -2 |u]中提出防止结构塑性垮塌的 弹性分析设计方法和非弹性分析设计方法，在保证 塑性垮塌评定通过后，还需要进行局部失效分析， 这是因为在塑性垮塌评定过程中采用的当量应力按 式⑴进
行计算。
1. 一重集团大连工程技术有限公司高级T 程师，辽宁大连116600 ;
2.—重集团大连1：程技术有限公司研究员级高级丨'.程 师，辽宁大连116600
2019年第5期（总191期1
yz.isOcfhi
随着经济及科学技术的发展，加氢反应器在
石油化工行业扮演了越来越重要的角。由于T . 艺等方面的需要，对加氢反应器提出承受高压高 温等越来越苛刻的要求，而容器上开孔破坏了容 器结构的完整性，在接管和容器的连接部位造成 结构不连续，从而引起应力集中，给加氢反应器 设备的设计带来更大难度11 -31。
冃前，在大部分工程应用中，为简便起见， 仍以弹性方法为主来进行分析设计，但是弹性方 法计算结果是名义应力，不能反映材料屈服后的 真实应力，而且基于弹性分析的应力分类法已与 当代计算机软硬件的飞速发展严重脱节|41。邹南 堂|51，杨新岐161较早采用弹塑性有限元方法对接 管区域的应力集中区进行了弹塑性有限元分析。 陆维171等对反应堆压力器的接管段进行了三维弹 塑性有限元分析。StonehouseM  W 等分别采用弹 性方法、极限载荷法和弹塑性方法对容器人孔位 置进行分析并对结果进行比较。Dr . Dipak  K
.
一重技术设计与计算
1 C T \—〇" 2)+ ( (Tr-cr^ )+ I
(72,-0" \G \S =S \,XexP
最丨
O ' Z k +^~ 3J t
(1)
式中：又一计算的当量应力；O %—米塞斯应力；（7,
—第一主应力；—第二主应力；0^3—第二 主应力。
当三项主应力相等时，当量应力为0，表示结
构不会失效，这与实际情况不符，为此ASME VI 1I -2提出了弹性分析方法和弹塑性分析设计方法 来防止可能发生的断裂，这里的断裂不是断裂力学 中研究的含裂纹的断裂问题，而是指当存在应力集 中但不含裂纹时，压力容器部件在三轴应力状态下 发生的拉伸断裂问题|121。沈□ |B|对这两种方法 的基本原理和技术背景进行了详细论述，其中弹性 分析方法是BurgreeiiD  1141基于大量实验数据，提 出应将静水压力控制在材料屈服强度以下，即
a ,+a 2+a3
(2)
式中：〜一屈服强度。
为了保守起见，用替代式（2)中的〜，
9
许用应力S =f c r y f ，代人到式（2)中得
3
cr ,+〇-2+(r ^4S (3)
式中：S —许用应力。
弹塑性方法则是Pmger  M  1|51在考虑了局部损
伤累积效应提出的应变极限预测模型，其中的三轴 应变极限计算公式：
(4)
式中
：
一
多轴应变极限；—单轴应变极限；as l
一材料参数；应力应变曲线参数。
局部失效评定通过则要满足
(5)
式中：％一等效塑性应变；
成形应变。
若用户设计说明手册中明确了具体的加载顺
序，则需要进行应变损伤累积计算来评定局部失 效，该方法可代替上述方法，此法需将加载路径分 成A 个加载增量，计算每个加载增量步的主应力 〇\k 、era 、cr3,k ，等效应力〇v ,k，以及该步与上一步 的等效塑性应变差。
第/c 个加载增量步的应变极限按式（6)计算，
式中：&_k  一第/c 个加载条件下多轴应变极限；
〇■(.k _第A ：个加载条件下的第一主应力；（Ti k 一第A ：个加载条件下的第二主应力；cr 3.k —
第A 个加载条件下的第三主应力；K jt -第A ' 个加载条件下的米塞斯应力。每个增量步的应变极限损伤按
式（7)计算，
(7)
*L.k
式中：仏一第&个加载条件下应变极限损伤；
一第A 个加载条件下等效塑性应变幅。
由制造引起的应变极限损伤由式（8)计算，
〇如,=-------------—
----------------
(8)
^xexp (~f 1 1^))..........
式中：—成形引起的应变极限损伤。
如果按文献[11丨Part6进行热处理，由成形引
起的应变极限损伤认为是零，总的累积应变损伤应
满足式（9)。
M
D ^D d^+
(9)
K  = 1
式中：认一累加的应变极限损伤。.
2
有限元模型
2.1
几何模型
本文以某加氢反应器冷氢管与侧壁卸料管为例
详细说明（见图1，图2，表1，表2)。
2
2019年第5期（总191期）
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CFHI
设计与计算C F H I TECHN O LO G Y
表1冷氢管结构尺寸表（mm)
A M D2犧(9)D, (9)"5⑷/?/?,r r2〇, (9)■4i^2^3
1572354604855452050427625925772893108
}f J
图2侧壁卸料管几何模型
表2侧壁卸料管结构尺寸表(mm) D\(<P)D2 (9)Di (9)D, (9)A (9)乙I Li/〇乙4乙5/?/?,RRz a,(°) a2(°)T' 550 3052138734276127 86.5 3000 3000 14957050 45 45259 2.2模型材料及参数
筒体及接管材料为设计压
力22.5 MPa，设计温度454尤。从ASME I I，
PART D M中可查该材料在不同温度下的弹性模
量，泊松比，以及屈服强度和抗拉强度，通过差值
得出设计温度下的材料属性（见表3)。
表3主要材料参数
弹性模量 (MPa)泊松比
屈服强度
(MPa)
抗拉强度
(MPa)
179 6000.3337.8506.6
弹塑性分析方法需采用真实的应力-应变曲 线，采用文献[11]中3-D.3方法，按式（10)计 算，
范围的真实塑性应变；//一应力-应变曲线
参数。
式中：/1，一应力-应变曲线弹性范围的相应常数；
m,—应力-应变曲线参数。
A,= (1+gw)—（i4) (In|])
式中：0.2%工程偏移应变。
m_\n[R\+ (sp+e^(i5) in ln"+.
In I l+£y» ]
式中：/?一工程屈服应力与工程抗拉应力比值；
~一应力-应变曲线参数。
£F~-+ (1〇)
C-y
式中：^一总的真实应变；真实应力；£y—某 温度下弹性模量；yr-在应力-应变曲线中
微应变范围的真实应变；y2—在应力-应变
曲线中宏应变范围的真实应变。
y,=^L (l.〇+tanh [//]) (11)
yi=^~ (1.0+tanh [//]) (12)
S^=g\_
a2
(16)
^-Q'uis'exp I m21
m2
(17)式中：/l2—应力-应变曲线塑性范围的相应常数;
某温度下的工程抗拉应力。
H_2[a r\0-,,+A：1)) 1n8、
K(〇■,…-〇■… )..............、
式中：尺一应力-应变曲线模型材料参数。
式中：A—在应力-应变曲线中微应变范围的真实
塑性应变；&一在应力-应变曲线中宏应变
(19)
2019年第5期（总191期）
yz.JaOcfhl CFH I
一重技术设计与计算
有限元模型采用的应力-应变曲线通过式（10)
~ (21)计算得出（见图3)。将总应变减去弹性应 变，得出塑性应变与应力对应数值（见表5)。
K ^l .5R '^-0.5R ^-Ru  ................ (20)查文献[11]表3-D .1可得到m 2, 4。最后计 算得到所需参数（见表4)。
表4
应力-应变曲线计算所需参数数值
R
m ，2
右p
占y s
K
42 m ,0.67
0.20
2e -52e -3
0.39
853.62
0.09
586.54
另外，开发的应力-应变曲线应将应力限制在 真实的抗拉强度以内，超过该值将按理想塑性处
理，在真实抗拉应变下的真实抗拉应力按式（21) 计算，
〇-u t ^=〇r u i s *exp [m 2 ] ................... (21)式中：<^_一真实抗拉应变下的真实抗拉应力。
0 0.05 0.1 0.15 0.2真实应变
图3设计温度下真实应力应变曲线
表5
塑性应变与应力对应数值
0.25
塑性应变00.00330.01760.04180.07010.11220.17290.2015应力
337.8
350
400
450
500
500
600
618.71
2.3单元选择和网格
考虑对称性，建立1/4模型，为了安全保守起 见，建模不考虑堆焊层，采用映射扫描等方法对三 维模型进行网格划分（见图4，图5)。对接管内圆
角部位进行加密处理，采用8节点实体单元，减缩 积分。冷氢管模型单元总数17 174，节点总数20
145。侧壁卸料管单元总数20 992，节点总数24 203 〇
图4冷氢管网格模型
2.4 载荷及边界条件笔者给出冷氢管模型及侧壁卸料管模型载荷及 边界条件（见图4，图5)，根据文献[1丨丨中表5-
5要求，施加载荷时取1.7倍设计压力，因此P = 38.25 MPa 〇
(1) 在两个模型的前端面施加对称约束。(2) 在两个模型的下端面施加对称约束。
(3) 在两个模型的左端面施加Z 向位移约束。
图5侧壁卸料管网格模型
(4) 在两个模型内表面施加均布压力载荷P =
38.25 MPa 。
(5) 在两个模型右端面施加由内压引起的等效 拉伸载荷，
P r -
reactor pressure vesselP (争
D ,
+T ,
停
=-148.86 MPa 〇
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l ||
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00§00§000000
7 ^2! 5
413 2 1(M W
)-R 5z 铽M
4
设计与计算C F H I TECHN O LO G Y
(6)在冷氢管接管法兰端面施加由内压引起的
等效拉伸载荷，
P2=-户丨’昼i-丨
^-----^-4.48 MPa。
(争）
(7)在侧壁卸料管接管法兰端面施加由内压引 起的等效拉伸载荷，
P2=-
P{D i2
2
I f
=-6.75 MPa〇
2.5分析设置
按照规范要求进行弹塑性分析时，要考虑几何 非线性，因此需打开大变形设置。
3局部失效评定
通过计算得到冷氢管和侧壁卸料管等效塑性应 变云图（见图6，图7)。从图中可以看出，最大塑 性应变
位置均在接管内部圆角附近，且都在圆角部 位稍上位置，冷氢管由于没有倾斜，两边对称，而 侧部卸料管中心线与筒体中心线有45°夹角，导致 两边不对称，侧壁卸料管右侧圆角附近发生的塑性 变形较大。
该加氢反应器按照文献丨11] Part6进行热处 理，成形应变所以只要满足^ (4)
对称约束
Z向约束
对称约束
图6冷氢管等效塑性应变云图
对称约束
z向约束
对称约束图7侧壁卸料管等效塑性应变云图
^1.|a]+a2+c r^11\
右in.e x p-
1+m23%卜T)1
^1 (22)
也可称为应变极限损伤比率（SI.DR)||71。
查文献1111中表5.7可确定％、爪2、〜，得 a s l=2.2; m2=0.6 OA-R=0.20；=max
2-ln
h l r l，In1 +
100_
i〇0-fi.4
其中£与兄4分别为断后延伸率和断后收缩 率，查文献[丨8】可知£=丨8,/M=45，最后计算得 出eL=0.60。
由于式（22)中最后结果与静水压力，等效压 力及等效塑性应变相关，发生最大等效塑性应变处 的比值不一定是最大值。因此不能只取等效塑性应 变最大位置进行评估。为了更全面查看结果，将c^、、〜代入式（22)中，直接在后处理中显示应变极限损伤比率（SU〕R)的云图，冷氢 管与侧壁卸料管SLDR云图（见图8，图9)。从图 中可直接看出冷氢管最大应变极限损伤比率为 0.015 75，侧壁卸料管最大应变极限损伤比率为 0.033 59，均满足局部失效评定要求：
比较冷氢管和侧壁卸料管的塑性应变及SLDR 计算结果，可以得出在同一加氢反应器中，若冷氢 管与侧壁卸料管承受相同的温度和压力，侧壁卸料 管位置更容易发生局部失效，因此在设计时需对其 重点关注。
图8冷氢管SLD R云图
图9 侧壁卸料管SLD R云图
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