孫志剛，楊湖，占龍楊

（1. 無錫化工裝備股份有限公司，江蘇無錫 214131；2. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210036）

ASME Ⅷ-1[1]強制附錄26 僅適用于總厚度5mm以內(nèi)的膨脹節(jié)，基本無法用于常見的換熱器厚壁膨脹節(jié)設(shè)計。ASME Ⅷ-1 在強制附錄5 對殼體柔性元件膨脹節(jié)設(shè)計作出了規(guī)定，適用于厚壁膨脹節(jié)，強制附錄5-3（a）規(guī)定了包括UHX-17 在內(nèi)的膨脹節(jié)應(yīng)力限制準(zhǔn)則，但并未提供膨脹節(jié)應(yīng)力計算方法。TEMA RCB-8[2-3]殼體柔性元件有限元分析規(guī)定適用于厚壁膨脹節(jié)，但未提供應(yīng)力限制準(zhǔn)則，工程中普遍把ASME Ⅷ-1 與TEMA 結(jié)合起來對ASME 換熱器厚壁膨脹節(jié)進行有限元分析設(shè)計。

TEMA 協(xié)會厚壁膨脹節(jié)有限元分析設(shè)計程序Flanged and Flued Expansion Joint Evaluation Program 比較具有代表性，膨脹節(jié)應(yīng)力分析依據(jù)TEMA RCB-8，應(yīng)力限制準(zhǔn)則可按ASME Ⅷ-1 強制附錄5-3、UHX-17 以及ASME Ⅷ-2，但在國內(nèi)一直未有引入應(yīng)用。壓力容器設(shè)計軟件PV elite 支持膨脹節(jié)有限元分析設(shè)計，但不能按UHX-17 進行應(yīng)力評定；COMPRESS膨脹節(jié)有限元分析設(shè)計應(yīng)力評定可以選擇強制附錄5-3 或者UHX-17，但COMPRESS 膨脹節(jié)有限元分析采用的是梁單元，TEMA 認為梁單元應(yīng)力計算精度不理想[3]。

國內(nèi)壓力容器廠家一般采用ANSYS 等通用有限元程序進行ASME 厚壁膨脹節(jié)的有限元分析設(shè)計，對設(shè)計者要求較高。膨脹節(jié)主要承受壓力載荷和端部位移，壓力載荷即為殼程壓力，是明確的，分析設(shè)計時正確確定膨脹節(jié)各個載荷工況下的位移邊界條件十分關(guān)鍵。對應(yīng)力分析結(jié)果進行評定直接關(guān)系著膨脹節(jié)的安全和設(shè)計經(jīng)濟性。相關(guān)文獻 [4]、[5]、[6]與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并不一致，本文對ASME Ⅷ-1 換熱器厚壁膨脹節(jié)設(shè)計規(guī)定進行了介紹，可為厚壁膨脹節(jié)有限元分析設(shè)計提供一定參考。

1 ASME Ⅷ-1膨脹節(jié)設(shè)計規(guī)定

ASME Ⅷ-1[1]附錄5-3（a）中關(guān)于膨脹節(jié)的設(shè)計計算規(guī)定僅包括應(yīng)力限制部分：

（1）僅有機械載荷作用時，膨脹節(jié)的最大應(yīng)力應(yīng)限制在1.5S以內(nèi)，S為設(shè)計溫度下膨脹節(jié)材料許用應(yīng)力強度，Sy為材料的屈服強度。

這里的機械載荷包括壓力和壓力產(chǎn)生的膨脹節(jié)軸向位移，即壓力位移，所以即便沒有熱膨脹差，膨脹節(jié)端部軸向位移也不會為零。比如不計及熱膨脹差工況下僅有殼程壓力單獨作用時，膨脹節(jié)兩端軸向位移必然不為零，ASME 要求機械載荷包括壓力和壓力位移與膨脹節(jié)實際承載情況是一致的。采用SW6校核帶膨脹節(jié)固定管板換熱器時可將管殼程平均金屬壁溫設(shè)置為20 ℃，此時熱膨脹為零，膨脹節(jié)的位移即為壓力位移。

（2）僅有熱膨脹引起的軸向位移或者機械載荷加熱膨脹引起的軸向位移作用時，膨脹節(jié)的最大應(yīng)力應(yīng)限制在Sps以內(nèi)，Sps為一次加二次應(yīng)力的最大允許應(yīng)力。Sps一般取3S，材料室溫下的屈強比小于等于0.7時可取3S與2Sy中的大值。

（3）UHX-17（a）規(guī)定對于僅有機械載荷作用的工況，按照膨脹節(jié)剛度為0 進行附加評定，換熱器除膨脹節(jié)以外的其他的元件（管板、換熱管、筒體、管箱等）強度評定能通過，那么波峰波谷處薄膜加彎曲應(yīng)力最大應(yīng)力限制可以由1.5S提高到Sps。

UHX-17（a）要求進行膨脹節(jié)0 剛度附加評定，主要是考慮膨脹節(jié)波峰波谷處應(yīng)力超過1.5S后材料發(fā)生屈服，材料進入塑性階段，膨脹節(jié)承受軸向載荷能力下降發(fā)生應(yīng)力重分布?？梢赃M行膨脹節(jié)彈塑性分析計算膨脹節(jié)塑性剛度，用來代替膨脹節(jié)彈性剛度。但是這種方法本身比較麻煩，UHX-17（a）直接保守處理，假定膨脹節(jié)剛度為0，即膨脹節(jié)不具備軸向承載能力，此時如果其余元件一次應(yīng)力校核仍能通過，那么可以把膨脹節(jié)波峰波谷應(yīng)力限制值放寬到Sps，即膨脹節(jié)波峰波谷出的彎曲應(yīng)力由一次應(yīng)力轉(zhuǎn)化成二次應(yīng)力。UHX-17（a）的做法相當(dāng)于是在其余零部件不發(fā)生塑性垮塌的情況下，膨脹節(jié)兩端位移受到限制，壓力位移導(dǎo)致的膨脹節(jié)應(yīng)力可按二次應(yīng)力處理，符合一次結(jié)構(gòu)法[7-9]的要求。

綜上所述，并參考ASME Ⅷ-1 表UHX-17，可知膨脹節(jié)應(yīng)力限制如表1 所示。表中符號意義見ASME Ⅷ-1。

表1 膨脹節(jié)載荷工況與應(yīng)力限制Table 1 Expansion joint load cases and stress limits

2 膨脹節(jié)軸向位移

文獻 [10]在對GB/T 151 帶膨脹節(jié)換熱器管板設(shè)計方法改進中指出膨脹節(jié)的位移需要考慮膨脹節(jié)圓環(huán)內(nèi)部壓力導(dǎo)致的膨脹變形引起的軸向位移。ASMEⅧ-1 換熱器部分UHX-16（a）提供了膨脹節(jié)軸向位移計算公式，如式（1）所示，符號意義見ASME Ⅷ-1。公式中第一項為筒體軸向力作用下膨脹節(jié)軸向位移，第二項為膨脹節(jié)圓環(huán)內(nèi)部壓力導(dǎo)致的膨脹變形引起的軸向位移。第一項的分母為膨脹節(jié)和筒體組合剛度，UHX-16 針對的是薄壁波紋管膨脹節(jié)，膨脹節(jié)剛度較小，通常遠小于筒體軸向剛度，組合剛度可以認為等于膨脹節(jié)剛度。針對厚壁膨脹節(jié)，筆者認為可采用膨脹節(jié)剛度。

將式（1）符號換成GB/T 151 和GB/T 16749 對應(yīng)符號，并將第一項分母改為膨脹節(jié)剛度，可得式（2）。按照式（2）對國標(biāo)換熱器膨脹節(jié)的軸向位移進行計算，發(fā)現(xiàn)與SW6 中膨脹節(jié)當(dāng)量軸向力除以膨脹節(jié)剛度得到的位移值十分一致，說明GB/T 151 與ASME Ⅷ-1 關(guān)于膨脹節(jié)位移計算是一致的。

在TEMA 第9 版中膨脹節(jié)軸向位移計算公式為筒體軸向力除以膨脹節(jié)剛度，顯然是不對的。TEMA第10 版對此進行了修改，在附錄A.2.6 節(jié)中提供了膨脹節(jié)軸向位移計算公式，與UHX-16 以及UHX-17中的公式類似。

ASME 的管板設(shè)計方法一般采用其UHX 篇，而非TEMA，此時膨脹節(jié)有限元模型筒體端部位移值應(yīng)按照UHX-17 公式進行計算，相關(guān)公式按照GB/T 151 和GB/T 16749 對應(yīng)符號轉(zhuǎn)換，如式（3）所示，其中Ks為筒體軸向剛度，νs為筒體材料泊松比。

式（1）和式（2）為膨脹節(jié)自身（不包括筒體）兩端的軸向位移，適用于公式算法；式（3）為膨脹節(jié)加殼程筒體軸向位移，即左右兩管板殼程側(cè)端面軸向相對位移。有限元分析時需要考慮邊緣應(yīng)力衰減長度，筒體長度取實際長度比較合適，式（3）適用于有限元分析。如果膨脹節(jié)兩端殼程筒體長度小于邊緣應(yīng)力衰減長度，宜采用三維模型比較合適，以計及到整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的影響。

3 結(jié)論

ASME Ⅷ-1 規(guī)定厚壁膨脹節(jié)不計及熱膨脹載荷工況下膨脹節(jié)的機械載荷包括壓力和壓力位移，而國標(biāo)GB/T 16749 認為位移產(chǎn)生的應(yīng)力為二次應(yīng)力，一般不包括壓力加壓力位移載荷工況，進行ASME 厚壁膨脹節(jié)設(shè)計時不應(yīng)參考GB/T 16749 的做法。

ASME 膨脹節(jié)設(shè)計時，對壓力加壓力位移在膨脹節(jié)波峰波谷產(chǎn)生的薄膜加彎曲應(yīng)力應(yīng)先按一次應(yīng)力評定，如果校核未能通過，則應(yīng)進行UHX-17 規(guī)定的膨脹節(jié)零剛度下的換熱器強度校核要求，如果校核通過，才可以按一次加二次應(yīng)力評定膨脹節(jié)波峰波谷處的薄膜加彎曲應(yīng)力，而不是直接按一次加二次應(yīng)力評定膨脹節(jié)波峰波谷處的薄膜加彎曲應(yīng)力。壓力加壓力位移下膨脹節(jié)波峰波谷處薄膜加彎曲應(yīng)力按一次應(yīng)力校核未能通過，如果不考慮UHX-17，直接增加膨脹節(jié)波數(shù)，可能導(dǎo)致保守的設(shè)計結(jié)果。

第9 版TEMA 中膨脹節(jié)位移計算公式未考慮膨脹節(jié)圓環(huán)內(nèi)部壓力導(dǎo)致的膨脹變形引起的軸向位移，是不合適的，第10 版TEMA 已作出修改。膨脹節(jié)有限元分析時模型應(yīng)包含殼程筒體全部長度，采用ASME Ⅷ-1 進行換熱器設(shè)計時，軸向位移計算應(yīng)采用UHX-17 相應(yīng)的公式，即本文式（3）。