CODAP标准疲劳分析方法及其与JB 4732-1995分析对比

第52卷第4期2015年8月化　工　设　备　与　管　道PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVol.52　No.4Aug.2015CODAP标准疲劳分析方法及其与JB4732—1995分析对比侯少毅，李东铭（东方电气（广州）重型机器有限公司，广州511455）摘要：重点介绍了法国压力容器设计标准——CODAP标准中的疲劳寿命详细分析法，剖析了其分析流程、循环计数方法及要点，有助于理解和掌握CODAP标准；同时将其与我国JB4732—1995标准中的疲劳分析方法进行了分析对比，对其主要差异进行了讨论，指出了CODAP标准的先进性。关键词：CODAP标准；疲劳分析；标准对比中图分类号：TQ050.2；TH121文献标识码：A文章编号：1009-3281（2015）04-0005-004收稿日期：2014-11-28作者简介：侯少毅（1983—），男，湖南郴州人，工程师。主要从事压力容器结构分析设计工作。法国CODAP《非直接火受压容器建造规范》[1]是目前世界上较先进的压力容器设计标准之一，该标准中的疲劳分析思想为EN13445标准所吸纳，同时ASME压力容器规范近年来在疲劳分析方面也逐渐吸收其疲劳分析的部分思想。CODAP标准给出了两种疲劳分析方法：疲劳寿命简化分析法（C11.2）和疲劳寿命详细分析法（C11.3），其中疲劳寿命简化分析法主要适用于容器仅受压力波动载荷的情况，对于同时承受其他波动载荷的情况应采用疲劳寿命详细分析法；两种疲劳分析方法均适用于操作温度在蠕变温度以下钢、镍及镍基合金材料，但简化分析方法不适用于膨胀节和螺栓。这两种疲劳分析方法中，疲劳寿命简化分析法操作相对简单，结果比较保守，而疲劳寿命详细分析方法适用范围更广，操作相对复杂，但结果更准确。EN13445是与PED指令配套的协调标准，它吸收和发展了英国BS5500、法国CODAP及德国AD规范中的相关内容，是欧盟统一使用的非受火压力容器标准，但它是非强制性标准，只提供了符合PED基本安全要求（ESR）的充分条件，而欧盟许多国家为了使其国家标准或规范符合PED要求都做了相应的修改[2]，从而使得欧洲国家大多数压力容器制造商和用户仍更倾向于使用其熟悉的本国规范，如法国使用CODAP规范，德国使用AD规范。为了有助于理解和掌握CODAP标准，以下主要针对CODAP标准中的疲劳寿命详细分析方法进行介绍，并与JB4732—1995标准[3]进行了对比分析。1疲劳寿命详细分析法评定流程使用详细分析法须首先确定所考虑的载荷和分析区域，在此基础上计算分析对象的应力值，确定交变应力范围和相应的循环次数，对交变应力范围和疲劳强度进行修正，然后根据疲劳曲线和许用循环次数进行评定。1.1确定分析载荷和分析区域疲劳分析时考虑的是实际作用载荷，而非设计载荷，需明确各载荷随时间波动曲线或者各独立事件发生的次数和特点，对容器中可能发生疲劳失效的危险点进行分析评定。1.2确定交变应力范围及相应循环次数采用合适的计算方法（如有限元法）计算各载荷产生的应力，按照CODAP标准中提供的循环计数方法[4]进行组合，求取交变应力范围及相应的循环次数。CODAP标准中提供了两种循环计数方法，即CODAP标准C11.3.10中的简化循环计数法和附录C11.A.7中的水池循环计数法，其中简化循环计数法非常保守，但容易执行，对于载荷历史曲线未知的情况，可以采用简化循环计数法，而水池循环计数法则更精确。使用简化循环计数法时，首先将载荷按加载情第52卷第4期·6·化　工　设　备　与　管　道况分组，列出每种加载情况下的应力范围和循环数，然后以应力范围为纵坐标，以循环数为横坐标作图，并将循环数最低的载荷放在最上面，如图1所示。表1给出了根据图1用简化循环计算法确定应力范围及应力循环的实例。1.3交变应力范围修正根据标准C11.3.11给定的方法对所求的应力范围Δσ进行塑性修正或局部结构不连续区的应力集中系数修正，得到修正的应力范围Δσ*。其中塑性修正适用于总体应力和结构应力，对于填角焊和部分焊透焊接接头上的名义应力不需要修正；应力集中系数的修正仅用于非焊缝区的总体应力，对于焊接接头，由于缺口影响已包括在焊缝区的疲劳曲线中，因而无需再考虑。1.4疲劳强度修正CODAP标准中分别提供了焊缝和非焊接区的疲劳曲线，在使用前需对疲劳强度进行修正。其中非焊缝区的修正应考虑温度、壁厚、表面状态和平均应力的影响，而焊缝区的修正仅需考虑温度和壁厚的影响。1.4.1非焊缝区修正（1）温度修正系数Ct：图1简化循环计数法[1]Fig.1Simplifiedcyclecountingmethod表1简化循环计数法确定的应力范围及循环数[1]Table1Stressrangeandcyclenumberbysimplifiedcyclecountingmethod循环次数应力范围n1(ΔS)1=(ΔS)a+(ΔS)b+(ΔS)c+(ΔS)dn2-n1(ΔS)2=(ΔS)a+(ΔS)b+(ΔS)cn3-n2(ΔS)3=(ΔS)a+(ΔS)bn4-n3(ΔS)4=(ΔS)a水池循环法（与雨流法等效[1]）是较简化循环计算法更为精确的一种方法[5]。下面举例进行说明：假定某结构经历如图2a所示的循环载荷，在使用水池循环法进行计数时，首先应将循环曲线进行调整，选择最高峰为载荷历史的起点和终点，见图2b。把载荷历史当做蓄水池的池壁，用水把池灌满。灌满后水面达到池壁顶部D，最大池深为D-G。在最深底槽G处开孔放水，将水位下降量DG=9记为最大ab图2水池循环计数法Fig.2Reservoirmethod..1.031.510Ctt1043431014**t4####=----Z[\]]]式中t*为平均循环温度，t*=0.75tmax+0.25tmin。（2）壁厚修正系数Ce：壁厚修正系数Ce由CODAP标准中图C11.3.12.3.2查取。当只有一种类型的循环时，图C11.3.12.3.2中的循环次数N为该循环的循环次数；t*≥100℃，奥氏体钢，镍和镍合金t*≥100℃，非合金和非奥氏体合金钢t*≤100℃循环的范围。放水后在G点左右两侧各残留一个分水池，左池深度为F-E，右池最大深度为H-C。在左池底E放水，得到一个循环，其范围为FE=4。在右池最深底C放水，得到范围为HC=7的一个循环，并残留深度为B-A的小池。在池底A放水，又得到范围为BA=3的一个循环。就这样在最深处不断放水，直到池中的水完全放干，循环统计也就结束，本例共得到循环范围分别为9，4，7，3的4个循环。当有多种循环方式时，图C11.3.12.3.2中循环次数N应取为许用循环次数Nadm，由于在确定Ce前，并不能得到准确的许用循环次数Nadm，因此CODAP标准中提出了一种近似的、保守的处理方法，即假设总的疲劳强度修正系数Cr=1，然后通过疲劳曲线确定等2015年8月·7·效总应力范围（Δσ*T,eff）对应的Nadm。（3）表面状态修正系数Cs当循环次数N≤2×106时，CF4.3012logssN=-cm式中，Fs=1-0.22×(logRz)0.64×(logRm)+0.45(logRz)0.53，Rz为表面粗糙度，循环次数N由2.4.1（2）中的方法确定。（4）平均应力修正系数Cm平均应力影响的修正系数Cm可通过CODAP标准中图C11.3.12.3.4查取（该图曲线为*refTvvr的函数），或者按下面公式计算得到：式中，M为平均应力的敏感系数，M=3.5×10-4Rm-0.1；Rm为室温下的抗拉强度。Δσref的取值与求取Ce过程中确定许用循环次数N的基本原理一样，对于只承受单一循环载荷的情况，Δσref为相应疲劳设计曲线中对应循环次数n时的许用应力范围；对于一般的情况，Δσref=max{(Δσ*T,eff)，(Δσc)}，Δσc为截止极限（cut-offlimit），Δσd为持久极限（Endurancelimit）。修正的平均应力*vr与应力范围Δσref相关，其取值按CODAP标准C11.3.11.1的规定。（5）总的疲劳强度修正系数总的疲劳强度修正系数Cr=Ct×Ce×Cs×Cm。1.4.2焊缝区疲劳强度修正焊缝区的温度修正系数Ct的确定方法与非焊缝区一样；而厚度修正系数Ce的确定按下式（也可由CODAP标准图中C11.3.12.4.2查取）：15251500.6395mmmmmmmmCeeee225100.25e12GG=`jZ[\]]]]式中厚度e为所考虑危险点的分析厚度，对于存在通过焊缝连接的非整体部件（如接管附近的补强圈），该厚度为组装后的总体厚度。1.5计算相应的许用循环次数根据CODAP标准中的疲劳曲线（或相应公式）和前面得到的各应力循环中的修正交变应力范围，求取相应的许用循环次数N1，N2，N3…等。1.6采用Miner提出的线性累积损伤准则进行判断Nn1iiiG/则评定合格。/CMMMRMMMMRM1122211133221*,**,*mrefrefrefrefetet**TTTTGGGGvvvvvvvv=-++-+++-+rrrr^c^^c^^hmhhmhhZ[\]]]]2与JB4732—1995疲劳分析的比较我国JB4732—1995分析设计标准附录C中给出的疲劳分析方法主要源自2004版ASMEVIII-2卷内容[9]，而法国CODAP标准作为欧洲EN13445疲劳分析标准的源头之一，在疲劳曲线、变幅载荷的处理、疲劳免除规定等基本问题上与我国标准有较大的差异。2.1疲劳曲线CODAP标准疲劳曲线用带有焊接接头的试件进行试验，在此基础上取应力安全系数n=2.2，寿命安全系数n=15得到，该曲线的纵坐标为参考应力范围Δσref，横坐标为循环次数N。标准中给出了两组疲劳设计曲线：焊接区疲劳曲线和非焊接区疲劳曲线。焊接区的疲劳曲线根据焊缝的结构形式、无损检测情况及焊缝表面状态分为8个等级，每个等级给出了不同的曲线，该疲劳曲线基于温度≤100℃、壁厚≤25mm，因此在进行疲劳强度校核时，需按2.3.2节的方法对其疲劳强度进行温度和厚度影响的修正；而非焊缝区的疲劳曲线根据材料抗拉强度给出不同的曲线，该曲线基于温度≤100℃、壁厚≤25mm、表面粗糙度Rz≤6μm、平均应力为0的条件，因此在进行疲劳强度校核时，需按2.3.1节的方法对其疲劳强度进行温度、厚度、粗糙度及平均应力影响的修正。JB4732标准疲劳曲线源自2004版ASME规范的疲劳曲线，不同于CODAP标准，它是以无缺口的光滑试件用对称应力循环进行弯曲疲劳试验得到的最佳曲线，然后对平均应力进行修正，并取应力的安全系数n=2.0，寿命安全系数n=20得到，该曲线用包括峰值应力在内的交变应力强度幅值（相当于侯少毅，等.CODAP标准疲劳分析方法及其与JB4732—1995分析对比第52卷第4期·8·化　工　设　备　与　管　道CODAP标准中参考应力范围Δσref的一半）和许用循环次数表示。根据相关资料介绍，安全系数n=20中主要考虑了以下三个因素：数据分散度2.0，尺寸因素2.5，表面环境因素4.0。因此在应用疲劳曲线确定其许用循环次数时，不需再考虑平均应力、温度、厚度、表面粗糙度等因素的影响。在我国JB4732—1995标准中，尚未提供专门的焊接接头疲劳设计曲线，而在CODAP标准和ASMEVIII-2卷（2007年以后版本）中均专门给出了焊缝的疲劳评定方法，并提供了焊接接头的疲劳曲线。2.2变幅载荷的处理实际工作的压力容器往往受到不同交变载荷的作用，必须考虑疲劳损伤的累积作用。目前已提出的关于疲劳破坏的累积损伤理论已有几十种[8]，在我国的JB4732—1995标准和CODAP标准均采用了Miner线性累积损伤理论。在使用疲劳设计曲线和应用Miner线性累积损伤理论进行疲劳分析前，需确定交变应力范围及相应的循环次数，其中CODAP标准采用简化循环计数法和水池循环计数法，新版ASMEVIII-2卷采用简化雨流法和最大-最小计数法[6]，而我国JB4732—1995标准尚未