国外承压设备棘轮变形设计规范介绍

压力容器和管道等承压设备广泛应用于核工业、电子工业和化工行业，其承受内部介质的压力及热膨胀和阀门开关所产生的振动而引起的弯曲载荷等。

在这些载荷作用下，承压设备通常会发生塑形应变累积，即棘轮效应。棘轮效应将缩减材料或结构的疲劳寿命，严重影响承压设备的安全可靠性。为了防止材料或结构的棘轮效应，国外相关设计标准中已要求对结构或构件的棘轮效应进行分析，如ASME CodeSection IIt”、德国规范 KTA[2]、法国规范欧盟标准EN 13445t 、RCC.MRt 和R5规范 等。本文简单介绍国外承压设计规范防止棘轮变形的分析方法，并对不同规范进行对比。

1 棘轮效应Bree6 根据理想弹塑性模型，对承受循环载荷作用的内压圆筒进行弹塑性应变分析，最早得到了内压圆筒热棘轮效应的载荷分区图(Bree Diagram)，如图 1所示。图中横坐标为机械应力△ 与屈服强度的比值，纵坐标为热应力 与屈服强度 的比值。

而后基于理想弹塑性模型的有限元分析证实了Bree图的有效性 [8-9]ASME标准、德国的KTA规范引人了基于 Bree图的棘轮边界。从图 1中可以看出，棘轮边界是弹性安定区、塑性安定区和棘轮效应区之间的过渡 。

弹塑性结构在循环载荷作用下主要表现出以下几种行为：(1)纯弹性区：在结构中任-位置，所有载荷所产生的总应力比材料的屈服强度低。

(2)弹性安定：在最初的几次循环中，累积的塑性变形趋于稳定，结构在后续载荷作用下产生弹性响应 ，即弹性安定 。

(3)塑性安定 (交变塑性)：在反复载荷作用若干次后，累积塑性变形反复，形成稳定的交变塑性，即塑性安定。

(4)棘轮效应：结构在反复载荷作用下，累积的塑性变形不断增加，并最终导致结构破坏，及棘轮效应。

(5)垮塌：恒定载荷足够高，结构发生无限制的塑性流动，最终致使结构丧失服役能力，即垮塌。

窿 圆 Collapse1图1 Bree图Fig.1 Bree diagram收稿日期：2013.05.02基金项目：科技部 863项目(2009AA04Z4030)作者简介：陈性 (1982-)，女 (满族)，河北秦皇岛市人，博士研究生。从事压力容器和管道的可靠性研究。

化 工 设 备 与 管 道 第 50卷第 3期2 现有规范中棘轮效应评定2.1 ASME/KTA规范ASME规范 第 VII部分第二分册的分析设计中给出了防棘轮变形的方法，包括弹性应力分析(Elastic stres analysis)和弹塑性应力分析(Elastic-plastic stress analysis)。其中，弹性应力分析包括弹性棘轮分析方法 (elastic ratcheting analysis method)和简化的弹塑性分析 (simplifed elastic-plastic analysis)。

2.1.1 弹性棘轮分析方法用弹性棘轮分析方法防止棘轮变形，步骤如下：(1)防止棘轮变形要满足下列条件：△.k≤ s (1)式中，△ 表示-次应力和二次应力的当量应力范围； 表示当量应力的最大范围。

是线性化处理时穿过壁厚的总体薄膜应力、-次弯曲应力最大值和二次应力之和的最大值。

(3)确定-次和二次当量应力范围 。需要考虑循环次数的影响，所有循环对应的总应力范围大于任意-圈的应力范围。

(4) 取下面两个条件中的较大值：① 3倍许用应力&②2倍的屈服强度 。

2.1.2 简化的弹塑性分析为了防止棘轮变形，-次和二次当量应力范围应满足下面所有条件：(1)扣除热弯曲应力，-次应力、二次应力和弯曲当量应力之和的范围小于 。

(2)用于评定疲劳的弹性应力分析方法中的交变应力范围要乘以疲劳损失系数。

(3)结构的材料属性满足：屈服强度和拉伸强度比值小于等于0.8。

(4)结构满足热应力棘轮现象评定中的二次当量应力范围。

2.1.3 弹塑性应力分析为了防止棘轮变形，应用弹塑性应力分析方法。

(3)步骤 3：分析中采用弹性理想塑性模型、von Mises屈服函数和相关的流动率。另外，分析中考虑几何非线性。

(4)步骤4：为了增加产生最大棘轮变形的可行性，弹塑性分析中的外部载荷可能是反复变化的载荷时间或多个载荷事件。

(5)步骤 5：为了防止棘轮变形，至少三个循环后满足下面-个条件，附加的循环时保证塑性变形收敛 。

①无塑性行为；②结构主要承载边界存在弹性核；③结构的总体尺寸无永久变形。

如果不满足上述三个条件，结构的尺寸如厚度应该被修正或缩减外部载荷。然后，重新进行上述过程。

2.1.4 热应力棘轮现象的评定结构在循环热载荷和恒定压力共同作用下，产生累积的塑性变形称为热棘轮现象。当由热载荷产生的二次当量应力范围极值与总体薄膜应力或局部薄膜应力叠加时，为了防止棘轮变形，二次当量应力范围的许用值由以下过程确定。这个过程仅适用于二次应力范围分布为线性或抛物线分布的情况。

(1)步骤 1：确定-次薄膜应力P脚与屈服强度&的比值： J (2)(2)步骤 2：用弹性分析方法计算由热载荷产生的二次当量应力范围，AQ。

(3)步骤 3：确定由热载荷产生的二次当量应力范围的许用值， 。

① 对于由沿壁厚线性变化热载荷引起的二次当量应力范围：当0

MR方法只要借助弹性分析确定两个无量纲参数y，即可判断结构是否安定，较为简便，只是对于复杂结构确定 y时较为困难，如弯管等构件。R5主要是以简化的参考应力法为基础，采用循环载荷情况下的安定分析思想，是介于过于保守的弹性分析和过于复杂的塑性分析之间的-种折中方法。C.TDF方法需借弹塑性有限元方法确定等效塑性应变增量或弹性内核宽度，较为复杂。C.TDF方法是根据有限元分析结果提出的，虽然给出了等效塑性应变增量控制，但并没有规定计算所需的循环数，才可得到合理的计算结果。

另外，这些设计规范中也提出了防止热棘轮变形的评定方法，但仅适用于热梯度沿壁厚线性或抛物线分布的情况。

4 结论本文分析了美国规范ASME、欧盟 EN 13445、德国规范 KTA和法国规范RCC.MR等规范防止棘轮失效的安定评估方法，并对其进行比较。ASME/KTA、EN13445和RCC-MR规范对于复杂结构，无量纲量 Y确定困难。R5主要是以简化的参考应力法为基础，采用循环载荷情况下的安定分析思想，是介于过于保守的弹性分析和过于复杂的塑性分析之间的-种折中方法。C.TDF方法需要借助弹塑性有限元分析来确定等效塑性应变增量或弹性内核宽度，虽然给出了等效塑性应变增量控制，但并没有规定计算所需的循环数；而且计算量较大，因此对计算机的要求较高。因此，承压设备防止棘轮失效的简单方法显得日益重要，找到确定安定/棘轮边界的简单、有效的方法将成为研究热点。