一件疲劳豁免的小事

疲劳工况能豁免吗

一天，朋友问我：

“最近有一台固定管板换热器，直径DN500，管程操作压力在0到0.3MPa循环，设计压力0.5MPa。设计规范按照JB4732做分析且盖章，多少钱？”

我问：

“温度高吗？”

回答：

“温度不高，大约160度。”

又问：

“只是因为压力波动，所以需要做分析？”

回答：

“是的。”

我说：

“你这种情况，可以直接提高设计压力来设计。

按照JB4732，当压力波动小于设计压力的20%时，是不计入循环次数的。

比如压力0~0.3，0.3*5=1.5MPa。把设计压力定为1.5MPa，就可以豁免疲劳。

对于你这台DN500的换热器，1.5MPa和0.3MPa的常规设计，材料成本相差无几。但是省去了分析，经济合理。”

朋友高兴道：

“有道理！”

业主不同意

过了不一会，朋友又电话过来：

“不行啊，业主工艺不同意升高设计压力，说是系统都是按照这个设计压力，不能随便修改，所以还是需要帮忙，做分析设计！”

我想了一下：

“这种情况不用考虑业主的想法，设备是可以自己决定的。”

朋友说：“自己决定？”

我说道：“是的，设备是可以自己决定能否豁免的，比如保持原来的设计压力，同时提高设备的MAWP。这样就避免了业主工艺的修改了。

设备MAWP提高到压力波动的5倍，能豁免疲劳，只要经济性满足，是非常方便合理的。”

管法兰怎么办

上面的是个特殊工况，提高设备的MAWP到1.5MPa，整台设备都能不增加成本的情况下，豁免疲劳。

但是有时候，整台设备按照MAWP计算，不增加成本，但是管法兰的压力等级却限制了MAWP。

假如压力波动幅0.44MPa呢？

如果想要豁免，需要提高到MAWP到0.44*5=2.2MPa，而Class150的法兰，最多也就到2.0MPa。提升整体的MAWP会导致管法兰压力等级要提升，此时又要和其它专业协商，难度会很大。

管法兰的MAWP是按照压力温度查表得到的，这个表是不是适用于疲劳的管法兰呢？

在ASME里，未明确表达适用与否。ASME中与疲劳相关的部分，没有单列法兰，仅仅有法兰的螺柱。

在EN里，11.4.2条，管法兰不适用于疲劳容器，但是未明确如何计算。

俄罗斯的规范中，有法兰疲劳的公式计算方法，详见《压力容器全模型 ANSYS分析与强度计算新规范》一书。

在实际设备分析时，一些朋友带着管法兰做疲劳分析，很多时候管法兰的边界条件是错的，只是把管法兰当做一个加强圈在用，导致管法兰的应力幅很小，管法兰的结果完全不可信。

用FEA的方法用来判断法兰标准件，显得复杂且低效。

实际情况，在疲劳情况下，对于法兰肯定是有影响的，只是影响大小如何考量。

个人见解

个人认为，管法兰疲劳是可以豁免的。

在实际操作中，大多数设计人员是不会建管法兰模型的，一般法兰就是直接查表得到MAWP，具有一定的工程实践可靠性。

另一方面，考虑管法兰如果按照公式计算，绝大多数都是由预紧状态的设计力矩Mo控制了法兰的厚度。

用设计力矩Mo去核算法兰各个截面的应力，相当于用预紧工况核算各截面应力，那么就相当于操作工况的压力波动并不影响法兰的计算和法兰的应力。

按照疲劳校核条件，两个操作状况应力相减得到的应力最大值去核算疲劳寿命，这样相当于一般情况下，应力差的最大值为0，也就不用考虑疲劳了。（实际上会肯定有应力波动，只是贡献的影响比预紧小。）

个人推测，这也是ASME为什么不明确说是否可以豁免。

EN13445的不可豁免，可能因为它计算法兰有两种方法，一种是waters法，一种是按照泄漏率来计算，两种方法计算结果不同，也不能说操作对法兰没有影响，所以就要求计算。

假如管法兰不用考虑疲劳，设备其他部件提高MAWP，其实设备不用做FEA，按照规则设计规范，也可以得到可靠的设计。

不论最终采用哪种方法，起码在设计人心里，这样设计出来的厚度是安全可靠的。

结束语

1. 通过按照规范提高设备的MAWP来豁免疲劳是一个比较好的工程方法，牵涉的专业少，若果经济性无问题，实现起来容易。

2. 管法兰是否可以豁免，还需要规范明确。一般情况下，当然希望管法兰能够豁免，或者能够用简单的方法判断管法兰是否能够承受疲劳。比如参考俄罗斯的方法，用程序解决管法兰以及其螺栓的应力分析问题。