压力容器的疲劳分析及设计

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第七章压力容器的疲劳、断裂、蠕变

第七章压力容器的疲劳、断裂、蠕变
制造中形成的焊接缺馅,特别是裂纹性缺陷。包括焊接中 因预热不当而产生的裂纹、氢致裂纹、或因拘束过大由焊 接残余应力影响而形成的裂纹。材料强度级别愈高,或厚 度愈厚,愈易产生焊接裂纹。
使用中形成的裂纹,包括腐蚀裂纹,特别是应力腐蚀裂纹, 还有由交变载荷导致出现的疲劳裂纹等。
低应力脆断不仅在压力容器上发生,在船只、桥梁及其它 焊接结构上也大量发生过低应力脆断事故,这引起工程界 与科学界的重视—发展了断裂力学。
以一个频繁开停,及工作压力交替的在零和 pmax 范围内工作的厚壁圆筒为例,说明利用疲劳设计
曲线计算容器寿命的步骤。
(1)求取在工作压力作用下,危险点的应力。 (2)求取应力循环中的最大应力和最小应力。 (3)计算交变应力幅
Sa
1 2
r 0
1 2
r
(4)利用疲劳设计曲线,查出循环次数Nf
e 2 2E
Basquin方程
e 2
f' E
2N f
b
图7-3
f '
2E
2N f
b f ' 2N f
c
等号右边第一项和第二项分别是总应变幅的弹 性分量和塑性分量。
虚拟应力幅 Sa
Sa
E
1 2
t
1 2
E t
当温度低于蠕变范围时,在低循环区域中,应
变与破环次数Nf 之间存在着如下近似关系
(3)在受压容器上距离在 2 RS 以内(R一容器的平均半径, S一壁厚)的任意两点间的金属温差变化的有效次数。
(4)部件焊缝两侧的材料具有不同温度膨胀系数 1 与 2 , 在 (1 2 )t 0.0003时4 的温度变化次数(——操作温度范围oC)。
五、疲劳分析的其它问题

压力容器疲劳寿命预测与控制研究

压力容器疲劳寿命预测与控制研究

压力容器疲劳寿命预测与控制研究压力容器是工业中常见的设备,在许多生产领域都有广泛的应用。

由于压力容器要承受内部介质的高压力,因此其材料必须具有优异的力学性能和强度。

然而,即使是最优秀的材料,在长时间的使用过程中也容易出现变形和疲劳,这会极大地威胁到生产安全和工作效率。

因此,研究压力容器疲劳寿命的预测和控制方法变得尤为重要。

1. 压力容器疲劳破坏机理压力容器的疲劳破坏机理是由于容器内外介质的压力变化引起的。

在容器受到压力加载时,材料会发生应力的集中和变形。

随着压力的变化,这种应力集中和变形会反复发生,使得材料在这样的交替应力下逐渐疲劳,最终导致疲劳破坏。

因此,了解和预测压力容器的疲劳寿命,需要深入探究上述机理。

2. 压力容器疲劳寿命预测的方法由于压力容器的经验性和非线性特性,对其疲劳寿命的准确预测十分有挑战。

因此,研究人员开发出了各种方法来预测疲劳寿命。

2.1 菲利普斯法则菲利普斯法则是一种常用的预测疲劳寿命的方法。

该方法基于最大应力原理,考虑到疲劳断裂前的裂纹扩展,假设其中任何一个瞬间,裂纹的尺寸均以速率da/dN扩展,而a为裂纹有效长度。

因此,根据裂纹尖端应力集中系数、裂纹深度和材料的常数,可以得出菲利普斯方程式来预测疲劳寿命。

2.2 贝尔曼方程贝尔曼方程是一种基于概率统计的预测方法。

该方法根据疲劳断裂模型,将材料的疲劳寿命视为一个随机事件,由贝尔曼方程表达。

在此基础上,可以利用统计学方法,通过分析裂纹的扩展、应力水平和疲劳载荷循环次数等参数,预测压力容器的寿命。

2.3 有限元法有限元法是一种在计算机上进行疲劳分析的方法。

该方法将材料抽象为无数个微小元素,然后对其进行数学建模,利用计算机模拟这些微小元素的变形和破裂,从而预测材料的疲劳寿命。

该方法可以对不同形状和大小的压力容器进行数值模拟,具有高度准确性和实际意义。

3. 压力容器疲劳寿命控制的方法为了延长压力容器的寿命,需要对其进行有效的控制。

压力容器疲劳分析设计

压力容器疲劳分析设计

压⼒容器疲劳分析设计压⼒容器疲劳分析设计⼀,⼯程背景19世纪30—40年代,英国铁路车辆轮轴在轴肩处(应⼒仅为0.4 ys)多次发⽣破坏;1954年1⽉, 英国慧星(Comet)号喷⽓客机坠⼊地中海(机⾝舱门拐⾓处开裂);1980年3⽉27⽇,英国北海油⽥Kielland 号钻井平台倾复;127⼈落⽔只救起89⼈。

主要原因是由变应⼒和裂纹导致的断裂。

⼯程实际中发⽣的疲劳断裂破坏,占全部⼒学破坏的50%-90%,是机械、结构失效的最常见形式。

⼆,定义疲劳:疲劳是在某点或某些点承受交变应⼒,且在⾜够多的循环交变作⽤之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发⽣的局部永久结构变化的发展过程。

交变载荷:结构所承受的载荷经常有规律地变化着他它的⼤⼩,或者拉压交替变化。

称为交变载荷或变值载荷。

交变应⼒:在交变载荷作⽤下,结构中的应⼒也随之有规律地改变着它的⼤⼩与⽅向。

当量交变载荷:平均应⼒不为零时真实的交变应⼒与平均应⼒为零时产⽣的疲劳破坏相同的应⼒。

疲劳极限:当最⼤应⼒减⼩到某⼀临界值以后,试件就可以经历⽆穷多次应⼒循环⽽不发⽣疲劳破坏,这个临界值就称为疲劳极限。

三,结构:应⼒分析基本上都是针对容器的局部区域进⾏的,因此在计算条件确定后应进⾏结构分析,以确定应⼒分析部位并建⽴⼒学模型。

原则上容器的所有⼏何不连续点和承受局部载荷的元件都应作为应⼒分析部位,根据分析部位的结构形式和载荷形式建⽴相应的⼒学模型。

材料:最⼤应⼒低于材料强度极限或屈服极限;没有明显的塑性变形。

断⼝表⾯上呈现出两个划分明显的区域。

载荷:载荷谱如开、停车次数、压⼒或温度波动幅度和周期等。

分布载荷如温度、压⼒、⾃重等。

局部载荷如管道推⼒、弯矩、扭矩、局部温度梯度等。

谱载荷如开、停车次数、压⼒或温度波动幅度和周期等。

容器制造过程中、⽔压试验、⼯作中的超载等留下的残余应⼒。

环境:周期性的温度变化。

时间:构件长期在交变应⼒下。

四,疲劳的特点:交变应⼒,局部⾼应⼒,裂纹,发展过程。

压力容器的常规设计和分析设计

压力容器的常规设计和分析设计
劳分 析。 ( 3 ) 分析设计考 虑疲 劳分析 时要求详细计算 温差应力 , 而常规设 计 除个别元 件外 一般无 此要求
弹性失效. 弹塑性失效 设计准则
弹性析设计
应力 ; 平封头或顶盖 中央部分在 内压作 用下产生的应力 即为一次 弯曲 应力 ; 壳体 在 固定支座或接管处 由外 载荷 和力 矩产生的应力为局部 薄 膜应力 。 2 . 2二次应力
过去压力容器及其部件 的设计基本上属于常规设计 . 我 国现在执 二次应力 是 由于容器 部件的 自 身 约束或相邻部件 的约束而产 生 自限性 ” , 即局部屈服和小量 行 的相应 的设计规范是《 钢制压力容 ̄) ( c m5 o 一 9 8 ) 。 常规设计的特点 的正应力或剪 应力 。它的基本特点具有 “ 变形协调 , 只要不反 复加 载, 二次应力 不会引起 是: 筒体及其部 件的应力不允许超过 弹性 范围内的某一许用值 。如 果 变形就会使约束缓 和 、 达到这一要求 。 即认为筒体或部件就是 比较可靠的。 这样做比较 简单 , 容器结构破坏 2 . 3峰值应力 以现成 的设计 公式及 曲线 为依据 .多年来 一直按这样 的方法进行设 峰值应力是因局部结构不连续 或形 状突变引起的局部应力 集中. 计。 然而 。 这种方法 比较粗糙 , 许多重要 因素都未考虑进去 。 以内压 圆 自限性” 和“ 局部性 ” , 峰值 筒为例 . 在常规设 计时只考虑薄膜应力 , 至 于温差应 力 、 边缘应力 以及 它具有最高的应力值 。它 的基本 特点具 有“ 交 变应 力引起 的疲劳等问题 均未考虑 。所 以在规 范中 . 为了保证容器 应力不会 引起容器 明显 的变形 的安全 可靠在设计 中就采用 了较高的安全系数 最早 的安全 系数 n = 3 . 常规设计和分析设计 比较 5 . 4 0 年代末改 为 n = 4 。 这样做实 际上是企 图以高 的安全系数来包罗各 常规设计是一种简单易行 的传统设计方法, 而分析设计则不 同。 它 种 因素 的影 响 , 存在一些 问题 。 需要详尽 的应力分析报告为依据. 需要 近代 的分析计 算工具和实验技 近 年来 。 由于锅 炉、 石油 、 化工 等行业 的发 展 , 压力容器设 计参数 术 为手段, 因而提供 了充 分 的强度数 据, 对 新工艺 、 新 材料 、 新 结构 和 提高. 使用条件也越来越 苛刻 . 如果 单纯依靠提 高安全系数 的办法来 新 工况更具科学性 和可靠性 。 分析设计 提高 了许用应力 , 降低 了安 全 保证强度 . 会 导致设计变得不合理 。 为 了防止这种现象的发生 , 我们在 系数。3 O 多年来 的实际运行表 明: 采用分 析设计 的容器安全 可靠, 且 结构型式 与材料方面采取相应措施外 . 还必须从设计观 点和设计方法 具 有经济 性; 与常规设 计相 比, 可 节省材 料 2 0 %~ 3 0 %, 在 一定程 度上 上加 以改进和发展 。 目 前世界上一些先进 的国家都在运用应力分析方 有 效减少制 造加工量 、 降低运 输费用 。但 对于选 材 、 制造 、 检 验和验 法. 我 国也于 1 9 9 5 年 颁布 了f 钢 制压力容 器一一分 析设计标 准) 0 B 4 7 收规定 了 比常规设计 更为严格 的要 求 常规设计与分析设计 的对 比. 犯一 9 5 ) . 要求把零部件 中的应力较 为准确地设计 出来或用应力 测试 法 见表 1 测定出来 。其次是引入 了极限分析与安定性分析的概念 . 对求 得的应 表1 常规设计与分析设计 力加以分类和加 以限制 比较项 目 常规设计 分析设计 分析设计和常规设计的主要区别如下: ( 1 ) 分析设计 比常规设计在选 材、 结构、 设计 、 制造 、 检脸和使用等 方 面都提出了较高的要求和较多的限击 峰件 ( 2 ) 分析设计考 虑容器低循环 疲劳失效 , 而常规设计并 未包括疲

压力容器开孔接管的疲劳分析

压力容器开孔接管的疲劳分析

而在简 体远 离结 构 不 连续 区 网格 较稀 疏 , 单 元 在
尺寸控 制上 采用 了指 定线 上 的单 元分 割数 方 式 ,
度L :7 0 0 mm; 管 内 径 d=1 5 m; 厚 t 接 2m 壁 = 6 mm; 管外 伸 长 度 f 2 0 接 _ 5 mm; 用 等 面 积法 采 应
34 2




21 0 0拄
压 力 容 器 开 孑 接 管 的 疲 劳 分 析 L
张 文 建 江 楠
( 南理工大学 ) 华


对 某开 孔 接 管 补 强 结 构 进 行 了应 力 分 析 和 疲 劳 分 析 , 与 J / 4 3 —5 中应 力指 数 法 的 分 析 并 B T 7 29
材料 的力 学性 能见 表 1 。忽 略焊 缝处 热 应 力
对 结构 的影 响 , 定 焊 缝 材料 与 壳 体 和补 强 圈 金 假
属 材料 相 同。结 构 内部 介 质 为 水 , 取腐 蚀 裕 量 为 1 mm, 工作 温 度 为 2  ̄ 设 计 压 力 3 a 设 备 的 0C, MP , 使 用 寿命为 1 0年 。
表 1 材 料 的 力 学性 能
G 108 和 J / 4 3 .5 中关 于 开孔 补 B 5 .9 B T 7 29 强 的规 定没 有考 虑结 构 的疲 劳 寿命 问题 。对 交变
载荷作 用下 的开 口接 管补强 结构 进行疲 劳 寿命分
析就 非常 必要 。J / 4 3 -5中提 到 对 压 力 容器 B T 7 29 的应 力分析 和疲 劳分 析 时 可 以采 用 应 力 指 数法 、
36 2

压力容器的分析设计

压力容器的分析设计

过渡区或 与筒体连 接处 平 盖 中 心 区




与 筒 体 连 接 处


局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力
PL Q
表4-15 压力容器典型部位的应力分类
接 管 接 管 壁 內 压 一次总体薄膜应力 局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力 峰值应力 薄膜应力二次应力 弯曲应力二次应力 峰值应力 Pm PL Q F Q Q F Q F
4.4.2.1 应力分类
一次应力P (3)一次局部薄膜应力PL 在结构不连续区由内压或其它机械载荷产生的薄膜应力和 结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。 作用范围是局部区域 。 具有一些自限性,表现出二次应力的一些特征,从保守 角度考虑,仍将它划为一次应力。
实例:壳体和封头连接处的薄膜应力; 在容器的支座或接管处由外部的力或力矩引起的薄膜应力。
一次总体薄膜应力强度SⅠ;
一次局部薄膜应力强度SⅡ; 一次薄膜(总体或局部)加一次弯曲应力(PL+Pb)强度SⅢ; 一次加二次应力(PL+Pb+Q)强度SⅣ; 峰值应力强度SⅤ(由PL+Pb+Q+F算得)。
4.4.3 应力强度计算
应力强度计算步骤 除峰值应力强度外 ,其余四类应力强度计算步骤为: (1)在所考虑的点上,选取一正交坐标系, 如经向、环向与法向分别用下标x 、q 、z表示, 用x、q和z表示该坐标系中的正应力, txq、txz、tzq表示该坐标系中的剪应力。 (2)计算各种载荷作用下的各应力分量,并根据定义将各 组应力分量分别归入以下的类别:一次总体薄膜应力 Pm;一次局部薄膜应力PL;一次弯曲应力Pb;二次应 力Q;峰值应力F。
4.4.3 应力强度计算

具有典型结构压力容器的疲劳分析设计

具有典型结构压力容器的疲劳分析设计

具有典型结构压力容器的疲劳分析设计张杰,郝明涛,江保全,邓龙伟,唐毅(西南化工研究设计院有限公司, 四川 成都 610025)[摘 要] 由于局部应力对压力容器承受疲劳载荷的能力起着显著作用,在结构设计上应尽量避免使结构产生过大的局部应力峰值。

然而,工业应用的需求已无法规避具有某些典型结构的疲劳压力容器。

本文针对一种具有包括各口径接管(特别是斜接管)、内件支撑件、起吊吊耳、耳座支撑等典型结构的疲劳压力容器,基于有限元计算软件ANSYS,介绍了分析和设计的过程和评定方法,探讨了典型结构的特点和应力分布规律的成因,并提出相应处理措施。

[关键词] 压力容器;典型结构;应力;分析设计;疲劳评定作者简介:张杰(1981—),男,重庆荣昌人,2008年毕业于四川大学化工过程机械专业,博士,高级工程师。

主要从事压力容器设计和装备研发工作。

近年来,随着石油化工和各类工业技术水平的迅速发展,承受循环载荷的疲劳压力容器的应用日益增多。

压力容器受压部件中的结构不连续部位、开孔接管以及附件的焊接接头附近等区域常常会产生较高的局部应力(包括峰值应力在内的最大应力),对结构承受疲劳载荷的能力影响较大。

随着载荷的不断循环,局部应力的反复作用,将使材料晶粒间发生滑移和错位,逐步形成微裂纹,微裂纹不断扩展,进而形成宏观疲劳裂纹贯穿整个壁厚,最终导致容器发生疲劳断裂[1]。

在结构设计上疲劳压力容器应尽量避免几何不连续的结构,避免使结构产生过大的局部应力峰值。

然而,生产规模的不断扩大,单元装置的自动化和集约化程度越来越高,监测反馈回路增多、安装方式受限等情况不断呈现,疲劳压力容器已经无法规避各种常见的典型结构。

典型结构通常有典型的开孔接管规格和形式、典型的外部附件连接、典型的内部支撑件连接等。

因此,设计者只能掌握更加精确的设计方法,来评价结构承受疲劳载荷的能力。

本文基于大型有限元计算软件ANSYS ,对此类具有典型结构的疲劳压力容器的分析设计进行了较详细的阐述。

基于P方法的平板封头压力容器疲劳分析

基于P方法的平板封头压力容器疲劳分析

p e s r e s l. r s u e v s es Ke wo d : p e s r e s l t o y rs r s u e v s e ;P me h d;An y ;f t e a ay i ;f th a s s ai l ss l e d u g n a
基 于 P方 法 的 平板 封头 压 力容器 疲 劳 分 析
刘 明 张应迁
四川理 工 学院 自贡

6 30 4 00
要 :压力容器 的疲 劳分析是压力容器设计 、分 析 的重要 环节 。本 文基于 有限元分 析 的 P方法对 平板封
头压力容器进行疲 劳分 析。通过与传 统方法的对 比,得 出 P方法更 精确 的结论 ,为压 力容器 的疲 劳评定 提供更 可靠 的依据 。

c nr s t h r d t n t o ,P meh d i mo e a c rt n rv d sa mo e r l b e b ssfrf t e a s s me t f o t twi t e t i o a meh d t o r c u ae a d p o i e r ei l a i o ai s e s n a h a i l s a u g o
化 应力 释放槽 的半 径 ,采 用 A ss A D ny 的 P L参数 化
设计语言 ,建立平板压力容器的参数化模型并进
行疲 劳分析 ,以期 寻求最 优 应力 释放 槽 半径 。图 4 反映 了采用 P方 法 与传 统 方 法 的疲 劳 耗 用 系数 与 应力 释放槽 半径 的关 系 。
能 量 误 差 的 5 左 右 ,特 别 是 自适 应 网格 法 ,可 %
以通 过 自动 调 整 单 元 尺 寸 以 适 应 结 构 应 力 梯 度 ,

压力容器疲劳

压力容器疲劳
J Wdy T

u ds x
J积分的形变功率表达式
J u a
上式u为试件的总变形能 , a为裂纹尺寸 .
J J IC 线弹性与小范围屈服的条件下
J积分判据即为 :
K I2 J E'
J IC
2 K IC E'
三、结构防止断裂的安全评定工程方法
(1)美国ASME锅炉及压力容器规范第Ⅲ篇附录G和 第Ⅺ篇附录A的方法。 (2)欧洲工业结构完整性评定方法SINTAP (3)美国石油学会合乎使用实施方法API579 (4)英国标准含缺陷金属结构的评定方法BS7910。 (5)日本焊接工程学会JWES2805评定方法。 (6 ) 我 国 国 家 标 准 在 用 含 缺 陷 压 力 容 器 安 全 评 定 GB/T19624-2004。 (7)美国电力研究院EPRI弹塑性断裂估算方法。 (8)英国中央电力局CEGB R/H/R6-R3报告方法。



压力容器发生低应力脆断的原因主要是因为焊缝中存在明 显的宏观缺陷。 制造中形成的焊接缺馅,特别是裂纹性缺陷。包括焊接中 因预热不当而产生的裂纹、氢致裂纹、或因拘束过大由焊 接残余应力影响而形成的裂纹。材料强度级别愈高,或厚 度愈厚,愈易产生焊接裂纹。 使用中形成的裂纹,包括腐蚀裂纹,特别是应力腐蚀裂纹, 还有由交变载荷导致出现的疲劳裂纹等。
2
2
临界状态时
c K c s s
例7-1 有一试验容器,材料为15MnVR,外径为200mm, 壁厚为6mm,沿轴向有被密封住的穿透型裂纹,其总 长为61.5mm;材料的屈服极限为390MPa, E 2.1 10 MPa,断裂韧度 c =0.08mm。试计算容器开裂 时的压力 p。 c R 解: 将S=6mm, 2002 6 =97mm,a= 612.5 =30.75mm代入鼓 胀效应系数中 30.75 1.9 M 1 1.61

压力容器疲劳分析报告模板

压力容器疲劳分析报告模板
6级(0.05g)
8
疲劳设计寿命
>15年(15000次)
(1)设计载荷
条件
载荷组合注2
K值
计算应力基准
设计
载荷
A
设计压力3.9MPa;
操作重量25780kg;
1.0
设计温度170℃下,不计腐蚀裕量厚度注1
试验
载荷
A
水压试验压力5.69MPa(立试)注3;
液重、自重及所属配重共34378kg;
1.25
模型一工况一(C1)至工况二(C2)主应力差SINT云图如图4-15所示;
模型一工况二(C2)至工况三(C3)主应力差SINT云图如图4-16所示;
工况三(C3):再生最高温度阶段,操作压力0.2MPa,塔顶温度150℃,塔底温度80℃;
工况四(C4):冷却降温初始阶段,操作压力0.2MPa,塔顶温度降低至30℃,塔底温度仍为80℃;
工况五(C5):冷却完成,操作压力0.2MPa,整塔温度30℃。
3
根据脱甲醇塔的实际结构,分为2个三维实体模型,采用ANSYS软件分析,选用SOLID186单元(20节点),利用规则的六面体进行网格划分。
GB/T12459,GB6479
7
法兰/法兰盖
16MnIII
NB/T47008
表1-4基本设计参数
1
设计压力MPa (g)
3.9
2
设计温度°C
170
4
工作压力MPa (g)
0.2~3.4
5
工作温度°C
15~150
3
试验压力MPa(g)
5.69(立)/5.75(卧)
6
风压/雪压Pa
300/350
7

压力容器分析设计基础

压力容器分析设计基础

一、应力性质
1.薄壁容器
pr2 2T
pr2 2T
(2
r2 ) r1
应力特点:
➢ 沿壁厚均布;
➢ 平衡外载,无自限性;
➢ 外压时为压应力,需 考虑失稳。
一、应力性质
2. 厚壁容器
K
p 2
1
(1
R02 r2
)
r
K
p 2
1
(1
R02 r2
)
z
K
p 2 1
K R0 Ri
一、应力性质
2. 厚壁容器
为了分析应力的性质,将非线性分布的应力视为均 匀分布、线性分布和非线性分布的三部分的叠加。
许用应力分类 GB150-98,约27种
JB4732-95,约27种
15 制造与检验
按压力容器常规要求 比前者要求严格
制造资格 16 综合经济性
要有压力容器制造许可 证
一般结构的容器综合经 济性好
必须有相应的许可证,例如第三类 压力容器许可证
大型、复杂结构的容器综合经济性 好(用户需提供详细的设计任务书)
16MnR正火,6-100mm -20 ℃ 16MnDR正火,6-32mm, -40 ℃ 09Mn2VDR正火,6-20mm,-50 ℃ 09MnNiDR正火,6-60mm,-70 ℃
5 钢板的韧性要 20R
≥18J
求(以冲击功Akv 16MnR,15MnVR
≥20J
表示)
15MnVNR,18MnMoNbR,
2、分析设计
设计准则
塑性失效准则——只有当结构沿厚度方向全部屈服时, 结构才失效。
疲劳失效准则——一定许循环应力幅作用下的构件,只 有其循环次数超过允许的最大循环次数后,才会发生疲 劳破坏。

压力容器设计 疲劳分析

压力容器设计 疲劳分析
σa +σm =1 σ −1 σ b
11
4.5.2 低循环疲劳曲线
σ a
σs C σeFq F''
σaF
σE eq
E'
σE a
F'
F
E
D
O
σF' σE σF mmm
σ s
图4-66 平均应力的调整
标准分享网 免费下载
过程设备设计
B
σ b 12
4.5.2 低循环疲劳曲线
σa
=
1 2
Eε e
1
wwS w= .2bEεzpf+xσwa .com(4-95)
E
100
S= 4
N
ln 100 − ψ
+σ a
低循环疲劳中 — 虚拟应力幅 S与 疲劳寿命 N之间
的关系
E
100
S= 4
N
ln 100 − ψ
+ σ −1
(4-96)
8
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4.5.1 概述 4.5.2 低循环疲劳曲线 4.5.3 压力容器的疲劳设计 4.5.4 影响疲劳寿命的其它
因素
2 标准分享网 免费下载
4.5.1 概述
4.5 疲劳分析
过程设备设计
教学重点: 压力容器的疲劳设计。
教w学w难w.点b:zfxw.com
低循环疲劳曲线低的修正 。
27
4.5.3 压力容器的疲劳设计
4.5.3 压力容器的疲劳设计(续)
过程设备设计
设一压力容器所受的各种交变应力幅为S a1 、Sa2 、Sa3 ⋯⋯,它们 单独作用时的疲劳寿命分别为N1、N2、N3 ⋯⋯。 若S a1 、Sa2 、

压力容器法兰螺栓疲劳强度浅析

压力容器法兰螺栓疲劳强度浅析

第56卷第3期2019年6月Vol.56No.3Jun.2019化H i殳备与肾道PROCESS EQUIPMENT&PIPING•压力容器•压力容器法兰螺栓疲劳强度浅析方晓峰(中石化宁波工程有限公司,浙江宁波315103)摘要:介绍了一种压力容器法兰螺栓疲劳强度的计算方法,通过引入法兰当量受力面积,计算螺栓、法兰和垫片系统的相对刚度K,最后根据应力幅法计算螺栓疲劳强度。

关键字:螺栓;疲劳;相对刚度;应力幅中图分类号:TQ050.3;TH122文献标识码:A文章编号:1009-3281(2019)03-0001-004压力容器设计中经常遇见各种承受交变载荷的设备,对于容器和接管的疲劳计算可以参考美国的ASME、英国的BS5500和我国的JB4732等标准进行分析,但有关法兰、螺栓连接系统中螺栓的疲劳计算介绍得相对较少闪。

然而螺栓的疲劳失效会直接导致法兰密封泄漏,造成设备失效,甚至停产等危害。

针对法兰、螺栓连接结构,本文拟采用一种新的计算方法计算螺栓、法兰和垫片系统相对刚度K r,进而利用应力幅法判定螺栓的疲劳强度是否合格。

1螺栓的受力分析和疲劳计算压力容器法兰螺栓连接(如图1所示)是由法兰环、垫片和螺栓等组成的一个静不定系统。

在操作状况下,螺栓在承受预紧力F。

作用时,还经常承受一个由0到代循环变化的交变载荷,因此在设计计算时须同时考虑螺栓的疲劳破坏图1法兰螺栓连接Fig」Flange and bolt connection system在预紧法兰时,螺栓受拉,法兰和垫片受压,施于螺栓上的拉伸预紧载荷与施于法兰、垫片系统上的压缩预紧载荷大小相等、方向相反。

在预紧载荷作用下,螺栓伸长而法兰和垫片缩短,螺栓的拉伸变形和法兰、垫片的压缩变形值视螺栓和法兰、垫片系统的拉压刚度而异。

工作时,内压升起后,设由内压所引起的总载荷为尸3,则在内压作用下法兰、垫片系统的载荷由巴下降为尺(为保证工作时的密封,件值应保持在一定水平之下,其值可由法兰设计中的2nD a bmp决定),因而压缩变形量由厲下降为dp-A4;相应地,螺栓伸长量则增加其总伸长量达此时的螺栓载荷值为F0+K r-代。

机械工程中压力容器的疲劳寿命分析与改进

机械工程中压力容器的疲劳寿命分析与改进

机械工程中压力容器的疲劳寿命分析与改进在机械工程中,压力容器被广泛应用于各种领域,如石化、电力、航空航天等。

然而,由于使用过程中受到不断变化的压力和温度等因素的影响,压力容器容易发生疲劳破坏,从而导致安全事故的发生。

因此,研究压力容器的疲劳寿命分析与改进具有重要意义。

首先,压力容器的疲劳寿命分析是了解其寿命的重要手段。

疲劳寿命分析主要通过应力-应变曲线、载荷频率及材料性能等参数来评估压力容器的疲劳寿命。

通过分析容器受力情况,找出应力最大的位置,确定疲劳断裂的起始点,可以计算出压力容器的寿命。

而在疲劳寿命分析的过程中,还需要考虑到材料的疲劳性能、载荷的作用形式以及工作环境等因素。

通过系统分析和实验验证,可以准确评估压力容器的疲劳寿命,为改进提供理论依据。

其次,在分析压力容器的疲劳寿命后,需要采取一系列改进措施来提高其使用寿命。

一种常见的改进方法是采用更优质的材料。

高强度材料具有更好的抗疲劳性能,能够提高压力容器的寿命。

此外,还可以通过优化压力容器的结构设计来减少应力集中,改善其疲劳性能。

例如,增加圆角、改变接缝的设计等,都可以降低应力集中的程度,从而延长压力容器的使用寿命。

此外,还可以采用表面处理等方法来提高材料的表面质量,减少表面缺陷对疲劳寿命的影响。

另外,监测和维护也是延长压力容器寿命的关键因素之一。

通过定期的检测和维护,可以及时发现和处理压力容器的安全隐患,避免事故的发生。

常用的监测方法包括无损检测、磁粉探伤等技术,可以对压力容器进行全面的检测。

此外,在维护方面,需要及时更换老化的部件,保持压力容器的正常运行状态。

只有加强监测和维护工作,才能确保压力容器的安全使用。

综上所述,压力容器的疲劳寿命分析与改进在机械工程中具有重要意义。

通过分析容器的受力情况,确定疲劳断裂的起始点,可以准确评估容器的寿命。

而通过采用更优质的材料、优化结构设计以及加强监测和维护工作,可以提高压力容器的使用寿命。

只有不断加强研究和实践,才能不断完善压力容器的设计与制造,确保工程结构的安全性和可靠性。

疲劳知识总结

疲劳知识总结

压力容器疲劳知识总结(201220630 邹明铭)1.疲劳分析设计工程背景疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下,在某点或某些点产生局部的永久性损伤,并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

在工程实际中,大量的材料、构件在交变应力作用下工作,将发生疲劳破坏,因而在疲劳分析在工程设计中占有重要地位。

疲劳强度分析是一个热点的研究领域,已从经典的无限寿命设计发展到有限寿命设计和可靠性分析。

累积损伤观念为现代工程设计注入了新思想和新方法,损伤理论已成为一门新的学科,为解决疲劳寿命问题提供了重要理论基础与工程计算方法。

2.疲劳分析的基础知识2.1交变应力图1所示的交变应力,用S代表广义应力,即它可以是正应力,也可以是切应力。

图1 交变应力示意图应力循环——应力值每重复变化一次成为一个循环,及应力从最小值变到最大值,再变回到最小值。

循环次数——应力重复变化的次数,用N表示。

S表示。

最大应力——应力循环中的最大值,用max最小应力——应力循环中的最小值,用min S 表示。

平均应力——最大应力与最小值的平均值,用m S 表示。

即m max min 1()2S S S =+ (2-1) 应力幅值——应力变化幅度的均值,用a S 表示。

即 max min 1()2a S S S =- (2-2) 这样,max m a S S S =+ (2-3)min m a S S S =- (2-4)循环特征——最小应力与最大应力的比值,用 表示。

即(2-5)2.2 几种典型的交变应力图2所示的交变应力,为对称循环的交变应力。

其特点是max min max 1,,0,m a r S S S S S =-=-==图3所示的交变应力,为脉动循环的交变应力。

其特点是min max 10,0,2m a r S S S S ==== 图4所示的为静应力,可视为应力幅值为零的特殊交变应力。

其特点是 max min 1,,0m a r S S S S ====除图2所示的对称循环的交变应力外,其它均为非对称循环交变应力,且其循环特征 均在-1与+1间变化。

压力容器分析设计

压力容器分析设计

2 应力特性
2.4 壳体不连续区
2 应力特性
2.4 壳体不连续区
边缘应力的特点: (Ⅰ)边缘局部范围,并非遍及整个容器; (Ⅱ)具有自限性; (Ⅲ)边缘应力中,内力引起均匀分布的正应力,内力 矩引起线性分布的弯曲应力,均匀分布应力的危害大于 线性分布应力的。
2 应力特性
2.5 容器支座区
2 应力特性
1分析设计概述 1.3 与常规设计的规范比较
2 应力特性
2.1 中低压容器
薄膜应力特点:
(Ⅰ)应力值决定于第一曲率半径与第二曲率半径;
(Ⅱ)存在整个壳体,沿壁厚均匀分布; (Ⅲ)与外载平衡,增大载荷,应力增大,无自限; (Ⅳ)承受外压,为薄膜压应力,失稳的临界应力。
1分析设计概述 1.2 分析设计的基本思想 分析设计的主要特点
(Ⅰ)采用塑性失效设计准则; (Ⅱ)进行详细应力分析; (Ⅲ)对不同性质的应力区别对待; (Ⅳ)引入虚拟应力概念。
分析设计的三大环节
(Ⅰ)应力分析:对容器各部位的各种应力进行详细计 算,或对模拟容器的应力进行实验测试; (Ⅱ)应力分类:根据不同应力引起失效的危害程度不 同,进行应力分类; (Ⅲ)应力评定:对不同类型的应力进行分析、组合,形 成当量应力,采用不同的失效准则给予限定。
(3)一次弯曲应力(代号
)
作用于整体结构,由机械载荷引起,沿截面线性分布
3 应力分类
3.2 二次应力(代号 )
特点:由变形不连续引起,自限性,总体结
构不连续引起的弯曲应力
3.3 峰值应力(代号 )
特点:由局部结构变形不连续引起,有自限 性,不引起结构明显变形,导致疲劳
4 应力评定
1 应力强度 应力强度:按一定强度理论对复杂应力状态组合为与 单向应力可以比较的当量应力。 具体内涵:按一定标准(强度理论),确定一个与应 力状态无关的应力值(当量应力),认为 一旦达到该应力值,材料就发生破坏。 应力强度 =2×最大剪应力 或

浅谈压力容器的疲劳分析及设计

浅谈压力容器的疲劳分析及设计

浅谈压力容器的疲劳分析及设计随着石油化工和其他工业的迅速发展,元件结构和载荷的日趋复杂,疲劳破坏成为压力容器失效的主要原因之一。

尽管人们对疲劳问题已引起足够重视,但疲劳破坏事故仍然不断发生。

所以,对压力容器疲劳问题进行研究具有重要的意义。

本文主要是对压力容器出现疲劳的原因及其设计进行分析论述。

标签:压力容器;疲劳;设计压力容器的破坏形式有很多种,如脆性、韧性破坏,介质腐蚀破坏等。

疲劳损傷有别于其他损伤模式,日常检查不容易发现,并且引发的事故突然,因此具有极大的潜在危害性,设备管理者应对其高度重视。

对疲劳可以从不同的角度进行分类。

在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。

从微观上看,疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关,但从宏观上看,在循环应力水平较低时,弹性应变起主导作用,此时疲劳寿命较长,称为应力疲劳或高周疲劳;在循环加力水平较高时,塑性应变起主导作用,此时疲劳寿命较短,称为应变疲劳或低周疲劳,压力容器的疲劳就属于高应力底周期的疲劳。

下文将对压力容器疲劳的相关内容进行详细的论述。

1 压力容器疲劳缺陷产生的原因压力容器发生疲劳破坏的时候,一般没有明显的塑性变形的标志出现,这是由于局部的高应力集中区应力的峰值超过了材料的屈服极限值,发生了晶粒滑移,随着载荷的不断往复作用,晶粒逐渐从高应力集中区分散开,从而产生了裂纹,这种裂纹不断扩大到整个集中区域最终产生疲劳断裂。

压力容器中产生疲劳断裂的区域有以下几个区域:第一,开孔接管区域,这边由于开孔之后,材料缺失,这部分及其容易形成应力集中区,从而导致产生疲劳缺陷。

第二,支座连接区及封头连接区域,这部分是由于焊接之后,产生的各种问题,导致应力集中,同时在焊接的时候高温促进了晶粒的滑移速度的加快,这样更容易产生应力的集中,从而容易导致疲劳缺陷。

第三,压力容器的总体区域,在这些区域中一些原始的缺陷:如焊接的残余应力,容器板材加工过程中的应力,都可能导致应力的集中,从而产生疲劳缺陷。

应力指数法和疲劳强度减弱系数法在疲劳容器设计中的应用

应力指数法和疲劳强度减弱系数法在疲劳容器设计中的应用
有 效厚 度 , mm; 头为球 面部 分 的 中径 , 圆筒 壳 为 中 对
径 , , D ( 径) mm D 一 内 + 。


D —— 对 球壳 为球 形 封 头 的 中径 , 成 形 封 对
压 力 容器 中总 存在 着局 部结 构不 连续与 总 体 结构 不连 续 的地 方 , 些地 方 都 会 导 致 局 部 区 域 这 的应 力增 高 , 力集 中对 疲 劳 强 度 产生 的影 响 可 应 通 过疲 劳强 度削 弱 系数法 和应 力指数 法进 行疲 劳
疲劳 分析设 计 可免 除有 限元计 算 。当所设计 的容 器与 已有 成功 使用 经验 的容 器有 可类 比的形状 与 载荷 条件 , 根据 其 经 验 能证 明 不需 要 做 疲 劳 分 且
析 时 , 至 可 以Leabharlann 除应 力分 析[ 。 甚 1 ]
1 应 用 方 法


计 算压 力 , a MP ;
强 度估算 。
对 于椭 圆形 封 头 和 锥 壳 而 言 , 要将 封 头球 只 面部分 中径 和 锥 壳 开 孔 部 分 的 当 量 中径 带 入 式 () 1 和式 ( ) 2 即可 。对 于 壁厚 与 内径 之 比 / D ≤
0 1 K—D D内 1 1 1 2的簿 壁容 器 , 孔 .或 外/ ≤ . ~ . 开
处 的最 大应 力峰 值 即为未 开孔 时 的环 向总 体薄膜
疲 劳 强度 削弱 系数 K 可 定 义 为 无 应 力 集 中
时 的疲 劳 强 度 和 有应 力 集 中 时 的疲 劳 强 度 的 比
应 力乘 以开 孔处 的应 力指 数 。 应用应 力指 数 法要 特别 注意 以下 问题 : ( )该 方 法 仅 适 用 于单 个 的 、 立 的开 孔 。 1 孤 所谓 单个 的 、 立 的开 孔 是 指 开 孔 部位 距 其 他 接 孤 管 、 孔 、 兰 或 其 他 总 体 不 连 续 处 足 够 远 的情 开 法
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压力容器的疲劳分析及设计
摘要:随着石油化工和其他工业的迅速发展,元件结构和载荷的日趋复杂,疲劳破坏成为压力容器失效的主要原因之一。

尽管人们对疲劳问题已引起足够重视,但疲劳破坏事故仍然不断发生。

所以,对压力容器疲劳问题进行研究具有重要的意义。

关键词:压力容器疲劳分析设计
一、背景
国际标准化组织(ISO)在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳所做的定义是:“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”这一描述也普遍适用于非金属材料。

对疲劳可以从不同的角度进行分类。

在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。

从微观上看,疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关,但从宏观上看,在循环应力水平较低时,弹性应变起主导作用,此时疲劳寿命较长,称为应力疲劳或高周疲劳;在循环加力水平较高时,塑性应变起主导作用,此时疲劳寿命较短,称为应变疲劳或低周疲劳,压力容器的疲劳就属于高应力底周期的疲劳。

二、材料疲劳缺陷产生的原因
压力容器发生疲劳破坏的时候,一般没有明显的塑性变形的标志出现,这是由于局部的高应力集中区应力的峰值超过了材料的屈服极限值,发生了晶粒滑移,随着载荷的不断往复作用,晶粒逐渐从高应力集中区分散开,从而产生了裂纹,这种裂纹不断扩大到整个集中区域最终产生疲劳断裂。

压力容器中产生疲劳断裂的区域有以下几个区域:
1.开孔接管区域,这边由于开孔之后,材料缺失,这部分及其容易形成应力集中区,从而导致产生疲劳缺陷。

2.支座连接区及封头连接区域,这部分是由于焊接之后,产生的各种问题,导致应力集中,同时在焊接的时候高温促进了晶粒的滑移速度的加快,这样更容易产生应力的集中,从而容易导致疲劳缺陷。

3.压力容器的总体区域,在这些区域中一些原始的缺陷:如焊接的残余应力,容器板材加工过程中的应力,都可能导致应力的集中,从而产生疲劳缺陷。

为了解决这些问题,需要在设计时,从各个方面来对这些问题进行处理。

三、疲劳设计
疲劳设计过程主要如下:
图1:疲劳设计流程
首先对压力容器进行粗设计,确认需要的主体结构的材料,然后对其进行有限元分析,确认应力集中点,在利用疲劳预测软件汇合材料的材料疲劳性能参数,疲劳载荷谱,对材料的疲劳寿命进行预测,最后对结果进行分析以确认是否可以,不可行的情况下根据计算情况进行设计修改。

设计之前首先需要获得疲劳曲线图。

疲劳曲线是指金属承受交变应力和断裂循环周次之间的关系曲线。

各种材料对变应力的抵抗能力,是以在一定循环作用次数N下,不产生破坏的最大应力σN来表示的。

疲劳曲线图分为S-N图和等寿命图。

在初始设计的时候需要注意,疲劳破坏由应力或应变较高的局部开始,形成损伤并逐渐累积,导致破坏发生。

可见,局部性是疲劳的明显特点。

因此,在设计的石化要注意细节,研究细节处的应力应变,尽可能减小应力集中。

目前疲劳应力的设计有三种:基于试验的疲劳设计,以断裂力学为基础的疲劳设计和采取设计疲劳曲线的疲劳设计。

基于试验的疲劳设计,主要是利用实验来确定疲劳寿命,这是最传统的方法,能够获得与实际情况最接近的数据,这种方法虽然可靠,但是在设计阶段,或容器的组成太复杂、太昂贵时,以及在实际情况的类别数量太庞大的情况下,无论从人力,物力,还是从工作周期上来说,它都是不大可行的。

并且由于容器的结构、外载荷、储存介质和环境差异,使得实验结果不具有通用性。

采取设计疲劳曲线的疲劳设计需要利用一个标准的疲劳曲线来进行设计,标准中的设计疲劳曲线不是由实验确定的原始曲线,而是考虑多种影响因素后,经过修正适合工程应用的设计疲劳曲线。

设计疲劳曲线均考虑了平均应力的影响,因此只需考虑循环载荷所引起的应力,而无需考虑在循环中不变化的任何载荷或温度状态所产生的应力,因为其产生平均应力,而平均应力的最大可能影响已包含在疲劳设计曲线中。

同时,考虑到实验数据的分散性、尺寸效应、表面粗糙度和环境因素等,对应力幅取2.0的安全系数,对寿命取20的安全系数(其中包括数据分散度2.0,尺寸效应2.5,表面粗糙度和环境因素等4.0)。

以断裂力学为基础的疲劳设计,在压力容器的疲劳设计中很少使用断裂力学去进行设计,断裂力学的设计主要在结构设计的时候已经对其做了处理。

四、各个区域不同处理
在压力容器的各个区域中,疲劳的分析和设计都不相同。

对于承压元器件可以采用应变疲劳方法又称局部应变法或者局部应力-应变方法。

该方法将作用于机构细节的名义应力谱,通过弹塑性分析,转换为结构细节危险点的局部应力谱,然后通过当量循环的方法,把局部谱用计数方法得到的应力应变循环等效于光滑试件的应力应变循环,最后由光滑试件的应变-寿命曲线估算结构危险点的疲劳损伤,进而预测结构的疲劳寿命。

对于普通情况的可以采用名义应力法进行计算,名义应力法是最早形成的抗疲劳设计方法,它以材料或零件的S-N曲线为基础,对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力,结合疲劳损伤累积理论,校核疲劳强度或计算疲劳寿命的一种方法。

五、结束语
近十年来,国际上压力容器疲劳设计方法取得了巨大的变革性进展,压力容器疲劳设计,主要源于两大国际标准,即美国的ASMEⅧ-2和欧盟国EN13445,2002年EN13445颁布,该标准吸收和发展了英国BS PD 5500、法国CODAP 及德国AD规范中的相关内容,给出了两种疲劳设计方法,即EN13445-3第17章的疲劳寿命简化评定法和第18 章的疲劳寿命详细评定法。

后者针对焊接件和非焊接件分别给出了评定方法。

2007年,ASMEⅧ-2进行了大幅度改写后颁布,同时也提出了一种全新的疲劳评定方法—基于等效结构应力的疲劳评定方法。

该方法仅适用于焊接件的疲劳评定,多个方面优于其它针对焊接件的评定方法。

其原理和分析步骤与以往的方法都有所不同。

随着科技的发展未来还将不断吸收最新研究成果,压力容器的疲劳计算也将越来越准确。

参考文献
[1]谭晶莹金丹.低循环疲劳问题的工程设计方法及应用[J].沈阳化工学院学报,2002,(01)。

[2]许琦.压力容器的常规设计法与疲劳设计法[J].常州大学学报(自然科学版),1999,(04)。

[3]蔡慈平.浅谈压力容器的疲劳分析设计[J].化工装备技术,2008,(04)。

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