压力容器开孔接管处的应力分类及补强设计方法的比较
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求引言压力容器上的开孔不仅影响结构强度,还会因为接管有着各种载荷所产生的应力、温度应力,以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用,往往是造成容器破坏的根源,所要解决这些问题,就必须了解开孔补强中的规定以及要求。
1.压力容器补强结构解析与一般规定压力容器的补强结构可分为:补强圈搭焊结构和整体补强结构。
1.1补强圈搭焊结构补强当容器采用补强圈搭焊结构时,其应当符合的基本的条件为,容器壳体名义厚度不得大于38mm补强圈的材料厚度不得大于1.5 倍容器壳体的厚度尺寸;使用低合金钢的标准抗拉强度应当小于540MPa若条件许可,优先举荐使用厚壁管代替补强圈进行补强。
当容器为低温压力容器的时候,补强接管应当尽可能采用后壁管进行补强,焊接焊缝应当使用全焊透结构,且焊缝圆滑过渡;带补强板的接管与容器器壁的连接接头应当符合相当于HG/T20583中的G28 G29 G30 G33的要求。
补强板采用与器壁相同的材料,带补强板的结构不得用于容器器壁厚度大于30mm 的场合,也不适用于设计温度低于-40°的场合。
带补强圈的接管与壳体的连接,以及补强圈与壳体搭接的角焊接头壳采用GB15 0中所示结构进行,且接管端部应与容器表面齐平,端部内角应当打磨成R不小于3mm勺圆角。
?a 强圈虽然结构简单,易于加工,但是补强效果较差,补强圈与壳体之间勺间隙不可避免,同时虽然补强圈上设有排气孔,但是补强圈结构在最终勺热处理后应力缺很复杂。
1.2整体补强结构补强当具有下列条件时,应当采用整体补强或者局部整体补强。
①高强度钢(标准抗拉强度大于540MPa和铬钼钢(如15CrMoR 14Cr1MoR 12Cr2Mo1R 制造的压力容器;②补强圈勺厚度大于1.5 倍容器壁厚度;③设计压力大于或者等于4MPa的第三类容器;④容器的壳体壁厚大于或者等于38mm;⑤疲劳压力容器或者容器盛装介质为毒性的高位介质容器。
压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较
( un zo a i G a gh uHu —L —HegC e ia Id s yE u m n C . Ld ,G ag o gG a gh u5 4 C ia n h m cl n ut q i e t o , t. u n d n u nzo 4 2, hn ) r p 1 1
力集 中系数大于法 向接管开孔 , 图 2中的( ) b 的应 力集 如 a 比( )
中系 数 大 。
1 开 孔 附 近 的 应 力 分 析
1 1 平板 开孔 附近 的应 力 .
经分析 … : ①平板 开圆形 孔 ; ②壳体 开孑 ; 平 板开 椭 圆形 L③
孔; ④无 限大平板开 多个孔 。得 出以下结 论 : ①开孔 的应 力集 中区域 内的应 力是 属于 局部 应力 , 衰减很
轴线 , 否则将 使柱壳强度大大降低 ; 图 1中的 ( ) a 好。 如 b 比( )
⑤多个开孔 , 随着 间距 减小 , 孔边 应力 梯度 也减小 , 大 其 最 应力逐渐接近与按作用面积计算 的平均应力 ; ⑥无论是球壳或简体 , 若将开圆孔与椭 圆孔相 比 , 者应 力 后 集 中系数 比前者大 , 故当接管的方 向不在壳体 的法线 时 , 的应 它
的要求 , 使设备能够进行正常的操作 、 测试 和检修 , 在壳 体和端盖 上不可避免地有各种 开孔并连接接管 , 例如 , 物料进 口、 口, 出 测量
和控制点 ( 压力表 、 测温 口)视镜 、 、 液面计 、 人孔和手孔等 。 开孑 的结果 , L 不但会 削弱容器壁 的强 度 , 且在 开孔附 近会 而 形成应 力集中 , 峰值 应力通常达到容 器壁 中薄 膜应力 的数倍 , 其 例如 3倍 , 时甚至达到 5~ 有 6倍 。这样高的局部应力 , 加上接管 上有 时还有其他 的外载荷所产生 的应力 , 温度应 力 , 以及容 器材 质 和开孔 结构在制造过程 中不可 避免地会 形成制造 缺 陷。残 余 应力 、 是开孔 附近 就往往 成为容 器的破 坏源 一主要 是疲 劳破 于 坏 和脆性 裂 口。因此 , 开孔补 强设计 是压 力容 器设 计 中较重 要 的组成部分 , 是保 证容 器安 全操作 的重 要 因素。我 们必 须正 确 分析 开孔 附近的应力集 中, 并采取适 当的补强方法 。
压力容器的开孔与接管【最新】
第十二章 压力容器开孔与接管一. 重点1. 壳体开孔的压力特点2. 开孔接管的应力集中系数的定义3. 开孔补强的目的4. 开孔补强的结构及方法5. 等面积补强的原则6. 等面积补强计算面积有哪些? 二. 壳体上开孔的原因 三. 壳体上开孔后产生的问题1. 开孔后,造成壳壁不连续,在孔边缘产生应力集中2. 接管后,壳体与管的结构不连续,产生的附加弯应力3. 壳体接管的拐角处,由于r 引起的局部应力.结果:使孔附近的应力比薄膜应力大5-6倍,产生疲劳破坏和脆裂12.1 容器壳体开孔时的应力分析一.平板开小圆孔的应力分析 分析条件: 板长,宽>>孔径2a 载荷q//作用于板上1. 单向拉伸时的应力分析(1) 孔区附近的应力解 (12-1)式 利用弹性力学理论解知(2) 孔边缘处的应力特点: ①r=a 时 孔边缘处的应力⎪⎩⎪⎨⎧-===)2cos 21(00θστσθθq r r②r=a 时 孔边缘处的周向应力分布特点:qq qq 320=±=-==θθσπθσπθ方向的时,垂直于当方向的时,平行于、当③r>a 时θσ随r 的增大而迅速减小.由(12-1)式可知. 2. 双向拉伸时的应力分析: 二.薄球壳开小孔的应力分析1.分析对象:在开孔区域的壳近似板较小较大球半径≈⎪⎩⎪⎨⎧==qq q DR 21δ 2.孔区附近的应力解利用q q q ==21代入(12-4)可知(12-5),即112222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θθτσσr r r a q r a q 3. 孔边缘处的应力特点:①当r=a 时,孔边缘应力⎪⎩⎪⎨⎧====max 200σστσθθq r r②孔边缘应力θσ=孔区域薄膜应力q 的2倍. 四. 圆筒壳开小孔1.分析对象: k 较大, D /δ较小, )2(221φθσσ== q q2.应力解: 利用212q q =代入(12-4)可知(12-6)3.孔边缘处的应力特点: (1)当r=a 时⎪⎩⎪⎨⎧-===)2cos 23(02θστσθθq r r (2)θσ在孔边缘r=a 处的分布规律:⎪⎩⎪⎨⎧==±====2max 2min 20q q σσπθσσπθθθ时,当时,、当说明:max θσ比孔口区域筒壳中θσ大2.5倍.(θσ212112==q q ) 五. 平板开椭圆孔的应力分析 1.单方向受拉伸时的应力分析(1)长轴平行于受拉方向时:①孔口处r=a 时的应力解(12-8)由于其应力表达式较复杂,仅给出最重要的孔口应力表达式,即⎩⎨⎧-===)812(0θθστσr r②特点:孔口处的θσ分布规律:)21(201max1min ab q q +==±=-===θθθθσσπθσσπθ时,在短轴的两端当时,在长轴两端、当(2)长轴a 垂直于受拉方向时 ①孔口处的应力解(12-9) ②孔口处的θσ分布规律2min 2max 2)21(0q b aq -==±=+===σσπθσσπθθθ时,在短轴两端:当时,在长轴两端:、当:2.双向受拉伸时的应力分析 122q q =(1)孔口处的应力解:由(12-8)与 (12-9)叠加即知(12-10) (2)孔口边缘处的θσ分布规律(特点)由(12-10)可知: 在长轴的两端 212m a x )25.0()21(q b aq b a q +=-+==σσθ 在短轴的两端 21min)21(q abq -+==σσθ说明:开椭圆孔时,最大应力在孔边缘πθ、0=处(在长轴两端)§12.2 开孔接管处应力集中系数的计算一.开孔接管时的应力集中1.壳体上开孔与平板开小孔有以下差别:(1)开孔不是小孔. 如:人手孔 .故开小孔的假设不成立其理论不能运用.(2) 容器壳体是曲面,与平板不同. 因为在开孔处由于曲面的影响,壳体存在弯曲应力 (3)容器开孔接管后,接管对开孔边缘有约束作用.而平板开小孔理论,没有考虑接管约束问题,所以对 开孔接管问题,必须寻求新的分析方法.2.接管区的应力分析(1)利用”力法”可求出该区域的应力分布情况和应力值 “力法”:根据平衡,几何和物理方程(2)根据理论计算和实际结果,查接管区的应力分布图12-7 二开孔接管处的应力集中系数计算1. 应力集中系数K 的概念: (1)作用: 求接管处的最大应力峰值max σ(2)定义: 壳体基本薄膜应力设备实际最大应力=K如:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===n ini pD K pD K K δσδσσσθ44max max max筒壳:球壳:2. K 的确定方法(1)应力指数法 ①K 的大小: 查表12-1 ②:适用条件 P 235 (1)-(4) 注:径向接管:接管轴线与壳体半径同一方向 非径向接管:轴线与壳体半径不同方向(2)应力集中系数曲线: ①曲线形成: 由理论与实践综合绘出 ②适用条件: 不能用指数法时采用 ③曲线种类: 图12-12 球壳 平齐 图12-13 球壳 内入 图12-14 圆壳 平齐④曲线适用条件:⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤≤150304.001.0n R R r δ当n R δ<30时,表明壳体很厚,则K 取的比曲线值小 当n Rδ>150时,壳体很薄,则K 取的比曲线值大些.因为开孔造成弯曲应力效应大. 3. 应力集中系数曲线的推广应用 (1) 可用于补强壳体 注意:利用曲线查K 时,将nntδδ改用n t n δδ'nt δ为接管厚度, t n 'δ为加强后的厚度将开孔系数ρ中的n δ改用'n δ 查'n δ下的K 值 (2) 椭圆封头上开孔的K. 不同点:当量半径R=K 1R i其中:R 是封头的当量半径; K 1是修正系数,与a/b 有关,查表12-2, R i 是封头内半径.§12.3 开孔补强设计一.开孔补强的概念1.开孔补强的目的:降低开孔接管处的应力峰值. 因为容器的强度条件[]φσσ⋅≤t max ,所以应力峰值降低,设计时[]t σ降低,nδ降低.[]ctic p D p -=φσδ22.开孔补强设计的定义:为降低应力集中系数,而作的计算与结构设计 二.补强结构(补强元件类型)1.加强管补强 (1)结构 图12-15.(d),(f) 即在开孔处焊接一段加厚的接管 (2)特点:环焊缝少.易探伤,结构简单 (3)适用范围:低合金钢,高压设备2.整体锻件补强: (1)结构:图12-15 (g),(h),(i) (2)特点: 优: 对焊,易探伤 抗疲劳性能好 缺: 成本高,加工难 (3)适用范围:高压 重要设备 (3)加强圈的补强: ①结构: 图12-15. (a),(b),(c) ②特点: 优:简单,易加工,使用经验丰富 缺:抗疲劳性能差,热应力大,K 大. ③适用范围: P 241 ⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤385.1540un s MPa σδσσ补三:壳体开孔的有关规定1. 允许不补强时开的最大孔直径 P 242.(1)-(4) ① P c ≤2.5MPa②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. )(221φφ+≥A ③接管外径d 0<=89mm④接管最小壁厚min σ满足表内要求.2. 壳体上允许开的最大孔直径d max , P 242.(1)-(3)(1) 圆筒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤≤≤≤≤m m D d D m m D d D i i i i 10003150052021500max max 且时,且时, (2) 凸形封头与球壳的2max iD d ≤(3) 锥壳或锥形封头的3max i Dd ≤(D i 为开孔中心处的锥壳内径)注:椭圆,碟形过度段部分开孔时,孔中心线垂直于封头表面. 四.等面积补强计算方法1.各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类)]因为补强的目的是降低开孔接管处的应力值,对这个应力值限制在什么范围内,就出现了各种补强准则.(1) 等面积补强准则 (2) 极限分析法 (3) 安定性理论(4) 其它方法: 实验屈服法实验应力法等 2常用的开孔补强准则-----等面积补强准则 3等面积补强的原则在补强区(在邻近开孔处附近处)所加补强材料的截面积A 0应与开孔而失去的截面积A 相等.即A 0=A其含义:在于补强壳壁的平均强度,用开孔等面积的外加金属来补强被削弱的壳壁强度. 4.等面积补强计算方法. P 243 (1)判断是否要补强计算满足不另行补强的最大开孔直径的条件者,不补强 (2)计算开孔失去的面积A. (3)确定补强区的有效范围 有效宽度ntn d B dB δδ222++== 取大值有效高度h 外伸长度dh nt δ=1内伸长度ntd h δ=2 取小值(4)计算有效补强面积0A43210A A A A A +++=1A ——壳体承受内压或外压所需设计厚度之外的的多余金属面积 )1)()((2)(1r e nt e f c d B A ------=δδδδδ)(2A ——接管承受内压或外压所需的设计厚度d δ之外的多余金属面积 r nt r d nt f c c h f c h A )(2)(22212--+--=δδδ其中 )(d e δδ 计算设计厚度c 厚度附加量 21c c c +=r f 强度削弱系数3A ——补强区焊缝面积2)21(3⨯⨯=高底A4A ——补强区内另加的补强面积(加强圈面积)(5)判断 当A A A A A ≥++=3210时, 不用补强。
压力容器大开孔补强计算方法对比
关键词
压 力容器 大开孔
补强
现代化 承压 设备应 用 中, 由于 工 艺 和 结 构 的需 求 , 不 可避 免 地 出现 较大 的开孔 接
拉承 载 能 力相 平 衡 的计 算方 法 , 其 计 算方 法
只涉及 补 强材料 的薄 膜应 力 。
管, 而 容器 大 开孔 会 在 开孔 边 缘形 成 比较 复
图1用于设计计算的接管有效厚度比的限制
余 热 锅 炉 2 0 1 4 . 3
2 5
管 有 效 厚度 与 壳 体有 效 厚
度 之 比应 不超 过 图 1 查 处 的值 , 如 超 出, 超 出部 分 不
应 计 入 补 强 ;用 于 制 造
时, 即实 际 采用 厚 度 时 , 接
十- 尊
构, 接 管 与 壳 体 连 接 内 外 壁 应 避 免 尖 角 过
渡, 而采用 r 圆角 过渡 ;
图3圆筒壳体单个开孔且补强圈补强
计 算 公 式 :( Af t +A f w) ( [ O ] s - O . 5 p) +
Af p( 【 0】 p - 0 . 5 p) + Al p( [ O】 b - 0 . 5 p)≥p ×
处壳 体 曲率 直 径从 有 关 曲线 图中 查取 , 设 计
计算 时壁 厚 比最 大 为 2 , 制造 时 实 际采 用 的
壁 厚 比最 大 为 3 , 由此 说 明 制造 时不 要 随 意 增加壁厚, 不是壁厚越厚越好 , 太 厚 了不 仅
不经济, 而 对 应 力没 有 好 处 。 从 适 应 范 围 的
管 有效 厚度 与 壳体 有 效 厚
度 应 不 超 过 图 2查 出 的
值。
压力容器开孔补强用压力面积法和等面积法的分析和比较
压力容器开孔补强用压力面积法和等面积法的分析和比较仲砒广州工程有限公WL广东广州f[摘要]本文主要通过对压力容器开孔补强用压力面积法和等面积法的的分析和比较,展现两种补强方法的差异,以及在工程应用中应该注意的问题。
[关键词]压力容器;开孔补强;压力面积法:等面积法补[中图分类号]TQ[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2019)21-0107-01Analysis and Comparison of Pressure Area Method and Equal Area Method forPressure Vessel Opening ReinforcementYao Li(Static Equipment,Sinopec Guangzhou Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou510620,China) Abstract:In this paper,through the analysis and comparison of pressure area method and equal area method for the reinforcement of pressure vessel openings, the differences between the two methods and the problems that should be paid attention to in engineering application are presented.Keywords:pressure vessel:opening reinforcement;pressure area method;equal area method1前言压力容器为了操作和检修会设置各种大小的开孔接管,容器开孔处因结构不连续承载强度受到削弱会产生较大局部应力,再加上接管上会有各种附加载荷产生的应力、温差应力以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用,往往是容器的薄弱位置,成为容器破坏的原发部位,所以要对开孔接管处进行开孔补强。
压力容器常用开孔补强方法对比分析
压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故,危害很大,因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。
对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种:一是等面积法,二是分析法。
本文对这两种方法作以比较和分析。
在石油化工行业中,压力容器上的开孔是不可避免的,如要开进料口、出料口、人孔等。
容器开孔后,一方面由于器壁承受载荷截面被削弱,引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱;另一方面,器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性,在工艺操作条件下,接管处将产生较大的弯曲应力,开孔边缘会出现很高的应力集中,形成了压力容器的薄弱环节。
因此,设计上必须对开孔采取有效的补强措施,使被削弱的部分得以补偿。
开孔补强基本原理 2.1.等面积法该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的,即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力,且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。
当开孔较小时,开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的,但随着壳体开孔直径增大,开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力,而且还产生很高的弯曲应力。
等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内,当离孔边缘的距离越大,越接近薄膜应力。
它的特点是:角焊缝,具有应力突变,易产生应力集中点,受力状态不好。
2.2.分析法这种补强方法是以壳体极限分析为基础的,相对等面积法合理得多,但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。
这种方法优点是:克服等面积法的缺点,在转角处采用圆滑过渡,减少结构形状的突变,减小应力集中程度。
将补强面积集中在应力最高点,充分利用补强面积,使补强更经济、合理。
对比分析 3.1.等面积法等面积法顾名思义:壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积,须有补强材料予以等面积补偿,其实质是壳体截面因开孔丧失的强度,即被削弱的强度面积A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[]t,即A[]t,应由补强材料予以补偿,当补强材料与壳体材料相同时,则补强面积就等于削弱的面积,故称等面积法。
压力容器基础知识 - 开孔和补强
二、对容器开孔的限制 ◆ 当圆筒内径Di≤1500mm时,开孔最大直径d ≤Di/2, 且d ≤520mm;当圆筒内径Di>1500mm时,开孔最大直径 d ≤Di/3,且d ≤1000mm。 ◆ 凸形封头或球壳上开孔时,开孔最大直径d ≤Di/2。 ◆ 锥壳上开孔时,开孔最大直径d≤Di/3,Di为开孔中心 处锥壳内径。 ◆ 在椭圆形或碟形封头的过渡区开孔时,孔的中心线宜 垂直封头表面。
标准补强圈结构
◆ 补强圈结构的适用范围 A型适用于无疲劳、无低温及大的温度梯度的一类压力 容器,且要求设备内有较好的施焊条件。 B型适用于中压、低压及内部有腐蚀的工况,不适用于 高温、低温、大的温度梯度及承受疲劳载荷的设备。S 取管子名义壁厚的0.7倍,一般δn t=δn/2 (δn t为 接管名义厚度;δn为壳体名义厚度)。 C型适用于低温、介质有毒或有腐蚀性的操作工况,采 用全焊透结构,要求当δn≤16 mm时,δn t≥δn/2; 当δn>16 mm时,δn t≥8mm。 D型适用于壳体内不具备施焊条件或进入设备施焊不便 的场合,采用全焊透结构,要求当δn≤16 mm时,δn t≥δn/2;当δn>16 mm时,δn t≥8mm。 E型适用于储存有毒介质或腐蚀介质的容器,采用全焊 透结构,要求当δn≤16 mm时,δn t≥δn/2;当δn >16 mm时,δn t≥8mm。 F型适用于中温、低温、中压容器及盛装腐蚀介质的容 器,要求当δn≤16 mm时,δn t≥δn/2,当δn>16 mm时,δn t≥8mm,且接管公称直径DN≤150 mm.
◆ 标准补强圈的选用
若需采用补强圈补强 ,可采用以下程序来选择标准补 强圈:
● 确定补强圈的尺寸; ● 由设备的工艺参数决定补强圈的结构; ● 补强圈材料取与被补强壳体材料相同。
压力容器开孔及补强设计
平板开椭圆孔的应力集中
1、几点结论
•在球壳上开圆孔的应力集中系数( )小于开
椭圆孔的应力集中系数(
)
•在圆柱壳上开圆孔时的应力集中系数(
)
•若要开设椭圆孔,则应使椭圆孔的长轴与壳体
轴线垂直此时(
)
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
•由于开孔后多焊有不同厚度的接管,应力集中系 数比较复杂,采用理论计算和实验测定相结合的 办法。
•当 越大,即开孔直径越大时应力集中系数越高。 相反,减小孔径,增大壳壁厚度均可降低应力集 中系数。 •内伸式接管的应力集中系数较低,尤其是内伸接 管壁厚较厚时能有效地降低应力集中。
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
过小或过大时上述曲 线均会有较大的误差
球壳带平齐式接管的应力集中系数
壳壁过厚,即 过 小时,应力沿壁厚分 布的不均匀性增大, 应力集中系数将明显 比图示值减小
(mm)
检查孔最少数 量
检查孔最小尺寸(mm)
人孔
手孔
备注
300-500 500-1000
>1000
手孔2个
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
Ф400或长 圆孔
400×250, 380×280
Ф400或长 圆孔
400×250, 380×280
Ф75或长 圆孔
•(2)两相邻开孔中心的距离(对曲面间距以弧长计算)应 不小于两孔直径之和的两倍;
•(3)接管公称外径小于或等于89mm;
•(4)接管最小壁厚满足下表3-9的要求。
接管公称 外径
25 32 38 45 48 57 65 76
压力容器管口局部应力校核方法对比分析
图 1 参数化分析模型
图 2 开口接管外载荷方向 (SH/T3074)
收稿日期:20230720 作者简介:胡峰源 (1995-),男,中级工程师,研究方向为压力管道应力分析。Email:277174307@qqcom
2024,34(2)
胡峰源等 压力容器管口局部应力校核方法对比分析
FG/N -5932 11238 12966 10800 200.6% 3482 6920 7032 7200 97.7%
FL/N 6496 10233 11003 14400 76.4% -882 7200 -8650 9600 90.1%
MT/N·m 8864 23091 -7820 12960
入开孔外接管和压力容器自身的外径、壁厚、弹性
模量、泊松比和腐蚀余量等参数,设置真实存在的
操作、设计和持续工况以及可能发生的地震、风载
等偶然工况,如图 3所示。根据开孔外接管荷载计
算出一次薄膜应力和二次应力,根据总应力和合成 应力可计算出其他应力强度,分析开孔外接管处的 局部应力是否小于许用应力。
图 3 WRC297柔性管口参数设置
荷载 持续工况 操作工况 偶然工况 许用荷载 90.9% 持续工况 操作工况 偶然工况 许用荷载 最大比值
表 2 不同工况下 N1、N2管口校核结果 (WRC107模拟)
FA/N
FG/N
FL/N
MT/N·m
MG/N·m
1933
-2734
896
803
-1311
9097
12043
8430
24015
4022
20
CHEMICALENGINEERING DESIGN
压力容器设计开孔及补强设计
(一)开孔应力集中 最大应力在孔边,是应力集中最严重的地方。 孔边应力集中有局部性,衰减较快。
(二)开孔并带有接管时的应力集中
(三)应力集中系数的计算
rm Rm rm
Rm T
RmT
二、开孔补强设计的要求
第三章 压力容器的整体设计问题
(一)允许不另行补强的最大开孔直径
第三章 压力容器的整体设计问题
补强区宽度 B=2d B=d+2Tn+2tn
补强区外侧高度
两者中取大值
h1 dtn h1=接管实际外伸长度 补强区内侧高度
两者中取小值
h2 dtn
两者中取小值
h2=接管实际内伸长度
注意:
第三章 压力容器的整体设计问题
补强材料一般需与壳体材料相同,若补强 材料许用应力小于壳体材料许用应力,则补 强面积应按壳体材料与补强材料许用应力之 比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材 料许用应力,则所需补强面积不得减少。
(四)补强圈和焊接的基本要求
第三章 压力容器的整体设计问题
M检1查0的孔螺纹孔
补强圈与接管及与壳体的焊接是填角焊及搭焊,视 容器操作条件及设计要求决定是否全焊透。焊缝的成形 应圆滑过渡或打磨至圆滑过渡。
(五)开孔补强的设计准则
第三章 压力容器的整体设计问题
开孔补强设计: 指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将 应力集中系数减小到某一允许数值。
补强圈补强
局部补强12..高补强强度圈钢的(厚厚σ度b壁>超5过4接0被M管补Pa强)补件和壁强铬厚钼的钢1制.5造倍的或容超器过;tmax
(碳钢tmax=32mm;16MnR tmax=30mm);
3.设计压力大整于锻等于件4M补Pa;强
压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法
压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法【摘要】首先对压力容器大开孔补强计算中涉及的应力特点及强度分析进行阐述,然后将目前存在的三种主要的补强计算方法的计算原理、特点等做了详细的介绍,并对三种不同的方法的优缺点进行比较总结,从而要求设计的容器更加符合安全、经济等多方面的要求,实现优化设计的目的。
【关键词】压力容器大开孔补强等面积法分析法及有限元应力分析法在设计者设计容器及压力容器的过程中通常都需要设计计算壳体的大开孔补强,GB150-2011即钢制压力容器中规定了容器壳体开孔范围,根据壳体的内径不同,分别作了明确地规定,当内径小于1500毫米时,开孔的最大直径要小于等于二分之三的内径,且不能大于520毫米;而当其内径大于1500毫米时,开孔最大直径则应当小于等于三分之二的内径,且其直径不能大于1000毫米。
本文中的容器的大开孔指的是超过以上范围的开孔。
现如今,主要是通过等面积法、分析法及有限元应力分析法三种方法计算压力容器大开孔的补强。
1 大开孔应力特点及强度分析对压力容器的壳体做开孔后,容器开孔的边缘会形成较为复杂的应力状况,以下是对会引起的三种应力的详细描述。
1.1 局部薄膜应力一般来说压力容器的壳体承受的都是一次总体薄膜应力,指的是它承受的薄膜应力是均匀的。
而对其进行开孔后,会导致其面积的减少,即该截面的承载压力的面积减少,将会破坏其原有的均匀受力的情况,对开孔的周边其变化尤为明显,其应力会明显的增加,而对远离开孔的地方,其应力则基本不受影响。
此种仅在开孔附近发生变化的应力被称为局部薄膜应力,同时若这种应力引起失效,则被称为静力强度失效。
1.2 弯曲应力当容器开孔后,一般需要有另外的一个壳体与被开孔的容器相互贯通。
即需要设置接管、人孔。
两个相连通的壳体在压力的载荷作用下的直径的增大度一般来说不同,而当对其进行接管后,为了平衡、协调其不一致的变形,壳体自身通常会产生一种被称为边界内力的平衡力。
压力容器壳体的开孔与补强
压力容器的开孔与补强本章重点容及对学生的要求:(1) 回转壳体上开小孔造成的应力集中; (2) 开孔补强的原则、补强结构和补强计算; (3) 不另行补强的要求;(4) GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。
第一节 容器开孔附近的应力集中1、 相关概念(1)容器开孔应力集中(Opening and stress concentration )在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的,由于工艺或者结构的需要,容器上经常需要开孔并安装接管,例如:人孔、手孔、进料与出料口等等。
容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响:◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。
◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。
◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。
上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大,统称为开孔或接管部位的应力集中。
(2)应力集中系数(stress concentration factor )常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。
若未开孔时的名义应力为σ,开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ,则弹性应力集中系数为:σσmax=t K (1) 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是: ✧ 研究开孔应力集中程度,估算K t 值;✧ 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。
2、平板开小孔的应力集中Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension设有一个尺寸很大的巨型薄平板,开有一个圆孔,其小圆孔的应力集中问题可以利用弹性力学的方法进行求解。
承受单向拉伸应力开小圆孔的应力集中如图1所示,只要板宽在孔径的5倍以上,孔附近的应力分量为:⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=θστθσσσθσσσθθ2sin32122cos312122cos34121242224222422222rarararararararr(2)平板开孔的最大应力在孔边2πθ±=处,孔边沿ar=处:σσστπθθθ3,0max2===±=r应力集中系数:0.3max==σσtK3、薄壁球壳开小圆孔的应力集中如图2所示,球壳受双向均匀拉伸应力作用时,孔边附近任意点的受力为:Fig. 2 Variation in stress in a sphere shell containing a circular hole 孔边处r=a,σσ2max=, 应力集中系数0.2max==σσtK4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示,薄壁柱壳两向薄膜应力δσ21pD=,δσ42pD=,如果开有小圆孔,则孔边附近任意点的受力为:⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin32142cos3141432cos34122312422214212242222122rarararararararr(3)Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole孔边处r1r3r=a,=0,=(-con2),=02θθσσθστ。
压力容器开孔接管处的应力分类及补强设计方法的比较
压力容器开孔接管处的应力分类及补强设计方法的比较王 磊Ξ(南通职业大学)摘 要 针对压力容器在开孔部位尤其大开孔接管部位具有严重的应力集中现象,从应力分类的基本原理出发,分析了开孔边缘的复杂应力状态,并对大开孔有限元应力分析结果的应力分类评定提出建议;比较分析了几种大开孔补强方法的异同点,阐述了工程设计中如何进行应力分类和选择合适的补强方法,对一些有争议的问题提出了作者的观点。
关键词 应力分类 分析设计 开孔补强方法 有限元分析 AS ME法中图分类号 T Q05113 文献标识码 A 文章编号 025426094(2004)0520307205 应力分类概念在压力容器设计中应用已相当广泛,应力分类的方法主要用于压力容器的分析设计,对某些结构,在常规设计标准G B15021998或G B15121999中也引入了应力分类的概念。
对于压力容器,由于工艺流程的需要,不可避免地要在主要受压件上开孔,由此必然会在开孔边缘形成比较复杂的应力状态。
如何正确地进行应力分析及采取相应的应力分类方法,是工程设计人员首先要考虑的。
本文从应力分类的基本原理出发,阐述如何对压力容器开孔接管处的应力进行分类,以及相应的补强方法。
1 应力分类的基本思想按应力分类准则[1],应力分为以下3类:a.一次应力是为平衡外加的机械载荷而在容器受压元件中直接产生的正应力或剪应力,其基本特征是无自限性。
一次应力对应静力强度问题,控制一次应力是为了保证结构在一次加载条件下的总体静力强度,是必须首先满足的。
b.二次应力是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的正应力或剪应力,其基本特征是具有自限性。
二次应力对应安定性问题,控制二次应力是为了保证相邻元件在变形协调过程中,避免产生过大的塑性变形,以防止在多次加载条件下发生拉伸与压缩交替的塑性变形而产生大应变疲劳破坏。
局部薄膜应力虽然也有二次应力的特点,但该应力沿整个壁厚方向是均布的,故仍保守地视为一次应力,但在工程应用中允许其达到屈服限。
压力容器的开孔应力状态及补强设计方法
开孔 与补 强设 计是 压 力容 器设 计 中的一 个 重
() 弯 曲 应 力 2
要 部分 ,开孔 补 强除 削弱器 壁 的强 度外 ,在 壳 体 和接管 的连接 处 , 由于结 构 的连续 性被 破坏 .会 产 生很 高的局部 应 力集 中 ,给容 器 的安 全操 作带 来 隐患 。这些部 位 的焊 接质 量在 结 构特 殊 的情况
从设 计 角度 出发 ,仅 需关 心其 最大 应力 值及
应 力分 布特点 :
r0时 , F , r0 03 - q o2 = 0 。 , = q 2 es0 =
dr mx0 9 " a(± o 0 /: 0
孔 直径 ;6 壳体 开孔处 的计算厚 度 ;6一 一 接管有 效厚 度 ;7 强度 削弱系 数 。 : 一 在 开孔补 强 过程 中 ,补 强削 弱系 数 ≥1时 ,
中 图分 类 号 :T 0 02 文献 标 识 码 :B 文章 编 号 :17 — 3 5 (0 7 6 0 1— 3 Q 5. 6 3 3 5 20 )0 — 0 0 0
Ope n r s n to a i f r e e sg M ehod f e s eVe e ni gsSt e sCo dii n nd Re n o c m ntDe i n t orPr s ur s l LuW e bn i n i
关键词压力容器容器开孔补强薄膜应力弯曲应力峰值应力中图分类号文献标识码文章编号收稿日期修回日期开孔与补强设计是压力容器设计中的一个重要部分开孔补强除削弱器壁的强度外在壳体和接管的连接处由于结构的连续性被破坏会产生很高的局部应力集中给容器的安全操作带来隐患
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收 稿 日期 :2 0 — 3 3 ;修 回 日期 :20 — 5 1 070—0 07 0 — 2
压力容器零部件设计---3开孔补强
开孔接管部位的应力集中
★器壁强度削弱:开孔造成局部应力集中和强
度削弱;
★不连续应力:壳体与接管形成结构曲率不
连续,产生较大的附加弯曲应力;
★局部应力:壳体与接管拐角处不等截面
过渡,引起很高的局部附加应力。
★焊接缺陷和残余应力
峰值应力
容器大开孔与小开孔
容器孔边应力集中的理论分析是以无限大平板上开 小圆孔为基础的,壳体曲率变化不计,因此,孔边 应力均为拉(压)应力。
边集中应力、薄膜应力外,还有
边缘应力和焊接应力,比小孔K
值高达3~6倍。应力集中具有
局部性。
• 开孔接管补强的目的:
•
使孔边的应力峰值降低
•
到允许值。
• 相关标准:HG/T21630
HGJ527-90 补强管
适用范围 两标准都规定了适用范围为当 量压力PD≤6.4MPa,共分A、B、C、D、E五 种。其中D、E型是削边过渡的,但其削边角 度是45度,而不是常规的1:3削边处理。
•
开孔计算直径d的取法(见下图):由于圆筒计算
厚度是根据周向薄膜应力计算的,因此开孔截面应以
承受周向薄膜应力的截面考虑,即是与圆筒轴线平行 的纵向截面。开孔计算直径d为孔沿纵截面方向的直径。
• 适用范围:
• 等面积补强:适用于开孔直径小于筒体内径 的一半。 即d/Di≤1/2 ;
• 压力面积法:(HG20582.7“大开孔的补强 计算”)适用于开孔直径小于筒体内径的 0.8倍。即d/Di≤0.8;(但注意五个限制条件)
大开孔时,除有拉(压)应力外,还有很大的弯曲 应力,其应力范围超出了开小孔时的局部范围,在 较大范围内破坏了壳体的薄膜应力状态。因此小开 孔理论不适用。
压力容器开孔补强方法比较
压力容器开孔补强方法比较摘要在工程应用中经常需要为了满足各种工艺和结构上的要求在压力容器上开孔和安装接管。
容器开孔以后,一方面削弱了器壁的强度,于是降低了容器的承载能力;另一方面,器壁开孔和接管破坏了原来结构的连续性,在开孔附近导致很高的应力集中,成为容器的薄弱环节。
关键词压力容器;开孔;补强方法;比较目前,用于压力容器的开孔补强设计方法主要有等面积补强法、弹性应力分析法、极限分析法、美国压力容器研究委员会建议草案(以下简称PVRC法)、实验屈服法和压力面积法。
现就PVRC法、实验屈服法和压力面积法进行比较。
UDS系统提供了一种在数据库管理系统外围增加一套安全控制机制的方式,有针对性地解决了数据库连接密码固定不变的问题,能够根据用户制定的密码保护等级的要求周期性地随机生成新的合法密码,使得在不影响数据库信息和较少影响数据库访问及基于数据库的应用系统的开发这些前提下能够充分保障数据库中数据信息的机密性和有效性,并且能够支持多种关系数据库产品。
1 基本原理1.1 PVRC法美国PVRC通过对大量整体锻件补强结构的实验分析后提出下面的补强准则:接管与筒体或壳体发生全域塑性失效时的极限压力等于未开孔时筒体或壳体的屈服压力(即p1=0.98ps),并且允许开孔或接管处最大应力为3倍许用应力(亦即σmax=3[σ])。
GB150-89《钢制压力容器》规定的适用范围为:1)适用于承受内压的圆筒、球壳及凸形封头(在以封头中心为中心80%封头内直径范围内)的径向单个圆形开孔的补强设计;2)两相邻开孔边缘的间距不得小于2.5[S(Di+Sn)/2]1/2;3)在圆筒上,最大开孔尺寸应为d/Di≤1/3,d/(DiStr2/S)1/2≤1.5,且Di/Sd 为10~100;4)在球壳和封头上最大开孔尺寸应为d/(2R)≤0.5, d/(2RS)1/2≤0.8,而且2R/Sd为10~100;5)如用接管和补强件补强,则应与壳体焊成整体,且采用全熔透焊缝,过渡部分需要考虑过渡半径并打磨光滑;6)接管、补强件和壳体所用材料的标准常温抗拉强度与屈服强度之比σb/σs≥1.5。
压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较
兰 C | h 代 化工研奔 e n mi c a l I n t e r me d i a t e
综 述 与 专论
2 0 1 7 ・0 5
压 力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较
六叶梦元
( 九江检安石化 工程有限公司 江 西 3 3 2 0 0 4)
摘 要 : 本文将 对压 力容 器开 孔补 强的方 法进 行 阐述 ,并 就各 种开 孔补 强方 法之 间 的存 在 的优 势和 缺 点进 行 分析和 比较 ,以期 更好 地指 导
给压 力容 器如何 开孔 补 强。
关 键 词 :压 力容 器;开 孔补 强 ;方 法比较
中 图分 类号 :T
文献 标识码 :A
A n a l y s i s o f t h e Op e n i n g R e i n f o r c e me n t f o r P r e s s u r e V e s s e l s a n d C o mp a r i s o n o f V a r i o u s
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压 力强度 的下 降 ,并在 开孔 附 近区 域导 致应 力 集 中 ,大大超 出了容 器壁 承 受力 ,造 成压 力 容器 的破 坏 。 因此 ,必须 要 针 对压 力 容器 开 孔进 行补 强 ,选 择合 适 的补 强 方法 ,保证 压 力 容器 的安全 操作 。
处进 行补 强 的话 ,那 么 必须 要 将结
。
构位 置 进行 焊 透 ,特 别 要注 意 焊 接 应 力过 高和 焊 接缺 漏 ,在 接管 拐 角 处要进 行打磨 ( 见 图一 )。
( 3 ) 压 力 面积 法 。压 力面 积 法 是在 压 力容 器 开 孔 区域 周
浅谈压力容器开孔补强的方法及计算
浅谈压力容器开孔补强的方法及计算发布时间:2021-08-13T10:44:23.333Z 来源:《科学与技术》2021年4月10期作者:韩秋菊[导读] 本文论述了在压力容器的设计中,采用开孔补强的设计方法,由于开孔补强有很多种,本文对其中几种进行深入的分析比较。
浅谈压力容器开孔补强的方法及计算韩秋菊中石化上海工程有限公司上海 ?200120摘要:本文论述了在压力容器的设计中,采用开孔补强的设计方法,由于开孔补强有很多种,本文对其中几种进行深入的分析比较。
关键词:压力容器,开孔补强,计算1.引言随着工业化的发展,压力容器在化工行业越来越普遍,其安全性也越来越受到重视。
开孔补强计是压力容器设计中必不可少的一部分,压力容器开孔后,不仅整体强度削弱,而且还因为开孔造成的应力集中造成开孔边缘局部的高应力,在制造过程中,开孔部分不可避免的形成缺陷与残余应力,于是,开孔附近就往往成为容器的破坏源,因此,在压力容器设计中必须充分考虑开孔补强问题。
2.开孔补强常用的方法2.1等面积补强法等面积补强法是我国压力容器标准GB150中介绍的一种补强方法。
等面积补强法的原则是:在容器和接管连接处周围补强的截面积等于壳体因开孔所减少的截面积。
这种补强的方法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的,即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力,且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则,故对小直径的开孔安全可靠。
同时该方法比较安全可靠,使用简便,在中低压容器设计中较多采用,这也是我们平时设计中最为常见的一种补强方法。
2.2压力面积补强法压力面积补强法是西德AD压力容器规范中采用的补强方法,它的设计原理和等面积法补强方法相同,不同的是对于壳体补强有效范围规定不同。
压力面积补强法开孔率可达0.8,所以当开孔率超过等面积补强时,可以采用压力面积补强。
经过许多实例考证,由于此法计算结果与实际应力相差较大,所以在设计中此种补强方法并不常见。
压力容器的开孔与补强
第13章 压力容器的开孔与补强本章重点内容及对学生的要求:(1) 回转壳体上开小孔造成的应力集中;(2) 开孔补强的原则、补强结构和补强计算;(3) 不另行补强的要求;(4) GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。
第一节 容器开孔附近的应力集中1、 相关概念(1)容器开孔应力集中(Opening and stress concentration )在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的,由于工艺或者结构的需要,容器上经常需要开孔并安装接管,例如:人孔、手孔、进料与出料口等等。
容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响:◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。
◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。
◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。
上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大,统称为开孔或接管部位的应力集中。
(2)应力集中系数(stress concentration factor )常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。
若未开孔时的名义应力为σ,开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ,则弹性应力集中系数为:σσmax =t K (1) 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是:✧ 研究开孔应力集中程度,估算K t 值;✧ 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。
2、平板开小孔的应力集中Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension设有一个尺寸很大的巨型薄平板,开有一个圆孔,其小圆孔的应力集中问题可以利用弹性力学的方法进行求解。
承受单向拉伸应力开小圆孔的应力集中如图1所示,只要板宽在孔径的5倍以上,孔附近的应力分量为:⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσθθ2sin 32122cos 312122cos 34121242224222422222r a r a r a r a r a r a r a r r (2) 平板开孔的最大应力在孔边 2πθ±=处, 孔边沿a r =处:σσστπθθθ3,0max 2===±=r 应力集中系数:0.3max ==σσt K 3、薄壁球壳开小圆孔的应力集中如图2所示,球壳受双向均匀拉伸应力作用时,孔边附近任意点的受力为:Fig. 2 Variation in stress in a sphere shell containing a circular hole孔边处r=a ,σσ2max = , 应力集中系数0.2max ==σσt K 4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示,薄壁柱壳两向薄膜应力δσ21pD =,δσ42pD =,如果开有小圆孔,则孔边附近任意点的受力为:⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin 32142cos 3141432cos 34122312422214212242222122r a r a r a r a r a r a r a r r (3)Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole孔边处r 1r 3r=a,=0,=(-con2),=02θθσσθστ。
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压力容器开孔接管处的应力分类及补强设计方法的比较王 磊Ξ(南通职业大学)摘 要 针对压力容器在开孔部位尤其大开孔接管部位具有严重的应力集中现象,从应力分类的基本原理出发,分析了开孔边缘的复杂应力状态,并对大开孔有限元应力分析结果的应力分类评定提出建议;比较分析了几种大开孔补强方法的异同点,阐述了工程设计中如何进行应力分类和选择合适的补强方法,对一些有争议的问题提出了作者的观点。
关键词 应力分类 分析设计 开孔补强方法 有限元分析 AS ME法中图分类号 T Q05113 文献标识码 A 文章编号 025426094(2004)0520307205 应力分类概念在压力容器设计中应用已相当广泛,应力分类的方法主要用于压力容器的分析设计,对某些结构,在常规设计标准G B15021998或G B15121999中也引入了应力分类的概念。
对于压力容器,由于工艺流程的需要,不可避免地要在主要受压件上开孔,由此必然会在开孔边缘形成比较复杂的应力状态。
如何正确地进行应力分析及采取相应的应力分类方法,是工程设计人员首先要考虑的。
本文从应力分类的基本原理出发,阐述如何对压力容器开孔接管处的应力进行分类,以及相应的补强方法。
1 应力分类的基本思想按应力分类准则[1],应力分为以下3类:a.一次应力是为平衡外加的机械载荷而在容器受压元件中直接产生的正应力或剪应力,其基本特征是无自限性。
一次应力对应静力强度问题,控制一次应力是为了保证结构在一次加载条件下的总体静力强度,是必须首先满足的。
b.二次应力是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的正应力或剪应力,其基本特征是具有自限性。
二次应力对应安定性问题,控制二次应力是为了保证相邻元件在变形协调过程中,避免产生过大的塑性变形,以防止在多次加载条件下发生拉伸与压缩交替的塑性变形而产生大应变疲劳破坏。
局部薄膜应力虽然也有二次应力的特点,但该应力沿整个壁厚方向是均布的,故仍保守地视为一次应力,但在工程应用中允许其达到屈服限。
c.峰值应力是由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的应力增量,其特征是同时具有自限性与局部性。
峰值应力对应疲劳强度,控制峰值应力是保证结构局部高应力区域不会在频繁加载条件下发生从裂纹萌生、扩展直至造成断裂的疲劳破坏。
因此,仅在需进行疲劳设计的场合才计算峰值应力。
自限性是区分3类应力的核心。
无自限应力为一次应力;有自限的应力根据所满足的变形协调的意义分为二次应力和峰值应力。
满足板壳理论中面变形协调条件,即总体结构连续要求产生的应力为二次应力;满足局部结构连续要求产生的应力为峰值应力,通常发生于夹角处。
2 壳体开孔接管处的应力分类按照文献[1]的应力分类法,压力容器开孔后,接管与壳体连接部位引起的应力有:沿壁厚方Ξ王 磊,女,1968年7月生,工程师。
江苏省南通市,226007。
向的平均应力即是一次局部薄膜应力(无温差作用)或一次局部薄膜加二次温差应力(有温差作用);由相贯壳体变形协调产生的边界内力(横剪力与弯矩)引起的弯曲应力为二次弯曲应力(无外力作用于接管上时);由应力集中现象引起的峰值应力。
在进行应力分类时,既应遵循应力分类的原则,又必须考虑方法的可行性。
如在接管与壳体连接部位处,由于开孔的存在,在以上所述的一次局部薄膜应力中确实存在应力集中的成分,但由于无法再将其区分,故从保守的角度,将其归并于一次局部薄膜应力在工程应用中应该是可行的[2,3]。
但在上述分类中,对开孔附近的弯曲应力一概作为二次应力处理,意味着因压力在接管轴向载荷对壳体开孔边缘引起的弯曲应力也作为二次应力处理,则会对一次应力强度缺乏保障[4]。
而应力的评定必须按顺序进行,二次应力的评定必须有一次应力的评定基础,峰值应力的评定必须有一次、二次应力的评定基础。
值得讨论的是壳体开孔接管处的弯曲应力的性质,如图1所示。
球壳上接径向接管,在球壳与接管(柱壳)连接处,两壳几何形状不连续,造成两壳薄膜力在连接处不连续,必产生横向分力F 。
横向分力F 对球壳边缘产生弯曲应力,而F 是接管上压力的轴向力N 的分量。
此应力是因为壳图1 球壳与接管连接示意图体在开孔处的轴对称性被破坏,内压力p 在垂直方向作用状况发生变化,引起弯矩,产生弯曲应力,是为静力平衡所产生。
由一次应力的性质可知,F 引起的弯曲应力为一次弯曲应力。
此外,接管与球壳在压力引起的薄膜应力作用下,二者产生的径向变形量不等。
为满足变形协调将产生边界剪力Q 和边界弯矩M ,它们也都在球壳开孔边缘产生弯曲应力。
但根据二次应力的性质,由Q 和M 产生的弯曲应力为二次应力,所以在球壳边缘存在两种成分的弯曲应力,它们所占的比例与接管、球壳的厚度比值或它们薄膜应力水平的比值有关。
对开孔接管结构的有限元分析结果,只能给出薄膜应力和弯曲应力两部分,对此薄膜应力一般作为一次局部薄膜应力p L 处理,按分析设计标准控制值为1.5S m ,(S m 为材料的许用应力强度);弯曲应力产生的原因如前所述分两种,但有限元分析结果无法确定一次弯曲应力和二次弯曲应力的分量,且若为大开孔时,应将局部薄膜与一次弯曲应力之和的应力强度控制在1.5S m 以内,即(p L +p b )<1.5S m 。
而对弯曲应力,若将全部弯曲应力都作为二次应力处理,则对一次弯曲应力(p b )的应力强度是缺乏保障的,是欠安全的;如将弯曲应力全部视为一次弯曲应力处理,则是偏保守的。
但根据应力处理原则:在未有其他计算证明结构的一次应力强度能得到保障前,计算的应力只能按一次应力处理。
所以,从工程设计的角度出发,在无更多使用经验的情况下,宜将弯曲应力按一次应力处理较妥当。
在接管与壳体连接处的肩部存在一定量的峰值应力,由于无法再将其分出,故在工程应用时将其归入一次局部薄膜应力,这样处理稍嫌保守,但保守程度不大[2]。
3 壳体上开孔补强计算容器开孔后引起的应力对容器的破坏与加载方式密切相关,因此在压力容器强度计算中,必须对它们区别对待,并对应选取合适的补强方法。
3.1 等面积法在分析设计标准JB4732295中,当满足一定条件的时候,开孔补强计算允许采用等面积法。
但等面积法是以受拉伸开孔大平板为计算模型的,虽然在文献[5]中也规定了可以使用此方法,但在某些条件下,该方法的安全性仍值得讨论。
表1中列出了3个筒体上分别安装径向接管的等面积补强计算和有限元分析计算。
此处,筒体和接管壁厚设计成使该结构恰好满足等面积补强法强度要求的极限状况,然后用等面积法与有限元分析结果对比。
表1 开孔补强等面积法与有限元法的计算比较壳体内径×壁厚/mm 接管外径×壁厚/mmDN1000×10DN1500×15DN2000×20<219×5<259×5<412×6<292×6<325×6<424×12<377×11<379×12等面积补强法需补强面积A/mm21071127620482153237642803799仅增加了接管壁厚,实际补强面积A1+A2/mm21160135821492237244843603824不必计算结论合格合格合格合格合格合格合格合格有限元分析局部薄膜应力p L/MPa272301419279334307291257应力强度限制值1.5S m282282282282282282282282结论合格不合格不合格合格不合格不合格不合格合格 运用有限元法计算时,先基于弹性力学的体积单元对该结构进行应力分析,采用实体单元,在危险点取沿壁厚方向的平均应力作为该处的一次局部薄膜应力。
当然在接管与筒体连接肩部的峰值应力归入一次局部薄膜应力,再按应力分类概念进行强度校核。
结果发现:当开孔直径较小时,结构满足分析设计的强度要求;当开孔直径较大(如d i/D i>0.4时),连接处的肩部,一次局部薄膜应力会大大超过1.5倍的S m,即不能满足分析设计的强度要求。
作为经验计算方法,等面积法在分析设计中应用时,对于开孔率小的,如d i/D i <0.35时,其计算结果是安全的;而当开孔率较大时,该方法是欠安全的。
因此标准中对用等面积法进行开孔补强计算应做更严格的限制。
事实上,各种压力容器的规范都未对容器大开孔作明确界定。
G B150298也仅是对开孔最大直径做了限制,而超出限制值的开孔,工程上一般称为大开孔。
由于大开孔后,孔边缘不仅存在大的薄膜应力,还会产生高的弯曲应力。
因此等面积法不宜使用,目前工程上常用的大开孔补强法主要有:压力面积法、极限载荷法、有限元法及AS ME法。
3.2 压力面积法压力面积法(图2)是德国AD规范中采用的开孔补强方法,其开孔率可达0.8,较等面积法大,其计算通式[6]为:A p p≤Aσ([σ]-p/2)式中 A p———补强有效范围内压力的作用面积, A p=R i(r1+t1+h)+r1t+r1h1; Aσ———壳体、接管、补强金属的有效承载截面积,Aσ=(h+t1)t+h1t1+(R e-r1-t1)t e; p———设计压力; [σ]———材料许用应力;R i、R、r1、r———壳体内半径、壳体公称半径、接管内半径、接管公称半径; t、t1———壳体厚度、接管厚度; R e、t e———补强圈外半径、补强圈厚度; h、h1———壳体补强长度、接管补强高度; c、c1———壳体壁厚附加量、接管壁厚附加量。
图2 压力面积法计算图上式是根据压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具有的承载能力相平衡的静力平衡条件得出的。
压力面积法与等面积法虽然形式不同,但实质是完全相同的。
两者都是基于静力强度且以壳体截面的承载能力与内压作用力相平衡为准则的计算方法。
两者的差别在于对筒体的有效补强范围考虑不同:等面积法基于受拉伸开孔大平板孔边应力集中的衰减范围取为r,此值取决于开孔直径,与筒体直径2R无关;而压力面积法对筒体的有效补强范围则基于圆柱壳边界效应的衰减区域取为[(2R i+t-c)(t-c)]1/2,它仅与筒体内径有关,而与开孔直径无关。
当开孔直径较大时, r>[(2R i+t-c)(t-c)]1/2,压力面积法的补强范围相对较小,具有密集补强的特点。
3.3 极限压力法极限压力法采用的是塑性失效准则,即认为结构初始屈服并不意味承载能力的丧失。
只有当容器某一区域整个截面均进入塑性状态,以致发生塑性流动时才视为失效,与之相对应的载荷称为极限载荷。
由于该原则对开孔附近应力集中取有较大的应力许用值,故常用于压力容器的大开孔补强。