压力容器设计(9)

南京工业大学 备课笔记 41

按产品外观—正拱型,反拱型,平板型 按破坏动作—爆破型,触破型,脱落型

选用 :介质不清净气体,物料化学反应使压力迅速上升,极度毒性高度危害的气体,强腐蚀性气体

4.3.8 焊接结构设计 Welded structure Design

(1)焊接接头形式 Welded joint a.对接接头 Butt joint 受热均匀,受力对称,便于无损检测

b.角接接头和T形接头 Corner joint and T-joint 受力状态不如对接,应力集中较严重,焊接质量不易保证 c.搭接接头 Lap joint

结构明显不连续,受力状况差,主要用于加强圈,垫板等焊接 (2)坡口形式 Groove

基本型式:I形, V形, 单边 V形, U形 , J形. (3)压力容器焊接接头分类 Categories P198 图4-47

a. A类焊接接头 圆筒部分纵向接头等 b. B类焊接接头 壳体部分环向接头等 c. C类焊接接头 法兰与壳体,接管连接等 d. D类焊接接头 接管,人孔等与壳体连接接头等

4.3.9 压力试验 Pressure Test

(1)目的:考核各种缺陷的影响及制造质量 (2)试验压力及应力校核 尽量采用液压,安全

a. 液压试验 Hydrostatic test

试验温度不低于韧脆转变温度

试验压力: 内压容器 PT=1.25P[ζ]/[ζ]t (4-87) 外压容器和真空容器 以内压代替外压试验 PT=1.25P (4-88) 夹套容器 分别情况处理 P205

南京工业大学 备课笔记 42

试验前需校核其薄膜应力 b. 气压试验 Penumatic test

所用气体干燥,洁身空气,氯气,惰性气体,气体温度不低于150C. 内压容器 PT=1.15P[ζ]/[ζ]t (4-90) 外压容器 真空容器 PT=1.15P (4-91) 气压试验前也须校核薄膜应力 c. 气密性试验 Seal test

适用:介质为易燃,极毒,高度危害,不许泄漏的压力容器 试验压力: 无安全泄放装置 PT=P

有安全泄放装置 PT=最高工作压力

4.4 分析设计 Design by Analysis

4.4.1 概述

(1) 常规设计局部性

① 不涉及疲劳寿命,不考虑热应力

② 没有对重要区域的应力进行严格而详细的计算 ③ 无法应用在规范中未包含的其他容器结构和载荷形式 (2) 分析设计的基本思想

通过各种方法把各种载荷产生的应力分别计算出来,应力进行分类,按不同的设计准则分别加以限制.

4.4.2 压力容器的应力分类 Stress categories

4.4.2.1 应力分类

分类依据:①应力产生的原因:直接/变形协调,机械/热 ②作用区域与分布形式:总体/局部,均布/非均布 ③对失效的影响:过度变形/疲劳,韧性 一般分为三大类

(1)一次应力(P) Primary stress 产生:外加机械载荷

性质:满足外载荷与内力的平衡关系,非自限性. 分布:整个容器.

南京工业大学 备课笔记 43

一次应力还可分为三种:

a. 一次总体薄膜应力(Pm)Primary general membrane stress 沿壁厚均布的薄膜应力,等于沿壁厚截面法向应力平均值. b. 一次弯曲应力(Pb) Primary bending stress

由内压或其它机械载荷引起的沿壁后线性分布的应力,载荷增大,内外表面先屈服.

c. 一次局部薄膜应力(PL)Primary local membrane stress

由内压或其它机械载荷在结构不连续区产生的薄膜应力和记录在案不连续效应产生的薄膜应力的统称. 具有一些自限性,表现二次应力的一些特征. Pm与PL划分是按薄膜应力沿经线方向的作用长度.

(2)二次应力 Q Secondary stress

产生:由相邻部件间的约束或结构的自身约束所产生.不是由外载荷直接产生.

性质:自限性,局部性,不满足平衡关系. 分布:筒体与封头等连接处.

(3)峰值应力 F Peak stress

产生:由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量.

特点:高度局部性,无明显变形. 危害:可能引起疲劳断裂或脆性断裂.

4.4.2.2 容器典型部位的应力分类 Stress categories

典型部位应力分类见P209,表4-15 厚壁圆筒受内压作用的环向应力: 其平均应力Pm,应力梯度Q.Q沿厚 度的应力梯度是满足筒壁各层结构 连续所需要的自平衡力.

内加热厚壁圆筒热应力的线性化

处理:径向温度梯度产生的热应力沿厚度呈非线性分布,可将其分为当量

南京工业大学 备课笔记 44

线性应力和非线性分布应力两部分.

所谓当量线性应力是指和实际应力有相同弯矩的线性分布应力. 由于热应力具有自限性,其危害性比一次应力小,所以分析设计将当量线

性应力划分为二次应力Q,而将余下的非线性分布应力划分为峰值应力(F).

4.4.3 应力强度计算 Computation of Stress Intensities

(1) 应力强度

强度计算和计算中必须根据强度理论建立各个主应力与许用应力之间的关系,因而引进应力强度的概念.

分析设计中采用最大切应力准则相对应的应力强度,其值为该点最大切应力与最小主应力之差.

根据各类英烈对容器危害程度的影响不同,划分下列五类基本应力强度:

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)加一次弯曲应力强度SⅢ 一次加二次应力强度SⅣ 峰值应力强度SⅤ

(2) 应力强度计算步骤:

除SⅤ外,其余计算如下 ① 选择正交坐标系

② 计算各应力分量,分类归入 ③ 按相同种类分别叠加

④ 由六个应力分量计算个主应力

⑤ 计算个各组最大主应力差,即为相应力的应力强度.

4.4.4 应力强度限制 Stress Intensity Limiting

(1)设计应力强度

按材料的短时拉伸性能除以相应的材料设计系数而得到的:

南京工业大学 备课笔记 45

Sm=min{

?s?st?bnsn,ts,nb}

分析设计中的材料设计系数比常规设计的取得低:ns=nst≥1.5,nb≥2.6.

(2)极限分析和安定性分析

a. 极限分析 Limiting analysis

极限状态:理想弹性塑性材料在载荷下,结构进入全域屈服后变形无限制增大.用受弯曲的矩形截面梁来说明:

梁,宽b,高h,受弯矩M,按弹性失效上,下表面屈服 ζ

MAX

=

M6M=2=ζs 即M=ζsbh2/6, Wbh继续加载直到整个截面屈服时的弯矩 M’=[ζsb2h/8]2=ζsbh2/4 M’=1.5M

为与弹性分布应力相比较,将极限载荷下的应力视为虚拟的线性分布的,这样该虚拟弹性应力为: ζ

’MAX

?sbh2/4M'===1.5ζs,取1.5倍安全系数 ζWbh2/6'?max=ζs MAX=1.5抗弯组合的情况下,同样可得到类似的分析,从而得到 PL+Pb≤1.5Sm.

b. 安定性分析 Shakedown analysis

结构在初始阶段少数几个载荷循环中产生一定的塑性变形外,在继续施加的循环外载荷作用下不再发生新的塑性变形,此时结构处于安定状态.

二次应力有自限性,如用一次应力强度的限制条件来限制二次应力显然保守. 虚拟应力:超过材料ζs后,ζ-ε不再呈线性关系,而由ε根据弹性关系计算得到应力称虚拟应力ζ1.

根据虚拟应力的大小,分二种情况讨论:

① ζs<ζ1<2ζs

第一次加,卸载 o-A-B B-C 第二次加载,卸载 C-B B-C 安定 ② ζ1>2ζ

塑性区内虚拟应力超过两倍屈服极限

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