压力容器局部区域的应力分析设计.pdf

《压力容器局部区域的应力分析设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压力容器局部区域的应力分析设计.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、? ?3 (上海化工设计院设备室) ?就 “99版”压力容器安全技术监察规程 第40条有关内容展开分析讨论, 阐述按常规设计标准和分析设计标准设计计算时,材料许用应力、计算方法和判据 以及最终应力控制水平方面的差异;并阐述这种设计方法在相互交错、相互组合时 的处理方法;以及局部参照分析设计标准在分析计算中可能会遇到的一些问题。此 外,还论述了站在GB150常规设计立场上怎样正确理解和运用局部参照分析设计计 算的观点和方法。 ?压力容器 安全系数 分析设计 常规设计 应力分析 局部区域 在工程设计中,常会遇到一些特殊的设计 问题。如:工作压力为0115012M Pa的大型 储罐,用户要求设置矩形

2、人孔;工作压力较高 的立式容器大开孔按应力分析设计规定进行补 强计算;容器的接管、支座等处外载荷引起的 局部应力计算等问题。这些容器局部区域的设 计计算都会用到应力分析设计计算方法。 “99版” 压力容器安全技术监察规程 第 40条中指出:“对某些结构特殊的受压元件按 常规标准无法解决强度计算时,局部可以参照 JB4732规定的方法进行分析计算,并应经压力 容器设计技术负责人的批准。局部参照JB4732 标准进行压力容器受压元件分析计算的单位, 可不取应力分析设计项目资格。 ” 这就是说,某 一压力容器设备在整体按GB150常规设计标 准规定的方法设计时,局部区域的受压元件或 连接结构及其多种

3、部位和形式的局部应力计算 可参照JB4732标准规定的方法进行应力分析 设计计算。 “99版” 压力容器安全技术监察规程 的 这一规定为容器整体按GB150标准设计,而局 部超出GB150使用范围的受压元件或连接结 构的设计计算给出了原则性的规定。但在具体 操作中我们还会遇到一些问题。由于GB150材 料许用应力的安全系数及其该规定在设计思 路、计算方法、制造检验和验收控制等诸因素 的协调方面与JB4732有着明显的不同,因此在 参照JB4732进行局部区域的应力分析设计计 算时,材料的许用应力极限及其安全系数究竟 是按JB4732选择呢?还是按GB150选择?若局 部区域材料许用应力按JB4

4、732选择,在设计阶 段,还比较容易处理因两套标准的不同规定所 带来的矛盾,那就是材料取两种标准都能够接 受的标准牌号,同时进行协调低应力区对高应 力区产生的附加载荷的设计计算,且尽量从结 构上设计合适的应力梯度或留有足够的应力集 中衰退长度作为过渡。这是以等安全裕度原则 指导设计应注意的地方,并且在图纸的技术文 件中还应增加附加技术要求,明确局部区域的 受压元件或连接结构应按JB4732制造、 检验和 3 甘方林,男,1959年9月生,工程师。上海市,200032。 82压力容器局部区域的应力分析设计 验收。这样,一套设备采用两套安全系数,且 安全系数重叠部分一般取大者。采用两套安全 系数,

5、应用时实质上就是采用两个标准的两套 材料许用应力值。若材料许用应力按GB150, 材 料 选 择 也 按GB150,仅 计 算 方 法 参 照 JB4732,有些分析计算结果可能会出现保守现 象,特别是当压力较高时更为明显,而且有些 材料可能不适合用于应力分析设计。这样,当 整个设备取统一的一套安全系数时,设备的制 造、检验和验收水平就都仍停留在GB150标准 基础上。 安全系数统一在GB150上,局部区域参照 JB4732的规定,这种设计计算方法是目前设计 单位在工程设计中所常用的,也与GB150标准 所引用的应力分析计算方法相符。对于接下来 的制造、检验和验收也有标准可循,质量管理 上也可

6、得到保证。从上面引述可见,这种设计 计算方法是“99版” 规程主要推荐的。 GB150常规设计标准正文有许多计算方 法直接取自较成熟的应力分析设计方法及其有 关结论, A SM E?- 1经多年的不断增订亦有 这种趋势,以至于该规范的材料安全系数有所 下降。GB150- 98标准1“范围”中阐明:无 法用常规设计方法确定结构尺寸的受压元件, 允许采用以应力分析包括有限单元法分析为基 础的设计,但需经“容委会”(全国压力容器标 准化技术委员会)评定、 认可。 从这个意义上说, “99版”规程 只不过是从监察角度再次重声。 另外, GB150材料安全系数nb= 310、ns= 116 与A SM

7、E?- 2的nb= 310、ns= 115基本相同 或略偏高。 而分析设计规范JB4732有许多计算 方法和内容来自A SM E?- 2,这就为GB150 局部区域运用以分析设计为基础的设计计算开 了方便之门。当然GB150的材料安全系数的确 定是在参考大量引进技术的设计结果,综合长 期实施的经验,经与各方面协商确定的。单纯 的两个安全系数数值大小的比较并不能全面反 映材料的许用应力值及其许用应力极限,通常 材料的安全系数还与材料的实际机械性能值以 及规定检验项目和批量有关,与考虑的载荷性 质及其放大裕量有关,与设计计算的精度有关, 与制造工艺和装备及检验控制手段和水平有 关,与设计、 制造质

8、量管理体制和水平有关,与 使用操作和管理维护经验有关。虽然GB150与 A SM E?- 2在安全系数上比较接近,但这只 能从理论的某一侧面来理解它,而不能将其理 解为实际应力控制水平相同。实际的应力控制 水平应该是GB150与A SM E?- 1相当 (98 版 A SM E?- 1,nb= 315), JB4732与A SM E?- 2相当。 整体按GB150设计、 制造、 检验,有必要的 话,局部超标部分可经 “容委会” 评定、 认可。而 局部区域参照JB4732分析设计计算,且其设 计、 制造、 检验均按JB4732规定也应是 “99版” 规程 可以接受的。当然,对于一些“99版” 规

9、程 不十分明确的设计规定,在审定前报劳 动局压力容器监察部门批准、备案也是不可缺 少的一个环节。这种方法对绝大部分常规压力 容器是不太适用的,两套安全系数带来的矛盾 在设计阶段倒还能平衡解决,但在制造、检验 和验收几个环节上将会有一些问题。目前,按 国内监察规程要求,无论是采用分析设计还是 采用常规设计都与压力容器类别划分无关。这 一点与A SM E不同, A SM E分常规设计与制 造许可证和分析设计与制造许可证两种。由于 体制不同, A SM E将设计与制造许可证联系在 一起,从根本上解决了两套设计规定的不同要 求在制造、检验和验收中的组织实施、技术配 备和人员方面的资职要求。局部区域的应

10、力分 析设计,分析设计许可证可豁免,这一点 “99 版”规程 已开了口子。 但是在分析设计制造许 可证没有的情况下,如果按两套安全系数 两套设计规定进行设计,同时制造、 检验和验收 的标准和要求将相差悬殊的话,那么对于只有 较低级类别的压力容器制造许可证的制造厂将 有可能难以胜任。因此,这种方法的应用范围 92化工装备技术第22卷 第5期2001年 应当限于按常规设计标准设计时要求较高的设 备,如三类容器,特殊压力容器,特别是高压 容器等。这样能够保证这种方法的安全实施。 在较高的温度和压力下,对某一特殊结构 的受压元件或其几何结构不连续处,当无法解 决强度计算问题从而确定结构尺寸时,可采用

11、应力分析设计的方法。其目的有两个:一是要 解决应力计算问题。 二是要控制总体应力水平, 使其达到协调、平衡和优化的程度,即符合等 安全裕度原则,使结构各个部位的安全裕度相 等。否则,元件强度过高,容器上会产生“刚 性区”,导致局部应力过高(如壳体的开孔补强 结构)和壳体局部区域的温差应力或热应力增 加等。在开孔补强计算中, A SM E? 22规范对 塑性失效规定的安全极限为115,即Ps?Pns = 11 5 ( 其中Ps为塑性极限压力,P为设计压 力 ); 并且应将由内压引起的一次及一次加二次 应力强度限制在相应的许用极限范围内,避免 按弹性分析采用 “一次薄膜应力Pm+一次弯曲 应力Pb

12、115KSm” 准式时,对一般壳体开孔补 强计算将造成设计过于保守,而对壳体大开孔 又可能产生安全裕度不足的问题。在壳体结构 不连续区,不同的应力分布具有不同的影响区 域(面积)和不同的局部塑性流动行为,以及不 同的应力重新分布的能力和过程。所谓应力重 新分布就是从原来较高的应力分布区中减去一 个自平衡力系,使高应力区应力水平下降,而 低应力区应力水平有所增加。二次应力实际上 就是为了同一次应力一起满足变形协调(连续) 要求而产生的附加应力(或称修正应力)。在材 料有足够延性(塑性储备)的前提下,二次应力 水平的高低对结构的承载能力并无影响。当二 次应力超过屈服限时,就产生局部的塑性流动, 一

13、旦塑性变形满足了变形协调要求,塑性流动 就会自动停止。若材料的塑性变形被过量约束 或在某些结构中被低应力的刚性区微量变形所 限制,局部区域就会出现过高的应力。如上述 提及的开孔补强结构,容器壳体承受热应力或 温差应力的场合,结构和尺寸设计不当等都会 出现这种情况。为了避免这种情况的产生,在 较高的温度和压力下,需要通过应力分析来协 调设计,使危险性较小的应力取较高的设计应 力强度。使用这种方法并不意味着让受压元件 盲目减薄,而是通过应力分析,使研究对象的 结构尺寸(包括厚度)与容器相关元件协调一 致,安全裕度相当,应力水平尽量相等,从而 避免盲目加大结构尺寸(包括厚度 ), 导致局部 区域产生

14、过高的附加应力。也只有处理好上述 变形与约束之间的关系才能使用这种方法,同 时还应十分重视设计类比和应用实例的考查。 “99版” 规程 第40条的规定是及时的、适当 的、含意丰富的。它使常规设计标准的使用范 围集合有了与分析设计标准使用范围集合的重 叠部分,从而满足了目前国内实际工程设计的 需求。 除了上述两种情况外,在实际工程设计中 应用得较多的还是在按GB150- 98常规设计 规范设计时,对一些规范适用范围内的、由于 设计综合考虑不当出现的偏差或疑难问题进行 必要的应力分析计算复核。如:温差应力问题, GB150- 89对温差应力考虑得太保守且不完 整;GB150- 98删除了温差应力的

15、计算内容, 而又未对设计温度、压力和壁厚三者之间相互 牵制的适用范围加以限制。若材料与压力、温 度的组合选择不当,使壁厚达到某一厚度以上, 就必须考虑温差应力的计算。按GB150- 98的 内容设置,由于没有考虑温差应力的计算,故 属设备整体的温差应力计算就是分析设计标准 JB4732- 95的设计范畴和考虑内容;属于局部 区域的温差应力计算则可用上述两种方法来解 决,就是在GB150- 98的设计框架下,局部区 域参照应力分析设计计算和校核。 多数情况下, 只要选择适当的材料和温度、压力的组合,就 能尽量避免温差应力问题。这时,容器的结构 不连续处、元件连接处及开孔补强处等,只要 按GB15

16、0设计,则均不必考虑温差应力问题 03压力容器局部区域的应力分析设计 (特殊情况如有外约束影响变形等除外)。但有 些情况应按JB4732复核,校核通过后则按 GB150设计计算。反之,应按JB4732设计计 算。如较高压力和温度下,使用强度等级较低 或刚度较低的钢材,其厚度较厚,有可能在 GB150适用范围内要考虑温差应力问题。 当然在相应压力、温度下选择适当的材料 及其强度等级的同时,还应尽量考虑材料的塑 性储备问题(s ? b ), 不要一味地使用高强度钢 而忽略了压力容器材料的韧性和塑性要求,以 便对一些不可预计的、由外载引起的应力提供 充足的塑性储备,经过塑性流动,达到应力再 分配,使

17、之变形协调。这些应力包括由一次应 力引起的、弹性变形不连续造成的二次或二次 以上应力;或由外载荷引起的、局部结构不连 续处的变形产生的局部应力;或由温度引起的 热应力(属二次应力)。总之,这种选择要全面 地、辩证地考虑诸多因素和相互关系,不能简 单化。 一个整体设备使用两套安全系数设计的情 况还是很多的。如换热器设计中,壳程的工况 须按应力分析设计规定设计计算,而其管程仅 需按常规设计规定设计计算;或者壳程须按常 规压力容器设计标准设计计算,而管程仅需按 常压容器标准设计计算。上述情况只是两套安 全系数分别用于两个隔开的压力腔内,若要使 两套安全系数同时用于一个压力腔内计算受压 元件,就增加了

18、设计难度。在较高温度下,所 选用的两套材料的安全系数会变得比较接近。 例如,在较高温度下,周边与圆筒焊接连接的 平盖按极限分析准则的设计计算;无折边锥形 封头小端、折边锥体小端与圆筒连接处按极限 分析准则的设计计算;无折边锥形封头大端按 安定性分析准则的设计计算;卧式容器鞍式支 座处圆筒周向应力按极限分析准则的设计计算 等。这种按应力分析设计计算的方法,其最终 应力强度许用值本身也可看作是采用了不同的 安全系数。不论是采用一套还是两套材料安全 系数,设计人员头脑中必须始终有一杆平衡秤, 那就是等安全裕度的原则和尽量的等强度的原 则、应力水平平衡的原则。 工程设计中,若该容器设计适合用GB150

19、 标准,就应使其各个结构和元件尽量满足 GB150的设计计算要求, 使计算结果落在 GB150的适用范围内;尽量避免使用局部区域 的应力分析设计,这样可加快设计进度,也可 充分利用标准、规范原有的设计、制造、检验 保障体系和设计计算安全框架;尽量使应力分 析设计标准的应用成为常规设计标准设计计算 的复核,从而使GB150- 98标准的设计计算编 制要求和内容安排意图得到充分发挥,达到优 化组合、辅助优化设计的目的。 ? 1 GB150- 1998钢制压力容器. 2 GB150- 89钢制压力容器. 3 JB4732- 95钢制压力容器分析设计标准. 4 国家质量技术监督局编制.压力容器安全技术

20、监察规程 (1999版 ). 5 ASM E Section? 2Division 1 (1995 Edition ). 6 ASM E Section? 2Division 2 (1995 Edition ). (收稿日期:20012052 28) ? 南化氮肥厂投资近7万元用于煤气炉氢氮比自调 的微机装置, 9月19日通过验收,正式投入生产。 至此, 困扰多年的操作难问题得到了解决,而且每年可为厂 增加效益50多万元。 南化氮肥厂年产16万吨合成氨。生产合成氨其氮 氢比例13最为经济有效。几十年来,该厂从手工操 作到半自动控制,乃至13台煤气炉均用上了微机控 制,但进入净化、合成的氢氮煤气比例时有偏差,迫使 放空,既造成浪费,又影响产量。因此,今年8月份南 化公司从山东专业厂购进一台微机和相关软件,建成 煤气炉氢氮比自调装置。该装置将13台煤气炉的PLC 程控仪表全部连接到总控室,并可显示净化、 合成车间 的氢气浓度。经过24h认真调试,寻找最佳平衡点,终 于使氢氮比自调获得成功,波动由过去的4%降至 1%。 氢氮比自调的成功,不仅为稳产降耗创造了条件, 而且有利于合成塔温度的控制和触媒寿命的延长。 (郏锡兴) 13化工装备技术第22卷 第5期2001年