局部應(yīng)力修改

1、目 錄一、概述2二、局部應(yīng)力與改正措施32.1 封頭與筒體的連接32.2 容器開(kāi)孔附近的應(yīng)力集中42.2.1開(kāi)孔接管局部應(yīng)力概述42.2.2開(kāi)孔接管時(shí)的應(yīng)力集中52.2.3結(jié)論62.3 支座處的局部應(yīng)力與補(bǔ)強(qiáng)措施62.3.1 立式容器的支座62.3.2 臥式容器支座72.4 減少附件傳遞的局部載荷8三、計(jì)算局部應(yīng)力的方法83.1 應(yīng)力集中系數(shù)法83.2經(jīng)驗(yàn)公式法93.3 數(shù)值計(jì)算93.4應(yīng)力測(cè)試10四、學(xué)習(xí)體會(huì)10一、概述除受到介質(zhì)壓力作用外，過(guò)程設(shè)備還承受通過(guò)接管或者其他附件傳遞來(lái)的局部載荷，如設(shè)備的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的約束反力、溫度變化引起的載荷等。這些載荷通常僅對(duì)附

2、件及設(shè)備連接的局部區(qū)域產(chǎn)生影響。此外，在壓力作用下，壓力容器材料或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，如截面尺寸、幾何形狀突變區(qū)域、兩種不同的材料連接處等，也會(huì)在局部區(qū)域產(chǎn)生附加應(yīng)力。上述兩種情況下產(chǎn)生的應(yīng)力，均稱為局部應(yīng)力。局部應(yīng)力會(huì)影響結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度和安全，但其影響程度還與其它因素有關(guān)。對(duì)低碳鋼等塑性較好的材料，當(dāng)承受穩(wěn)定壓力或重復(fù)次數(shù)很少的載荷時(shí)，鍋爐、壓力容器結(jié)構(gòu)部件的局部應(yīng)力對(duì)安全影響甚小。因?yàn)楦邞?yīng)力部位材料發(fā)生屈服時(shí)，應(yīng)力向附近的材料纖維中轉(zhuǎn)移，局部的變形不協(xié)調(diào)及高應(yīng)力得以緩解，只要結(jié)構(gòu)大面積上的應(yīng)力仍處于彈性狀態(tài)，局部應(yīng)力過(guò)高就不會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)脆性材料或因溫度過(guò)低、結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大等因素處于脆性狀

3、態(tài)的材料，局部應(yīng)力是影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與安全的基本因素。過(guò)高的局部應(yīng)力常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的裂紋等缺陷，而結(jié)構(gòu)破壞常常是過(guò)高的局部應(yīng)力與缺陷共同存在的結(jié)果。當(dāng)結(jié)構(gòu)部件承受交變載荷時(shí)，過(guò)高的交變局部應(yīng)力是產(chǎn)生疲勞微裂紋并使其擴(kuò)展的基本原因。很多結(jié)構(gòu)常有圓筒接管邊緣、管板及溫度交變部位產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的例子。簡(jiǎn)言之，局部應(yīng)力是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)脆性破裂和疲勞破裂的重要因素。當(dāng)結(jié)構(gòu)接觸腐蝕性介質(zhì)時(shí)，局部應(yīng)力也是腐蝕破裂的因索之一。下面以如圖1.1-1所示的臥式壓力容器為例分析其局部應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的降低局部應(yīng)力的措施，有接管與筒體的連接處、支座與筒體連接處和封頭與筒體連接處的局部應(yīng)力。圖1.1-1 臥式壓力容器二、局部應(yīng)力與改正措施

4、2.1 封頭與筒體的連接壓力容器常用的封頭有橢圓形封頭、球形封頭和錐形封頭等。在高壓容器中多用球形封頭。球形封頭受力好，其計(jì)算壁厚僅為等徑圓筒厚度的1/2，并由于球殼比表面積小，為此其材料消耗最省。在一般的壓力容器的筒體和封頭連接處，由于幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒體和封頭連接部位的內(nèi)壁面。若在封頭上再加上2個(gè)對(duì)稱的支座，支座上承受一定外載荷和彎矩，支座與封頭的連接處也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座與封頭連接的尖角位置，但其相對(duì)于筒體與封頭連接部位的最大應(yīng)力仍然很小，即在整個(gè)容器結(jié)構(gòu)中，最大應(yīng)力仍會(huì)出現(xiàn)在筒體與封頭的連接位置。且支座與封頭連接處產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)筒體和封頭連接部位的應(yīng)力大小

5、和分布影響不大。為改進(jìn)筒體和風(fēng)頭的盈利狀況，可采用一些措施加以改進(jìn)，如在筒體和封頭的連接處設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)渡環(huán)等。為減小圓筒端部的邊緣應(yīng)力，GB150-1998 鋼制壓力容器中規(guī)定，當(dāng)圓筒較厚時(shí)，應(yīng)將圓筒端部以不小于1:3的斜度削薄，從受理角度分析，筒體和封頭不等厚連接應(yīng)按規(guī)定削薄，否則削薄部分的強(qiáng)度不能滿足要求。若筒體與封頭采用等厚連接，還不如采用等厚的橢圓形封頭，從制造角度來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭比球形封頭易于制造且等尺寸等厚度的橢圓形封頭比球形封頭耗料少。因此:（1）筒體與封頭不等厚焊接連接時(shí)，不能將筒體削薄，而只能將連接處的薄板加厚，兩種過(guò)渡連接結(jié)構(gòu)，他們的過(guò)渡段都是端部按<=1/3 斜度

6、削薄的圓筒，結(jié)構(gòu)尺寸相同，且在內(nèi)徑上都是直接承受壓力的P的作用。倆種過(guò)渡的受力為何不同，一種解釋是圖2.1-1結(jié)構(gòu)的過(guò)渡段屬于局部加厚的球殼，受力好。圖2.1-2結(jié)構(gòu)的過(guò)渡段屬于局部削薄的圓筒，因此受力差。（2）筒體與封頭等厚連接時(shí)，最好采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，少采用制造困難的球形封頭。從受理角度分析，筒體和封頭不等厚連接應(yīng)按規(guī)定削薄，否則削薄部分的強(qiáng)度不能滿足要求。若筒體與封頭采用等厚連接，還不如采用等厚的橢圓形封頭，從制造角度來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭比球形封頭易于制造且等尺寸等厚度的橢圓形封頭比球形封頭耗料少 圖2.1-1 球形封頭與圓筒 圖2.1-2 球形封頭與圓筒連接正確的結(jié)構(gòu)形式 連接錯(cuò)誤的

7、結(jié)構(gòu)形式因此（1）筒體與封頭不等厚焊接連接時(shí)，不能將筒體削薄，而只能將連接處的薄板加厚，或者采用如圖2.1-3所示的法蘭連接形式。（2）筒體與封頭等厚連接時(shí)，最好采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，少采用制造困難的球形封頭。 圖2.3 法蘭連接2.2 容器開(kāi)孔附近的應(yīng)力集中2.2.1開(kāi)孔接管局部應(yīng)力概述在壓力容器及化工設(shè)備設(shè)計(jì)中，由于工藝及結(jié)構(gòu)上的原因，常需在容器或設(shè)備上開(kāi)孔并安裝接管。由于開(kāi)孔而使器壁被削弱并破壞了原有結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，因而在開(kāi)孔接管附近產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，加上管道受到外載的作用，如管道和介質(zhì)的自重、地震引起的慣性力以及風(fēng)力等等，因而管道將不可避免地通過(guò)連接接管對(duì)容器作用力和力矩，這些力和力矩

8、會(huì)在容器與接管連接的局部區(qū)域產(chǎn)生高應(yīng)力，因此，容器與接管連接的區(qū)域成為了整臺(tái)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。如果設(shè)計(jì)時(shí)不充分考慮壓力容器開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力，并將其限制在一定的范圍內(nèi)，將會(huì)嚴(yán)重影響其安全性，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性破壞事故。2.2.2開(kāi)孔接管時(shí)的應(yīng)力集中 1.殼體上開(kāi)孔與平板開(kāi)小孔有以下差別: (1)開(kāi)孔不是小孔。如:人、手孔，故開(kāi)小孔的假設(shè)不成立其理論不能運(yùn)用(2)容器殼體是曲面，與平板不同。因?yàn)樵陂_(kāi)孔處由于曲面的影響,殼體存在彎曲應(yīng)力     (3)容器開(kāi)孔接管后,接管對(duì)開(kāi)孔邊緣有約束作用.而平板開(kāi)小孔理論,沒(méi)有考慮接管約束問(wèn)題,所以對(duì)開(kāi)

9、孔接管問(wèn)題,必須尋求新的分析方法。2.接管區(qū)的應(yīng)力分析 (1)利用”力法”可求出該區(qū)域的應(yīng)力分布情況和應(yīng)力值      （2)根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際結(jié)果,查接管區(qū)的應(yīng)力分布圖3.人孔的作用：為了檢查壓力容器在使用過(guò)程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷。人孔的結(jié)構(gòu)：既有承受壓力的筒節(jié)、端蓋、法蘭、密封墊片、緊固件等受壓元件，也有安置與啟閉端蓋所需要的軸、銷、耳、把手等非受壓元件。當(dāng)設(shè)備內(nèi)徑Di>1000mm時(shí)，至少開(kāi)設(shè)一個(gè)直徑為400mm的人孔或二個(gè)150mm的手孔。人孔和手孔的形狀有圓形和橢圓形兩種，但壓力容器上的開(kāi)孔最好是圓形的，因

10、容器壓力不高或有特殊需要時(shí)，直徑可以大一些。 人孔標(biāo)準(zhǔn)HG21524-95規(guī)定PN0.1MPa時(shí)只能用帶頸平焊法蘭人孔或帶頸對(duì)焊法蘭人孔。根據(jù)液氨儲(chǔ)罐是在常溫下及最高工作壓力為1.6MPa的條件下工作，人孔的標(biāo)準(zhǔn)按公稱壓力為1.6MPa等級(jí)選擇，考慮人孔蓋直徑較大較重，故選用水平吊蓋人孔，公稱直徑DN450。 4.人孔補(bǔ)強(qiáng)在開(kāi)口接管處，殼體和接管的變形不一致。為了使二者在連接后的變形協(xié)調(diào)一致，連接處便產(chǎn)生了附加內(nèi)力，主要是附加彎矩。由此產(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)力，便形成了連接處局部地區(qū)的應(yīng)力集中、因此，在開(kāi)孔或者安裝接管處一般需采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施。2.2.3結(jié)論對(duì)于圓筒體與接管的連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)接管受到軸

11、向力時(shí)?？傻玫饺缦陆Y(jié)論：1在應(yīng)力分類的強(qiáng)度條件中，起決定性作用的是表面應(yīng)力。2.WRC107方法不能反映接管壁厚變化對(duì)圓筒體應(yīng)力變化的影響。3.當(dāng)接管壁厚與筒體壁厚比值較大時(shí)，WRC107方法得到的結(jié)果是不可靠的。4.當(dāng)接管中徑與筒體中徑比值較小時(shí)，WRC107方法得到的結(jié)果是可靠的2.3 支座處的局部應(yīng)力與補(bǔ)強(qiáng)措施壓力容器靠支座支撐并固定在基礎(chǔ)上，圓筒形容器和球形容器的支座各不相同。隨安裝位置不同，圓筒形支座又分為臥式容器支座和立式容器支座兩類。其中立式容器支座又有退式支座、支承式支座、耳式支座、和裙式支座四中，臥式容器支座多采用柱式或裙式支座。2.3.1 立式容器的支座1.耳式支座（懸掛式

12、支座）結(jié)構(gòu)：由筋板和支腳板組成，廣泛用于反應(yīng)釜及立式換熱器等直立設(shè)備上。如圖2.4.1-1 耳式支座所示圖2.4.1-1 耳式支座特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、輕便，但對(duì)器壁會(huì)產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。因此，當(dāng)容器較大或者容器壁薄時(shí)，應(yīng)在支座與器壁間加一墊板，墊板的材料最好與筒體材料相同。筋板和底板材料為Q235-A.F。一臺(tái)設(shè)備一般配置24個(gè)支座。必要時(shí)也可適當(dāng)增加，但在安裝時(shí)不容易保證各支座在同一平面上，也就不能保證各耳座受力均勻。對(duì)于大型薄壁容器或支座上載荷較大時(shí)，可將各支座的底板連成一體組成圈座，既改善了容器局部受載過(guò)大，又可避免各耳座受力不均。2.3.2 臥式容器支座墊板的作用是改善殼體局部受力情況。通過(guò)墊

13、板，鞍座接受容器載荷。肋板的作用是將墊板、腹板和底板連成一體，加大剛性，一起有效地傳遞壓縮力和抵抗外彎矩。因此，腹板和肋板的厚度與鞍座的高度H（即自筒體圓周最低點(diǎn)至基礎(chǔ)表面）直接決定著鞍座允許負(fù)荷的大小。墊板選用：公稱直徑小于或等于900mm的容器，鞍座分為帶墊板和不帶墊板兩種結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)符合下列條件之一時(shí)，必須設(shè)置墊板。1、容器圓筒有效厚度小于或等于3mm時(shí)；2、容器圓筒鞍座處的周向應(yīng)力大于規(guī)定值時(shí)；3、容器圓筒有熱處理要求時(shí)；4、容器圓筒與鞍座間溫差大于200時(shí)；合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.減少兩連接件的剛度差:兩連接件變形不協(xié)調(diào)會(huì)引起邊緣應(yīng)力。殼體的剛度與材料的彈性模量、曲率半徑、壁厚等因素有關(guān)。

14、設(shè)法減少兩連件的剛度差，是降低邊緣應(yīng)力的有效措施之一。2.盡量采用圓弧過(guò)渡:幾何形狀或尺寸的突然改變是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因之一。在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)盡可能采用圓弧或經(jīng)形狀優(yōu)化的特殊曲線過(guò)渡。如圖2.4.2-1所示。圖2.4.2-1 圓弧過(guò)渡3.局部區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)：臥式容器與鞍式支座連接處，在殼體與附件之間加一塊墊板，可以有效地降低局部應(yīng)力。兩種方式如圖2.4.2-2所示。 圖2.4.2-2 支座與容器的連接4.選擇合適的開(kāi)孔方位:根據(jù)載荷的情況，選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)孔位置、方向和形狀。如橢圓孔的長(zhǎng)軸應(yīng)與開(kāi)孔處的最大應(yīng)力方向平行，孔盡量開(kāi)在原來(lái)應(yīng)力水平比較低的部位，以降低局部應(yīng)力。2.4 減少附件傳遞的局部載荷

15、如果對(duì)與殼體相連的附件采取一定的措施，就可以減少附件所傳遞的局部載荷對(duì)殼體的影響，從而降低局部應(yīng)力。例如：對(duì)管道、閥門等設(shè)備附件設(shè)置支撐或支架，可降低這些附件的重量對(duì)殼體的影響；對(duì)接管等附件加設(shè)熱補(bǔ)償元件可降低因熱脹冷縮所產(chǎn)生的熱載荷。在壓力容器制造過(guò)程中，由于制造工藝和具體操作等原因，可能在容器中留下氣孔、夾渣、未焊透等缺陷，這些缺陷會(huì)造成較高的局部應(yīng)力，應(yīng)盡量避免。三、計(jì)算局部應(yīng)力的方法 3.1 應(yīng)力集中系數(shù)法在計(jì)算殼體與接管處的最大應(yīng)力時(shí)候，常采用應(yīng)力集中系數(shù)法。受內(nèi)壓的殼體與接管連接處的最大彈性應(yīng)力與該殼體不開(kāi)孔時(shí)的環(huán)向薄膜應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)Kt，即：Kt=max/通過(guò)計(jì)算，將不

16、同的直徑、不同厚度的殼體，帶有不同直徑與厚度的接管的應(yīng)力集中系數(shù)綜合成一系列曲線，及應(yīng)力集中系數(shù)曲線。例如：圖3.1球殼帶平齊式接管的應(yīng)力集中系數(shù)曲線3.2經(jīng)驗(yàn)公式法大量實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算和理論分析表明，受內(nèi)壓殼體與接管處的應(yīng)力集中系數(shù)Kt一般可以表示為三個(gè)無(wú)因次參量的函數(shù)，這三個(gè)無(wú)因次參數(shù)分別是：中面直徑d與殼體中面直徑D之比d/D，接管厚度t與殼體厚度T之比t/T，殼體中面直徑D與其厚度之比D/T。到目前為止，已提出了許多應(yīng)力集中系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。3.3 數(shù)值計(jì)算應(yīng)力數(shù)值計(jì)算的方法比較多，如差分法、變分法、有限單元法和邊界法等。但目前為止使用的最廣泛的是有限單元法。有限單元法的基本思路是將連續(xù)

17、體離散為有限個(gè)單元的組合體，以單元節(jié)點(diǎn)的參量為基本未知量，單元內(nèi)的相應(yīng)參量用單元節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值插值，講一個(gè)連續(xù)體的無(wú)限自由度問(wèn)題變成有限自由度問(wèn)題。再利用整體的分析求出未知量，顯然，隨著單元體數(shù)量的增加，解的近似值不斷改進(jìn)，如單元滿足收斂要求，近似解也最終收斂于精確解。3.4應(yīng)力測(cè)試?yán)碚撚?jì)算或數(shù)值計(jì)算密性都經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化，用實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的方法直接測(cè)量計(jì)算部位的應(yīng)力，是驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果可靠性的有效辦法。應(yīng)力試驗(yàn)分析方法有很多，但最常用的兩種方法是電測(cè)法和光彈性法。 (1)電測(cè)法：金屬絲承受拉伸或壓縮變形的時(shí)候，電阻也將發(fā)生改變。將電阻絲往復(fù)繞成特殊形狀就可以做成電阻應(yīng)變片。測(cè)量前，電阻應(yīng)變片用特殊的膠合劑粘貼在要測(cè)的應(yīng)變的部位，當(dāng)殼體變形時(shí)，電阻應(yīng)變片中的電阻絲隨之一起變化，導(dǎo)致電阻阻值的變化