压力容器分析设计方法的安全性和经济性讨论

?必威动态 ????|???? ?2019-07-14 12:07


  自从上世纪60年代美国将按应力分类的设计方法纳人其“锅炉与压力容器规范”后,这种按分析方法进行压力容器设计的思想和概念逐渐为世界各主要工业国家的压力容器设计规范所采纳,我国也于1995年颁布了JB4732*1995算机技术的高速发展,使用有限元方法来获得结构中的应力分布已不再是一件困难(difficult)的工作,因此,基于应力分类的分析设计方法在工程中得到了较普遍的应用。
  按应力分类的设计方法主要基于以下的思想和假定:不同种类的应力将使结构产生不同的失效模式;作用于结构上的不同载荷将在结构中产生不同种类的应力,这些不同种类的应力对结构失效的影响大小也是不同的;考虑的材料限于理想弹塑性材料,决定结构失效的是按第三强度理论或第四强度理论得到的驾量应力;鉴于工程应用的可行性,采用线弹性分析方法来获得结构中的应力分布。因此,用以进行强度评定的是结构中的名义应力,而不是真实应力。
  要指出的是,在应力分类的设计方法中,采用了板壳理论中有关薄膜应力和弯曲应力的概念。压力容器能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛,它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。对于三向应力状态,在力学理论上实际并不存在所谓的薄膜应力和弯曲应力,为了按应力分类设计方法中:200609-29计App的开发工作以及应力分析的T.作和研究。
  所规定的强度条件进行评定,需通过应力线性化过程来得到平均应力、线性分布应力和非线性分布应力。本质上,应力分类的设计方法,包括应力线性化方法,都是一种工程应用的强度设计方法,而不是严格按力学理论推导得到的方法。工程设计中一个普遍接受的原则是,检验一种设计方法的有效性,不是看其是否严格符合力学理论或其他相关理论,而是主要看其给出的结果与结构失效的真实结果是否吻合,只要这种方法能保证所设计的容器有足够的安全性,又兼备较好的经济性,那么,这种方法在工程上就是可以接受的。
  -2,相对于按规则设计的容器来说,这两个标准都对按分析设计的容器在选材、制造和检验等方面提出了更高的要求。如在JB4732中有以下要求:不允许使用普通碳素钢Q235-
  B、Q235-C;除奥氏体钢和总体薄膜应力不大于40MPa的碳素钢和低合金(alloy)钢,当金属使用温度低于:时,即需要做材料的低温冲击试验,且要求达到的最低平均冲击功比GB150要高;按JB4732设计的容器必须100%无损探伤,等等。这意味着除了获得更高的安全性之外,标准的导向应是:在保证安全的前提下,按分析(Analyse)设计的容器应该比按规则设计的容器消耗较少的材料以补偿设计成本的提高。由此,对分析设计方法提出了两方面的要求:首先,按分析方法设计的容器必须是安全的;其次,按分析方法设计的容器,其材料使用的经济性应不低于按规则方法设计的容器。但是,近年来的一些研究表明,按应力分类的分析设计方法对于个别结构,并不能满足经济性低于规则设计方法的要求。以下将通过(tōng guò)实例对应力分类方法的安全性和经济性进行讨论。
  1筒体上径向接管结构的补强计算-1中UG-101通过爆破试验确定最大允许工作压力的方法以及等面积补强的原则,总结了前人研究成果,对采用等面积补强法设计的结构,通过爆破试验,对试验验证的结果进行了分析。表1为文中所给出的用补强圈补强结构的数据所进行的汇总。
  表1采用等面积补强后的结构的爆破试验结果汇总序号表1中符号的意义为:D.筒体外径;T一一筒体壁厚;d.接管外径;t接管壁厚;Pb。无接管筒体的爆破压力;Ph带有接管筒体的爆破压力;Ar需要补强面积。
  补强计算方法的有效性可用比值来表示。如按某一补强计算方法设计的结构,该比值不小于1,则说明这个补强计算方法的结果是安全的。
  按照这个原则,从表1给出的结果可以看出,该比值的最小值为。88,是在开孔直径与筒体直径比值为1时发生的。另外,对于无补强的筒体与接管连接结构,其最大应力点在连接处的肩部。而按文中的说明,所有以上已进行补强的结构,破坏时的开裂点位置都已不在接管与筒体连接的肩部,这说明补强已达到了目的。再考虑到设计标准中总是规定了安全系数,因此可以认为,等面积补强法的设计结果是安全的,甚至当开孔直径与筒体直径比值大于0.5时,也有同样的结论。这可能就是美国工业管道规范ASMEB31.3中规定在/),/7  -2或JB4732中规定的强度准则,在接管与筒体连接处附近计算得到的名义应力应满足:薄膜应力'算得;5IV次加二次应力强度,由'加一次弯曲应力,再加二次应力而算得;许用应力。
  Widera采用线弹性有限元方法并遵照以上强度准则对筒体带径向接管的结构进行了计算。为了对各种补强计算方法的结果进行比较,Rodabaugh将比值7;/T定义为压力额定等级,:;为不开孔圆筒体所需要的壁厚为开孔后圆筒体所需要的壁厚。Rodabaugh根据Widera发表的计算结果,将其与实验结果进行了比较,见表2.表2中的数据可以这样获得:对于一给定的结构,通过爆破试验可获得该结构的爆破压力按下式求得无开孔筒体的爆破压力Pb,:按该结构的实际尺寸算得压力P,使得在该压力作用下,结构中的一次局部薄膜应力刚好满足
  1. 5Sm的强度条件;以中得到的压力P算得无开孔筒体所需要的最小厚度K.表2应力分类方法计算结果与爆破试验结果的比较注1):和为壳体和接管的中径。
  2)为爆破试验的结果;7;/r为Widera的有限元分析(Analyse)计算结果。压力容器并对每个类别的压力容器在设计、制造过程,以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。压力容器已实施进口商品安全质量许可制度,未取得进口安全质量许可证书的商品不准进口。
  这样就使得比值r/r可直接与比值Pb/Pbv相比较,在理想情况下,这两个比值应基本一致。压力容器并对每个类别的压力容器在设计、制造过程,以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。压力容器已实施进口商品安全质量许可制度,未取得进口安全质量许可证书的商品不准进口。
  将表1同表2比较,可以明显看到,用应力分类方法进行的补强计算结果比等面积补强法的计算结果要保守。也就是说,对筒体带径向接管的结构,应力分类计算方法的补强设计结果,其经济性反而要比等面积法来得差。编辑也曾采用线弹性有限元方法对该结构进行了一些计算,并将结果与等面积补强法计算的结果进行比较,得到了同样的结论,见表3 2结果分析从以上的计算结果可以看到,对筒体带径向接管的结构,既然应力分类方法的计算结果太过于保守,那么,其安全性应是没有问题的。然而,对于该结构,应力分类方法的经济性与等面积法相比反而较差,得到这样的结论实际上并不奇怪。正如在前言中已提到的,应力分类方法就其描述结构破坏的过程和方式来讲,也并不是严格符合力学理论的。
  首先,它采用线弹性应力分析方法,即假定材料始终符合虎克定律,这使得计算结果在筒体与接管连接的肩部拐角处会得到很大的弹性名义应力。实际上,当肩部的应力达到材料的屈服点以后,该处的应力将不再增加,而变形却有继续明显增加的趋势。这时,在肩部附近区域,未屈服的区域将对已屈服区域的变形给予约束,同时,受到该约束内力的作用,应力将重新分布,未屈服的区域之应力值要比弹性分析得到的应力值稍大,而已屈服区域中的应力则要比弹性分析所得到的应力值小得多。随着载荷的增加,屈服区域将按一定规律扩展,直到在筒体与接管连接处形成塑性铰时,结构才会破坏。在肩部开始发生屈服到结构破坏的加载过程中,筒体与接管连接区域中的应力分布实际上与弹性分析的结果是完全不相符的。
  表3等面积法和应力分类法的计算结果比较应力分类法接管外径x壁厚/mmxmm需补强面积Ar/mm2实际补强面积Ai+/4i/mm2结论局部薄膜应力P,/MPa许用应力强度。Sm/MPa结论合格不合格合格不合格壳体内径x壁厚/mmxmm等面积补强法控制。
  3讨论从上节的分析可以看出,应力分类方法严格来讲是一个工程上应用的半理论半经验的设计方法,同其他半理论半经验的设计方法相比,对于描述结构破坏的极限状态和过程,在本质上并无很大区别,只是一般认为它的适用范围较大,并不局限于某一结构或某种载荷,理论上,该方法可用于压力容器设计的绝大部分结构。至今为止,除了以上提到的受压锥壳小端与圆筒体相交的结构,文还曾报道,对于筒体上的径向接管受到外力矩作用时,发生平面外弯曲的结构,当采用WRC107公报的方法进行应力分析,并用。但除此之外,尚没有发现有使用应力分类方法使得设计结果不安全的报道或例子。因此,可以认为,应力分类方法的设计计算结果一般是安全的。因为该方法相比于其他按规则设计方法而言,往往需要对所有重要部位进行详细的应力分析,并在强度条件的确定上考虑了更多的因素,如不同载荷对结构失效的影响,不同部位的应力所拥有的性质,等等。所以,该方法一般会被认为将比按规则设计方法得到更为精确和经济的结果。但实际上,并不能对所有的结构给出这样的结论,以上已给出了这样一个反例。
  长期以来,人们早就发现在工程上使用应力分类方法对压力容器的结构设计存在一些困难,特别是使用有限元方法得到了结构中的应力分布以后,如何对结果进行应力分类和评定一直存在争议。人们关心的主要问题在于如何确定进行应力分类的路径和如何将一次应力、二次应力和峰值应力从总应力中区分开来。一般认为,只要解决了这两个问题,就能使应力分类方法的计算结果既保证结构的安全又不至于太过保守。但应该认识到,应力分类方法是希翼用线弹性应力分析的结果来定量地描述各种结构在载荷作用下发生塑性破坏的极限状态,从以上的分析可以看出,这一目的是难以达到的。不同结构在不同载荷条件下,实际上无法用的可行方法。而对于标准已给出计算公式的结构,设计人员在工程应用中仍可以选择采用应力分类的设计方法,因为它是安全的,但不能保证这种方法的结果比基于公式的设计方法更为经济。
  事实上,各国的压力容器建造标准和规范都存在针对同一结构给出两种以上设计方法的例子,这些不同的设计方法应该都是能满足安全性要求的,只是安全裕量会有所不同。对本文所述的结构,若将Pb/Pb,定义为安全裕量,则等面积法的安全裕量与各标准中规定的定义许用应力所用的安全系数基本相当。对于应力分类方法来说,当定义许用应力所用的安全系数较低时,它的安全裕量要高于等面积法的安全裕量;而当安全系数较高时,其安全裕量将与等面积法的安全裕量逐渐接近,表3的计算结果可间接地说明这一点。
  并没有采用ASME规范和我国压力容器设计标准那样完全区分规则设计容器建造规范和分析设计容器建造规范的模式,而只是将分析设计方法作为在标准中同其他方法并列而可以选择的一种计算方法。同时,又将分析设计方法作为按公式设计方法的理论基础。实际上,EN13445标准中按公式设计方法中的许多应力计算公式和强度条件都包含从分析设计方法研究中所得到的概念。EN13445标准中包含分析设计方法的目的在于:对标准中公式设计方法没有包括的结构,作为一种补充设计方法;对叠加了环境效应的载荷工况,作为一种补充设计方法;对于不能满足一般制造要求的特定情况,作为一种补充设计方法;对于介质具有严重危害性的工况,为了保护环境,需进行详细计算的场合,可作为一种补充设计方法。
  EN13445在其附录B和附录C中给出了两种分析设计方法,附录B给出了一种称之为直接法的方法,附录C是应力分类法。应力分类法的计算步骤、强度(strength)条件与ASMEVI-2中规定的基本相同,而直接法则与应力分类法有很大的区别。第一,该方法假定容器材料为理想弹塑性材料,因此,要求对结构进行弹塑性应力分析,而不是线弹性分析,即在计算中考虑了结构屈服后的应力重分布;第二,由于采用了弹塑性分析方法,因此要求考虑加载的方式。即规定对于整体塑性变形失效模式,是采用等比例加载的方式;而对于累积塑性变形失效模式,将按照设备所受静载和循环载荷的实际作用过程进行加载;第三,直接法针对整体塑性变形失效模式进行计算时,采用的是TreSca条件,并对各种不同载荷和材料的强度性能参数规定了相对应的不同的安全系数,与之对应的强度条件是将任何部位的主结构应变限制在±5%.而对于累积塑性变形失效模式,直接法采用的是Mises条件,对载荷和材料的强度性能参数不考虑安全系数,与之对应的强度条件是,在规定的循环次数后,任何部位的主结构应变不超过*5%.直接法针对累积塑性变形失效模式的另一个强度条件是的线弹性材料性能是安定的“,该强度条件就是安定性条件,概念(Idea)更明确,在工程(Engineering)实践中更便于应用。在EN13445中,应力分类方法实际是作为直接法的一个替代方法,应力分类方法中的一次应力强度条件对应于直接法中对整体塑性变形失效模式的限制条件;而应力分类方法中的一次加二次应力强度条件则对应于直接法中对累积塑性变形失效模式的限制条件。
  在直接法中,通过考虑材料的塑性变形,使得分析所得到的结果将更符合结构在各不同加载过程中的实际应力分布或应变分布状态,以及在失效时的材料形态。因此,直接法的计算结果一般应该比应力分类方法来得经济(jīng jì)。但是,即使采用直接法,也不能保证比所有的公式计算方法更为经济。文中给出了一个锥壳大端与筒体相交的例子:如以按规则设计方法得到的该结构的许用压力为100%,则按分析设计方法中的整体塑性变形失效模式算得的许用压力为92%,按分析设计方法中的累积塑性变形失效模式算得的许用压力稍大于100%,而按安定性理论的强度条件算得的许用压力为97%.对于锥壳大端与筒体相交这样一个结构,按EN13445标准的公式设计方法其实应该也是安全的,而在采用直接法进行分析时,由于采用了Melan对安定性原理给出的定义,与按公式设计中的3倍许用应力条件稍有差异,使得对这个结构而言,分析设计方法的安全裕量要比公式设计方法更大。
  虽然本文提及的两个例子都是应力分类设计方法的经济性要比规则设计方法来得差,而且还可能存在其他这样的例子,但需指出的是,这并不代表普遍的现象。由于在ASME VI-2JB4732和EN13445的分析设计方法中定义的材料许用应力安全系数均要比对应的ASMEV.化工设备(shèbèi)与管道,2001,38GB丨50―丨989钢制压力容器――标准释疑