第 四 章 压力容器设计 chapter Ⅳ design of pressure vessels
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第 四 章 压力容器设计 CHAPTER ⅣCHAPTER Ⅳ
Design of Pressure Vessels
4.4 分析设计
2
4.1 概述
4.2 设计准则
4.3 常规设计
4.4 分析设计
4.5 疲劳分析
4.6 压力容器设计技术进展
4.4.3 应力强度计算4.4.4 应力强度限制 4.4.5 分析设计的应用
4.4.2 压力容器的应力分类 4.4.1 概述
3
过程设备设计过程设备设计
4.4 分析设计
压 力 容 器 设 计
规则设计 分析设计
GB150 《 钢 制 压力容器》
JB4732 《钢制压力容器—分析设计标准》
4
过程设备设计过程设备设计
4.4.1 概述
例如: 成本 ↑, 热 ,甚至掩盖问题实质(裂纹)。
一、常规设计局限性:1.未对容器整体的各处应力作确切的数值计算,且所采用的应力 限制条件并未区分应力性质,而是采用统一强度限制条件。2. 只考虑一次施加的静载,没有考虑疲劳寿命问题和热应力, 因而不能确切反映不同性质的应力对容器失效所引起的 不同影响。3. 无法校核容器的疲劳寿命。4. 仅靠采用 或 办法控制材料在弹性范围内是不合理的 , 也是不现实的,有时甚至起到相反作用。
n
5. 规定了具体的容器结构形式,无法应用于规范中未包含的其它 容器结构和载荷形式,不利于新型设备的开发和使用。
∴ 提出新的设计观点—应力分析设计方法
5
二、分析设计的基本思想
1. 详细分析并计算各种应力,然后进行应力分类,且对不同类型 应力按不同的设计准则来限制,合理地采用了区别对待的方法。2. 采用了疲劳分析,重视了在压力、温度波动的条件下,容器 因受循环载荷而可能遭受的破坏。
∴ 是先进合理的方法。
缺点:计算工作量大,对材料性能、焊缝检验和容器操作运行 更加严格的要求。
过程设备设计过程设备设计
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过程设备设计过程设备设计
三、容器的载荷与应力对失效的影响
载荷 σ 产生原因 求解方法σ 范围,
σ沿 δ 分布 对失效影响
1. 压力载荷 p 总体,均布
2. 机械 (除 p) 外加机械载荷
3. 总体不连续效应 相互约束 变形协调 局部,非均 弹~塑性失效
(材料部分失效)
/i op p外加 外载 内力平衡 ip
弹失效 屈服总体
塑失效 爆破
op 总体失稳
/整 风 震-局 支反力
外载 内力平衡
整体,非均局部,非均
弹( )失效 局部范围
或塑
几何外载 突变材质
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过程设备设计过程设备设计
载荷 σ 产生原因 求解方法 σ 范围,σ沿 δ 分布
对失效影响
自身约束 变形协调弹~塑性失效(材料部分失
效)
5. 局部结构 不连续效应
应力集中极小局部,非线 ( 衰减快 )
主要—疲劳失效
开孔边缘接管根部小圆角过渡区
4. t
径向轴向
,t
t
总非均
局
-理论 弹性力学法
实验测定-常用数值解
8
过程设备设计过程设备设计
四、应力分析法主要特点:
1. 目的 : 提高容器安全可靠性 省材结果
2. 基础出发点 : 区分应力不同性质,采用不同的强度条件 加以限制。3. 强度判据 : 采用最大剪应力理论(第三强度理论)作为判据4. 采用较高的许用应力 : , 提高有效载荷 , 重量
5. 给出防止疲劳失效的设计方法及相应的设计曲线。
五、应力分析法基础 :
1. 弹性与塑性应力分析2. 应力分类3. 对材料、制造、检验更严格的要求。4. 严格质量控制。
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过程设备设计过程设备设计
4.4.2 容器的应力分类
分类原则 : 根据应力产生的原因 应力分布 对失效影响
分为一次应力 P 二次应力 Q
峰值应力 F
㈠、一次应力 P定义 : 由外载(压力和其它机械载荷)在容器中产生的应力 (正应力或剪应力)特点 :1 )满足外载~内力平衡
2 )非自限:载荷
包括 :
一次总体薄膜应力 Pm
一次局部薄膜应力 PL
一次弯曲应力 Pb
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过程设备设计过程设备设计
弯曲应力 (Pb)
特点 :沿 δ呈线性分 布 / 总体范围 / 内外表面屈服 后 ,若载荷升高, 应力沿厚度分布 重新调整 , ∴危害小 ; 限制宽例 :平封头中心部位 由 pi 引起的应力
一次应力
薄 膜 应 力(P)
总体 (Pm) 局部 (PL)
特点 : 存在于总体范围内 / 沿 δ 均布 / 危害最大 / 限制条件严
例 : 薄壁
厚壁
特点 : 存在于局部范围 ; 沿 δ 均布 ; 危害较小 ; 限制条件宽例 :pi→ 在不连续区产生 的薄膜应力 ; 结构不连续效应→ 薄膜应力 ;
z
11
过程设备设计过程设备设计
㈡、二次应力 Q :
定义 : 由容器自身或相邻部件约束产生的正应力或剪应力
特点 :1 )满足变形协调条件 2 )具有自限性: 局部屈服→相邻部分约束缓解 →变形协调
→σ 、变形不再继续增大。所以危害更小 / 限制变宽
例 :1 )总体不连续处弯曲应力 ( ) 弯薄边缘 +=
2 )总体 t
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㈢、峰值应力 F
定义 : 由局部结构不连续和局部热应力引起的而叠加到一次 加二次应力之上的应力增量。
特点 : 1) 高度局部性,与筒体 δ 一个数量级2)σ沿 δ 非线性分布,不会引起整个结构的明显变形。3) 是导致疲劳破坏、脆性断裂的可能根源→限制较严4) 一般设计中不考虑,只有在疲劳分析中才加以限制。
例 : 1) 局部不连续总应力中扣除一次和二次应力后的剩余部分。例 : 平板开孔受均匀拉伸
maxtK max t L bK P P Q F
0 0b LP Q P , , 1tF K
2) 结构的小热点处 ( 如加热蛇管、容器壳壁连接处 ) 的热应力。
过程设备设计过程设备设计
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过程设备设计过程设备设计
3) 碳钢容器内壁奥氏体堆焊层或衬里中的热应力。4) 厚壁圆筒中径向温度梯度引起的热应力中的非线性分量。5) 复合钢板中因复层与基体线膨胀系数不同而在复层中引起 的热应力。
注意注意 :: 只有韧性较高的材料 ,允许出现局部塑变 ,上述分类才有意义 (即应力分类的前提条件是材料为塑性材料 );
若是脆性材料 ,P和 Q 影响没有明显不同 , 应力分类就没有意义 ;
压缩应力主要与容器稳定性有关,也不需分类。
注意注意 :: 只有韧性较高的材料 ,允许出现局部塑变 ,上述分类才有意义 (即应力分类的前提条件是材料为塑性材料 );
若是脆性材料 ,P和 Q 影响没有明显不同 , 应力分类就没有意义 ;
压缩应力主要与容器稳定性有关,也不需分类。
压力容器典型部位的应力分类:见表 4-15
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过程设备设计过程设备设计
1. 应力强度 S
压力容器的强度设计和计算中,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 引进 应力强度的概念应力强度 : 最大主应力与最小主应力之差
IIIS分类 : , , ,IS IIS
IVS and VS
(1) 一次总体薄膜应力强度 SⅠ(Pm)
(2) 一次局部薄膜应力强度 SⅡ(PL)
(3) 一次薄膜 ( 总体或局部 ) 加一次弯曲应力强度SⅢ(PL+Pb) (4) 一次加二次应力强度 SⅣ(PL+Pb+Q)
(5) 峰值应力强度 SⅤ(PL+Pb+Q+F)
4.4.3 应力强度计算
15
过程设备设计过程设备设计
2. 应力强度计算步骤
⑴找 6 个应力分量 : ( , , )m L bP P P P
Q
F
每个符号代表 6 个应力分量
3
3
个正应力个剪应力
x z
x xz z
, ,, ,
⑵各类同向应力→代数叠加;
1 2 3 、 和 ,取⑶计算各自的主应力 : >1 2 3 >
⑷按最大剪应力理论计算应力强度: 31 S
Im SP
SPL
L bP P S Ⅲ
L bP P Q S Ⅳ
ⅤL bP P Q F S
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过程设备设计过程设备设计
4.4.4 应力强度限制
1. 设计应力强度 mS
b
bts
ts
s
sm nnn
S
,,min
比较
snbntsn
常规设计 3.0 1.6 1.6
分析设计 2.6 1.5 1.5
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2. 极限分析 假设 : 1) 小变形
2) 材料是理想弹塑性材料 3)简单加载 : 外载和应力按同一比例增加的加载。
含义 : 容器在某一载荷下整体屈服,结构达到极限承载能力。 (塑性失效)
解决 : 1) 极限载荷 求 2)虚拟弹性应力 定
3) 限制条件 目的 : 确定 SⅢ 的限制条件 : 1.5 mS KS
Ⅲ
求解方法 : 以矩形截面梁为例 / 纯弯曲 拉弯组合达到塑性失效
极限载荷
限制条件
过程设备设计过程设备设计
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过程设备设计过程设备设计
⑴纯弯曲: 研究对象—矩形截面(宽 b 、高 h ),受纯弯曲梁。
外载——弯矩M
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过程设备设计过程设备设计
PM MMM
求上下表面 屈 弹区,全塑性 极限载荷 限制
其余 弹区 塑区
(PM
“ ” “ ” “ ”弹 观点 失效 塑 观点 不失效 塑 观点 失效( )“ ”塑 不失效 仍可承载 不能再增加)
2
6e s
bhM 计算 :1) 只上、下表面 max 2
6:s s
M
bh
2)
e
eM
下上塑 : 弯矩
6
)2()
22(2
2ehbehbeM ss
6
)2()(
2ehbehbe ss
3)2
heM ( 全屈服 ): 极限载荷
4
2bhM sP
比较: eP MM 5.1
虚拟弹性应力:
2
max 24 1.5
6
sp
s
bhM
bhW
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过程设备设计过程设备设计
设计 : 有安全裕度,两边同除 ns= 1.5→ 限制值
限制条件 : maxmax
1.51.5
1.5 1.5s
mS
1.5b mP S
拉 弯 ⑵ 联合作用:
类似分析: PL+ Pb≤1.5Sm
所以 SⅢ≤1.5KSm
…安全
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过程设备设计过程设备设计
3. 安定性分析 安定性—指结构在载荷的反复变化过程中,变形趋于稳定, 不会出现塑性变形的连续循环,则认为结构是安定的。 丧失安定后的结构会在反复加载卸载中引起新的塑性 变形,导致塑性疲劳或大变形而发生破坏。目的—确定压力容器对 Q 的限制值
假设—同极限设计准则①小变形 ②理想塑材 ③简单加载
⑴ 1 1 2s sE < < : ( 图 4-60(a))
:
OAB
OABC BC
AB
加载第一次循环 卸载
“ ”第一次加载 塑变
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过程设备设计过程设备设计
The maximum stress range for shakedown is 1 2 s ,
as ms S5.1 , the limit for primary plus secondary stress is 3Sm .
-s
s
1
s
2s
1
s 1
s
1
2s B’
C
B A
O
B’
F
E
C D
B A
O
(a) (b)
Fig. 4-60 Shakedown analysis
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过程设备设计过程设备设计
: ,C B
BCB C
加载第二次以后循环 完全弹性 无新塑变
卸载安定
1 1 2 sE > : ( 图 4-60(b))⑵
:
OAB
OABCD BCD
AB
加载第一次循环 卸载
“ ”第一次加载 塑变
:
DEB
BCDDEBCD
EB
CD
加载卸载
第二次以后循环拉塑变压塑变
反复→塑性疲劳
不安定
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过程设备设计过程设备设计
⑶ 1 1 2 sE :同情形 —⑴ 安定状态 OABC— 不出现反向屈服的最大回线
结论 :
1
1
2
2
s
s
安定
不安定>
1 2 2 1.5 3s m mS S
即 : SⅣ≤3Sm— 结构安定
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4. 应力强度限制
⑴ 控制各种应力及其组合的目的是:
a. 控制一次应力极限是为了防止过分弹性变形,包括稳定在内。
b. 控制一次应力与二次应力叠加的极限是为了防止过分的弹性 变形的增长性破坏—塑性不安定(塑性疲劳)。
c. 控制峰值应力极限的目的是防止由周期性载荷引起的疲劳破坏 .
所以要对各类应力提出限制条件。
过程设备设计过程设备设计
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⑵ 应力强度限制条件:
单独校核 :
m
mI
KSS
KSS
5.1K— 载荷组合系数,与载荷和组合 方式有关, K=1.0~ 1.25
组合校核 :
1.5III mS KS -(塑性分析 极限分析导出)
3 (IV mS S 塑性分析 安定性分析导出)
(V aS S 疲劳分析确定)
当各类应力同时存在时,上面五个条件同时满足。
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Use operating loads
1.5KSm1.5KSm 3Sm Sa
KSm
Use design loads
过程设备设计过程设备设计
Stress Category
Primary Secondar
y Membran
e plus Bending
Peak General
Membran
e
Local Membran
e Bending
Symbol Pm PL Pb Q F
Combination of stress components and allowable limits of stress intensities
PL+Pb+Q
SⅤSⅣSⅢSⅡ
PL+Pb+Q+FPL PL+Pb
SⅠ
Pm
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过程设备设计过程设备设计
4.4.5 分析设计的应用 一、分析设计的设计程序(步骤)
结构分析 应力分析 应力分类 计算应力强度
校核应力强度
1. 结构分析 : a.哪些部位需按应力分析法? b.该部位有哪些应力? c. 可能失效形式?
2. 应力分析 : a. 受载( p 、机、热)? b. 边界条件?c. 区分 载荷设计
工作d. 建立力学分析模型 e. 计算各部分 σ
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过程设备设计过程设备设计
3. 应力分类 : 根据 σ 对失效作用分类 ,
: m L bP P P P
Q
F
、 、三类
4. 计算应力强度 : a. 各类同向 σ叠加 1 3 求 、b. 按第三强度理论 1 3S 求
5. 校核应力强度 : 单项及组合 S 校核
1.5
1.5
I m
II m
III m
S KS
S KS
S KS
3IV m
V a
S S
S S
→按设计载荷
→按工作载荷
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过程设备设计过程设备设计载荷组合系数 K
条件 载荷组合 K值 计算应力的基准
设计载荷A
设计压力、容器自重
内装材料、附属设备及内外部配件的
重力载荷
1.0 设计温度下 ,不计腐蚀裕量的厚度
B A+风载荷 1 )、 2 ) 1.2 3 ) 同上C A+地震载荷 1 )、 2 ) 1.2 3 ) 同上
试验载荷 A
试验压力、容器自重、内装物料、附属设备及外部配件的重力载荷
液压试验为 1.25;气压试验为 1.15
试验温度下,实际设计数值
注: 1 )不需要同时考虑风载荷与地震载荷 2 )风载荷与地震载荷的计算方法按有关
规定 3 )一次总体薄膜应力在屈服点以下
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过程设备设计过程设备设计
二、工程应用
/
采用
采用
一般压力容器 规则设计:理论粗 简单 设计成本
p D, 容器/特殊 疲劳容器 分析设计:理论完善 复杂 设计成本
结构复杂或特殊
1.
规则设计平行使用,二者不能互相代替
分析设计2.
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