压力容器开孔接管处的应力分类及补强设计方法的比较王 磊Ξ(南通职业大学)摘 要 针对压力容器在开孔部位尤其大开孔接管部位具有严重的应力集中现象,从应力分类的基本原理出发,分析了开孔边缘的复杂应力状态,并对大开孔有限元应力分析结果的应力分类评定提出建议;比较分析了几种大开孔补强方法的异同点,阐述了工程设计中如何进行应力分类和选择合适的补强方法,对一些有争议的问题提出了作者的观点。
关键词 应力分类 分析设计 开孔补强方法 有限元分析 AS ME法中图分类号 T Q05113 文献标识码 A 文章编号 025426094(2004)0520307205 应力分类概念在压力容器设计中应用已相当广泛,应力分类的方法主要用于压力容器的分析设计,对某些结构,在常规设计标准G B15021998或G B15121999中也引入了应力分类的概念。
对于压力容器,由于工艺流程的需要,不可避免地要在主要受压件上开孔,由此必然会在开孔边缘形成比较复杂的应力状态。
如何正确地进行应力分析及采取相应的应力分类方法,是工程设计人员首先要考虑的。
本文从应力分类的基本原理出发,阐述如何对压力容器开孔接管处的应力进行分类,以及相应的补强方法。
1 应力分类的基本思想按应力分类准则[1],应力分为以下3类:a.一次应力是为平衡外加的机械载荷而在容器受压元件中直接产生的正应力或剪应力,其基本特征是无自限性。
一次应力对应静力强度问题,控制一次应力是为了保证结构在一次加载条件下的总体静力强度,是必须首先满足的。
b.二次应力是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的正应力或剪应力,其基本特征是具有自限性。
二次应力对应安定性问题,控制二次应力是为了保证相邻元件在变形协调过程中,避免产生过大的塑性变形,以防止在多次加载条件下发生拉伸与压缩交替的塑性变形而产生大应变疲劳破坏。
局部薄膜应力虽然也有二次应力的特点,但该应力沿整个壁厚方向是均布的,故仍保守地视为一次应力,但在工程应用中允许其达到屈服限。
c.峰值应力是由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的应力增量,其特征是同时具有自限性与局部性。
峰值应力对应疲劳强度,控制峰值应力是保证结构局部高应力区域不会在频繁加载条件下发生从裂纹萌生、扩展直至造成断裂的疲劳破坏。
因此,仅在需进行疲劳设计的场合才计算峰值应力。
自限性是区分3类应力的核心。
无自限应力为一次应力;有自限的应力根据所满足的变形协调的意义分为二次应力和峰值应力。
满足板壳理论中面变形协调条件,即总体结构连续要求产生的应力为二次应力;满足局部结构连续要求产生的应力为峰值应力,通常发生于夹角处。
2 壳体开孔接管处的应力分类按照文献[1]的应力分类法,压力容器开孔后,接管与壳体连接部位引起的应力有:沿壁厚方Ξ王 磊,女,1968年7月生,工程师。
江苏省南通市,226007。
向的平均应力即是一次局部薄膜应力(无温差作用)或一次局部薄膜加二次温差应力(有温差作用);由相贯壳体变形协调产生的边界内力(横剪力与弯矩)引起的弯曲应力为二次弯曲应力(无外力作用于接管上时);由应力集中现象引起的峰值应力。
在进行应力分类时,既应遵循应力分类的原则,又必须考虑方法的可行性。
如在接管与壳体连接部位处,由于开孔的存在,在以上所述的一次局部薄膜应力中确实存在应力集中的成分,但由于无法再将其区分,故从保守的角度,将其归并于一次局部薄膜应力在工程应用中应该是可行的[2,3]。
但在上述分类中,对开孔附近的弯曲应力一概作为二次应力处理,意味着因压力在接管轴向载荷对壳体开孔边缘引起的弯曲应力也作为二次应力处理,则会对一次应力强度缺乏保障[4]。
而应力的评定必须按顺序进行,二次应力的评定必须有一次应力的评定基础,峰值应力的评定必须有一次、二次应力的评定基础。
值得讨论的是壳体开孔接管处的弯曲应力的性质,如图1所示。
球壳上接径向接管,在球壳与接管(柱壳)连接处,两壳几何形状不连续,造成两壳薄膜力在连接处不连续,必产生横向分力F 。
横向分力F 对球壳边缘产生弯曲应力,而F 是接管上压力的轴向力N 的分量。
此应力是因为壳图1 球壳与接管连接示意图体在开孔处的轴对称性被破坏,内压力p 在垂直方向作用状况发生变化,引起弯矩,产生弯曲应力,是为静力平衡所产生。
由一次应力的性质可知,F 引起的弯曲应力为一次弯曲应力。
此外,接管与球壳在压力引起的薄膜应力作用下,二者产生的径向变形量不等。
为满足变形协调将产生边界剪力Q 和边界弯矩M ,它们也都在球壳开孔边缘产生弯曲应力。
但根据二次应力的性质,由Q 和M 产生的弯曲应力为二次应力,所以在球壳边缘存在两种成分的弯曲应力,它们所占的比例与接管、球壳的厚度比值或它们薄膜应力水平的比值有关。
对开孔接管结构的有限元分析结果,只能给出薄膜应力和弯曲应力两部分,对此薄膜应力一般作为一次局部薄膜应力p L 处理,按分析设计标准控制值为1.5S m ,(S m 为材料的许用应力强度);弯曲应力产生的原因如前所述分两种,但有限元分析结果无法确定一次弯曲应力和二次弯曲应力的分量,且若为大开孔时,应将局部薄膜与一次弯曲应力之和的应力强度控制在1.5S m 以内,即(p L +p b )<1.5S m 。
而对弯曲应力,若将全部弯曲应力都作为二次应力处理,则对一次弯曲应力(p b )的应力强度是缺乏保障的,是欠安全的;如将弯曲应力全部视为一次弯曲应力处理,则是偏保守的。
但根据应力处理原则:在未有其他计算证明结构的一次应力强度能得到保障前,计算的应力只能按一次应力处理。
所以,从工程设计的角度出发,在无更多使用经验的情况下,宜将弯曲应力按一次应力处理较妥当。
在接管与壳体连接处的肩部存在一定量的峰值应力,由于无法再将其分出,故在工程应用时将其归入一次局部薄膜应力,这样处理稍嫌保守,但保守程度不大[2]。
3 壳体上开孔补强计算容器开孔后引起的应力对容器的破坏与加载方式密切相关,因此在压力容器强度计算中,必须对它们区别对待,并对应选取合适的补强方法。
3.1 等面积法在分析设计标准JB4732295中,当满足一定条件的时候,开孔补强计算允许采用等面积法。
但等面积法是以受拉伸开孔大平板为计算模型的,虽然在文献[5]中也规定了可以使用此方法,但在某些条件下,该方法的安全性仍值得讨论。
表1中列出了3个筒体上分别安装径向接管的等面积补强计算和有限元分析计算。
此处,筒体和接管壁厚设计成使该结构恰好满足等面积补强法强度要求的极限状况,然后用等面积法与有限元分析结果对比。
表1 开孔补强等面积法与有限元法的计算比较壳体内径×壁厚/mm 接管外径×壁厚/mmDN1000×10DN1500×15DN2000×20<219×5<259×5<412×6<292×6<325×6<424×12<377×11<379×12等面积补强法需补强面积A/mm21071127620482153237642803799仅增加了接管壁厚,实际补强面积A1+A2/mm21160135821492237244843603824不必计算结论合格合格合格合格合格合格合格合格有限元分析局部薄膜应力p L/MPa272301419279334307291257应力强度限制值1.5S m282282282282282282282282结论合格不合格不合格合格不合格不合格不合格合格 运用有限元法计算时,先基于弹性力学的体积单元对该结构进行应力分析,采用实体单元,在危险点取沿壁厚方向的平均应力作为该处的一次局部薄膜应力。
当然在接管与筒体连接肩部的峰值应力归入一次局部薄膜应力,再按应力分类概念进行强度校核。
结果发现:当开孔直径较小时,结构满足分析设计的强度要求;当开孔直径较大(如d i/D i>0.4时),连接处的肩部,一次局部薄膜应力会大大超过1.5倍的S m,即不能满足分析设计的强度要求。
作为经验计算方法,等面积法在分析设计中应用时,对于开孔率小的,如d i/D i <0.35时,其计算结果是安全的;而当开孔率较大时,该方法是欠安全的。
因此标准中对用等面积法进行开孔补强计算应做更严格的限制。
事实上,各种压力容器的规范都未对容器大开孔作明确界定。
G B150298也仅是对开孔最大直径做了限制,而超出限制值的开孔,工程上一般称为大开孔。
由于大开孔后,孔边缘不仅存在大的薄膜应力,还会产生高的弯曲应力。
因此等面积法不宜使用,目前工程上常用的大开孔补强法主要有:压力面积法、极限载荷法、有限元法及AS ME法。
3.2 压力面积法压力面积法(图2)是德国AD规范中采用的开孔补强方法,其开孔率可达0.8,较等面积法大,其计算通式[6]为:A p p≤Aσ([σ]-p/2)式中 A p———补强有效范围内压力的作用面积, A p=R i(r1+t1+h)+r1t+r1h1; Aσ———壳体、接管、补强金属的有效承载截面积,Aσ=(h+t1)t+h1t1+(R e-r1-t1)t e; p———设计压力; [σ]———材料许用应力;R i、R、r1、r———壳体内半径、壳体公称半径、接管内半径、接管公称半径; t、t1———壳体厚度、接管厚度; R e、t e———补强圈外半径、补强圈厚度; h、h1———壳体补强长度、接管补强高度; c、c1———壳体壁厚附加量、接管壁厚附加量。
图2 压力面积法计算图上式是根据压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具有的承载能力相平衡的静力平衡条件得出的。
压力面积法与等面积法虽然形式不同,但实质是完全相同的。
两者都是基于静力强度且以壳体截面的承载能力与内压作用力相平衡为准则的计算方法。
两者的差别在于对筒体的有效补强范围考虑不同:等面积法基于受拉伸开孔大平板孔边应力集中的衰减范围取为r,此值取决于开孔直径,与筒体直径2R无关;而压力面积法对筒体的有效补强范围则基于圆柱壳边界效应的衰减区域取为[(2R i+t-c)(t-c)]1/2,它仅与筒体内径有关,而与开孔直径无关。
当开孔直径较大时, r>[(2R i+t-c)(t-c)]1/2,压力面积法的补强范围相对较小,具有密集补强的特点。
3.3 极限压力法极限压力法采用的是塑性失效准则,即认为结构初始屈服并不意味承载能力的丧失。
只有当容器某一区域整个截面均进入塑性状态,以致发生塑性流动时才视为失效,与之相对应的载荷称为极限载荷。
由于该原则对开孔附近应力集中取有较大的应力许用值,故常用于压力容器的大开孔补强。
