壓力容器的論文

1、論應(yīng)力的分類及壓力容器的設(shè)計(jì)發(fā)展賈鵬（泰來(lái)縣特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所，黑龍江泰來(lái)162400） 1概述壓力容器都是采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，它是從基本的薄膜應(yīng)力出發(fā)，同時(shí)將其他應(yīng)力 對(duì)容器安全性的影響，包括在較大的安全系數(shù) 之中，實(shí)際上，在壓力容器中，除了存在著介 質(zhì)壓力引起的薄膜應(yīng)力外，還存在著由于邊界 效應(yīng)（如開孔接管或其他曲率小連續(xù)部位）引 起的局部應(yīng)力，以及由于熱脹冷縮變形受到限 制而引起的溫差應(yīng)力等。上述各類應(yīng)力的性質(zhì)及其對(duì)安全性的影 響各不相同，但是，在以往的壓力容器設(shè)計(jì) 中，由于對(duì)容器各部分的受力以及它們對(duì)容器 強(qiáng)度的影響，缺乏全面、精確、深刻的了解， 因而只能在設(shè)計(jì)中采用較高的安全系數(shù)

2、，以保 證壓力容器的運(yùn)行安全。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是由當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平?jīng)Q定的，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，這一設(shè)計(jì)方法對(duì) 壓力容器設(shè)計(jì)起著積極的推動(dòng)作用。由于傳統(tǒng) 設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，具有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，各 國(guó)依然采用它進(jìn)行一般壓力容器的設(shè)計(jì)，如美 國(guó)的ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第伽卷第一冊(cè) 和日本標(biāo)準(zhǔn)J1SB8243等。我國(guó)壓力容器的國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)GB150也是采用這一方法。但是，壓 力容器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在著很大的局限性， 其主要缺點(diǎn)是沒有區(qū)分薄膜應(yīng)力和其他應(yīng)力對(duì) 容器強(qiáng)度的不同影響，片面地認(rèn)為不管是整體 應(yīng)力還是局部應(yīng)力，只要達(dá)到材料的屈服極 限。整個(gè)容器便失去正常的工作能力，亦即“失效”。實(shí)際上，當(dāng)局部應(yīng)力

3、達(dá)到材料的屈服 極限時(shí)，容器大部分區(qū)域的應(yīng)力尚低于這一數(shù) 值，仍處于彈性狀態(tài)。因此，此時(shí)容器不僅不 會(huì)進(jìn)入屈服，就是己經(jīng)屈服的局部區(qū)域，由于 受到周圍廣大彈性區(qū)的約束，其變形量不可能 進(jìn)一步增長(zhǎng)（即不可能發(fā)生過大的塑性流動(dòng)）， 應(yīng)力的增加也會(huì)受到控制，因而不會(huì)引起整個(gè) 容器失效。2應(yīng)力分類2.1邊緣效應(yīng)以邊緣效應(yīng)為例，說明不同種類應(yīng)力的特性及其對(duì)容器失效的影響,局部應(yīng)力往往發(fā) 生在容器的幾何形狀產(chǎn)生突變或結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，有下列2種情況：2.1.1總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，如封頭與筒體的連接處;法蘭與殼體的連接處;不同厚度的殼 體連接處等在這些連接處，將產(chǎn)生剪力與彎 矩，使基本應(yīng)力得以增強(qiáng)，其影響可涉

4、及到殼 體相當(dāng)大的部分。由于局部處總的應(yīng)力值有了 顯著的增加，有時(shí)甚至可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過殼體上的 周向應(yīng)力而達(dá)到材料的屈服極限井引起屈服變 形，但因受周圍彈性材料所包圍，實(shí)踐證明只 要應(yīng)力值小于屈服極限的2倍，容器是不會(huì)遭 到破壞的2.1.2局部結(jié)構(gòu)不連接區(qū)，例如開孔周圍、小的圓角半徑等在這些局部區(qū)域可產(chǎn)生最 高的應(yīng)力、應(yīng)變值。但因其分布在很小的區(qū)域 內(nèi)，對(duì)于總體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變不會(huì)產(chǎn)生重大 的影響。如果材料具有足夠的塑性，載荷的循 環(huán)次數(shù)也不致造成疲勞破壞。實(shí)踐證明，既使 局部的應(yīng)變值數(shù)倍于材料的屈服應(yīng)變值 也不 會(huì)造成容器的破壞根據(jù)以上的分析，為使壓力容器的設(shè)計(jì)既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理，妥當(dāng)?shù)淖龇☉?yīng)

5、該是對(duì) 作用在壓力容器上的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的分類，井針對(duì)不同的應(yīng)力分別給予不同的限制范圍2.2應(yīng)力分類的原則以美國(guó)的ASME,鍋爐壓力容器規(guī)范第伽卷第一冊(cè)誕生為標(biāo)志，壓力容器的設(shè)計(jì)方法發(fā) 生了一次革命，從傳統(tǒng)的按規(guī)則設(shè)計(jì)的方法過 渡到以詳細(xì)的應(yīng)力分析與評(píng)定為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的更 高階段。分析設(shè)計(jì)方法的核心是將壓力容器中的 各種應(yīng)力加以分類，分清主次，根據(jù)各類應(yīng)力 對(duì)容器安全性的影響程度，分別規(guī)定不同的安 全系數(shù)，以保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的安全性與經(jīng)濟(jì)性 壓力容器在外載荷作用下，滿足平衡條件 與變形協(xié)調(diào)條件后，容器各個(gè)部件中的應(yīng)力按 其性質(zhì)的不同分為以下3類2.2.1 一次應(yīng)力是由外載荷的作用而在容器部件中產(chǎn)生的正應(yīng)

6、力或剪應(yīng)力。它必須滿足力與力矩的平 衡方程式。一次應(yīng)力的基本特點(diǎn)是當(dāng)它超過材 料的屈服極限時(shí)，將產(chǎn)生過渡的變形而破壞。 一次應(yīng)力又可分為以下幾種a.總體薄膜應(yīng)力由于內(nèi)壓而在圓筒形或球形殼體中產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力即屬此例，此應(yīng)力分布在整個(gè)殼體 上，在工作應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，沿殼 體壁厚的材料將同時(shí)進(jìn)入屈服b.一次彎曲應(yīng)力例如由于內(nèi)壓的作用，在平板蓋中央部分產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力它沿板厚呈直線分布，當(dāng)內(nèi) 壓相當(dāng)大時(shí)，首先是上、下表面處進(jìn)入屈服， 其它部分仍處于彈性狀態(tài)如繼續(xù)增加載荷，應(yīng) 力沿板厚的分布將重新調(diào)整所以對(duì)于一次彎曲 應(yīng)力可以應(yīng)用極限設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行應(yīng)力分析， 井允許比總體薄膜應(yīng)力具有較高的許用應(yīng)

7、力。.局部薄膜應(yīng)力對(duì)于在局部范圍內(nèi)，由于壓力或機(jī)械載荷引起的薄膜應(yīng)力稱為局部薄膜應(yīng)力例如在容 器支座處由于力和力矩產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力由于這 種應(yīng)力的局部性，故也允許比總體薄膜應(yīng)力具 有較高的許用應(yīng)力。這種應(yīng)力實(shí)際上具有一次 應(yīng)力的特征，但出自保險(xiǎn)的考慮，仍將其劃為 一次應(yīng)力。2.2.2二次應(yīng)力二次應(yīng)力是由于容器部件的自身約束或相鄰部件的約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。它 必須滿足變形協(xié)調(diào)的條件，如薄壁圓筒與半球 形封頭的連接處，在內(nèi)壓作用下，它們的徑向 位移是不同的，故在連接處二者將互相約束， 使變形協(xié)調(diào)。于是連接處便產(chǎn)生了附加的彎矩 與剪力，由此引起的應(yīng)力便是二次應(yīng)力。這種 應(yīng)力的特征是具有自限性，

8、即當(dāng)局部范圍內(nèi)的 材料產(chǎn)生屈服或小量變形，相鄰部分之間的約 束便得到緩和，使變形趨向協(xié)調(diào)，不再繼續(xù)發(fā) 展，而應(yīng)力自動(dòng)限制在一定的范圍內(nèi)，只要此 二次應(yīng)力與其他應(yīng)力疊加后小于規(guī)定值容器 是不會(huì)損壞的2.2.3峰值應(yīng)力接管的根部、小的圓角半徑或小孔邊緣等局部處，由于載荷或結(jié)構(gòu)形狀的突變引起局 部的應(yīng)力集中，它具有最高的應(yīng)力值峰值。應(yīng) 力的基本特征是整個(gè)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何顯著的變 形，它僅是疲勞破壞或脆性斷裂的可能根源。 局部范圍內(nèi)的熱應(yīng)力不使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的變 形，也屬于峰值應(yīng)力的范圍。峰值應(yīng)力可根據(jù)一定的循環(huán)次數(shù)限制在 按疲勞曲線求得許用應(yīng)力幅Sa的范圍內(nèi)。3壓力容器設(shè)計(jì)的發(fā)展行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB4732-

9、95鋼制壓力容器一分 析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是以分析設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的鋼制壓力 容器標(biāo)準(zhǔn)，提供了以彈性應(yīng)力分析和塑性失效 準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。對(duì) 于選材、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收規(guī)定了比&日150- 89鋼制壓力容器更為嚴(yán)格的要求。應(yīng)力分析設(shè)計(jì)這一設(shè)計(jì)方法雖然合理而且先進(jìn)，但卻需要進(jìn)行大量復(fù)雜的分析計(jì)算， 只有借助于電了計(jì)算機(jī)才能完成，因而設(shè)計(jì)費(fèi) 用極高。為此，只有當(dāng)設(shè)計(jì)高參數(shù)、重要的容 器時(shí)，才采用這種方法。對(duì)于大量的常規(guī)壓力容器而言，長(zhǎng)期實(shí)踐證明采用簡(jiǎn)單易行的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法完全可以 滿足壓力容器的安全要求，如采用詳細(xì)的應(yīng)力 分析，雖然可節(jié)省部分鋼材，但卻大大提高了 設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用，在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。所以 ASME規(guī)范同時(shí)規(guī)定了上述2種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，我 國(guó)也頒布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB4732- 95,供用戶根據(jù)不同情況進(jìn)行選擇， 這種辦法顯