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文檔簡介

1、壓力容器地強度與設計江蘇省壓力容器檢驗員培訓考核班專題講座)董金善南京工業(yè)大學過程裝備研究所第一節(jié)概述一、容器地結(jié)構在工廠中可以看到許多設備.在這些設備中,有地用來儲存物料,如各 種儲罐、計量罐;有地進行熱量交換,如各種換熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、 結(jié)晶器等;有地用來進行化學反應,如反應釜、聚合釜、發(fā)酵罐、合成塔 等.這些設備雖然尺寸大小不一,形狀結(jié)構不同,內(nèi)部構件地型式更是多種 多樣,但是它們都有一個外殼,這個外殼就叫作容器.容器一般是由筒體 圓筒)、封頭 端蓋)、法蘭、支座、接管、人 孔手孔)、視鏡、安全附件等組成 2. 國家質(zhì)量技術監(jiān)督局壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程(19993. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢

2、驗檢疫總局特種設備行政許可工作程序(20034. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備行政許可實施辦法(20035. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備行政許可分級實施范圍(20036. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理辦法(20037. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器制造許可工作程序(20038. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器制造許可條件(20039. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器產(chǎn)品安全性能監(jiān)督檢驗 規(guī)則(200310. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局壓力容器壓力管道設計單位資格許可 與管理規(guī)則(200211. GB150- 1998鋼制壓力容器12. GB151

3、- 1999管殼式換熱器13. JB/T4735- 1997鋼制焊接常壓容器14. JB4710-1992鋼制塔式容器15. JB4731XXXX鋼制臥式容器16. HG/T20569-1994機械攪拌設備17. GB12337- 1998鋼制球形儲罐18. GB16749- 1997壓力容器波形膨脹節(jié)19. JB4732-1994鋼制壓力容器分析設計標準20. HG20580- 1998鋼制化工容器設計基礎規(guī)定21. HG20581- 1998鋼制化工容器材料選用規(guī)定22. HG20582- 1998鋼制化工容器強度計算規(guī)定23. HG20583- 1998鋼制化工容器結(jié)構設計規(guī)定24. H

4、G20584- 1998鋼制化工容器制造技術要求25. HG20585- 1998鋼制低溫壓力容器技術規(guī)定26. HG20531- 1993鑄鋼、鑄鐵容器27. JB/T4734-2002鋁制焊接容器28. JB/T4745-2002鈦制焊接容器29. GB/T15386-1994空冷式換熱器30. GB16409- 1996板式換熱器31. HG/T2650- 1995鋼制管式換熱器32. GB5842- 1996液化石油氣鋼瓶33. JB/T4750-2003制冷裝置用壓力容器34. JB/T6539-1992微型空氣壓縮機用鋼制壓力容器35. JB8701 1998制冷用板式換熱器36.

5、 JB/T4751 2003螺旋板式換熱器37. GB18442-2001低溫絕熱壓力容器38. GB12130- 1995醫(yī)用高壓氧艙39. GB9019-1988壓力容器公稱直徑40. JB/T47004707 2000壓力容器法蘭41. H320592206352009鋼制管法蘭、墊片、緊固件42. GB/T91129124 2000鋼制管法蘭43. JB/T7490 1994管路法蘭及墊片44. JB/T4746-2002鋼制壓力容器用封頭45. JB/T4736-2002補強圈46. HGJ527-1990補強管47. JB/T4712- 1992鞍式支座48. JB/T4713-2

6、007腿式支座49. JB/T4724- 1992支承式支座50. JB/T4725- 1992耳式支座51. GB16749- 1997波形膨脹節(jié)52. HG501502-1986壓力容器視鏡53. H32158A 21591- 1995玻璃板液面計54. HG21592- 95玻璃管液面計55. HG/T21584- 95磁性液面計56. HG2151Q 21527 1995碳鋼、低合金鋼人孔57. HG2152A 21535- 1995碳鋼、低合金鋼人孔58. HGJ504509 1986不銹鋼人孔59. HGJ51g 513 1986不銹鋼手孔60. H32153Z 1992填料箱61

7、. HG2157卜21572- 1995機械密封62. H32156A 21569- 1995攪拌傳動裝置63. H35 2202221965攪拌器64. HG/T21574-1994設備吊耳65. GB41-1986I型六角螺母C級66. GB6170- 1986I型六角螺母A和B級67. GB5780-1986六角頭螺栓C級68. GB5782- 1986六角頭螺栓A和B級69. JB/T4714- 1992浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)70. JB/T4715-1992固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)71. JB/T4716- 1992立式熱虹吸式重沸器型式與基本參數(shù)72. JB/T4

8、717- 1992U型管式換熱器型式與基本參數(shù)73. HG2150” 1992鋼制固定式薄管板列管換熱器74. GB567- 1989拱形金屬爆破片形式與參數(shù)75. GB/T14566-93正形金屬爆破片形式與參數(shù)76. GB/T14567-93反形金屬爆破片形式與參數(shù)77. GB/T14568-93開縫形金屬爆破片形式與參數(shù)78. HG/T206682000化工設備設計文件編制規(guī)定79. TCED41002-2000化工設備圖樣技術要求80. GB6654- 1996壓力容器用鋼板81. GB713 1986鍋爐用碳素鋼和低合金鋼板82. GB3531-1996低溫壓力容器用低合金鋼鋼板83

9、. GB4237 1992不銹鋼熱軋鋼板84. GB8165- 1987不銹鋼復合鋼板85. GB8163- 1999輸送流體用無縫鋼管86. GB9948- 1988石油裂化用無縫鋼管87. GB6479- 1986化肥設備用高壓無縫鋼管88. GB5310- 1995高壓鍋爐用無縫鋼管89. GB/T14976-94流體輸送不銹鋼無縫鋼管90. GB13296- 91鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管91. JB4726- 2000壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件92. JB4727 2000低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件93. JB4728- 2000壓力容器不銹鋼鍛件94. GB/T98

10、3 - 1995不銹鋼焊條95. GB/T5117- 1995碳鋼焊條96. GB/T5118- 1995低合金鋼焊條97. GB5293-1985碳素鋼埋弧焊用焊劑98. GB12470- 1990低合金鋼埋弧焊用焊劑99. GB/T14957-1994熔化焊用鋼絲100. GB/T14958-1994氣體保護焊用鋼絲101. GB/T8110-1995氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲102. JB/T28351979低溫鋼焊條103. JB47082000鋼制壓力容器焊接工藝評定104. JB/T4709 2000鋼制壓力容器焊接規(guī)程105. JB4730-1994壓力容器無損檢測106

11、. JB/T4711 2003壓力容器涂敷與運輸包裝107. JB/T613-1993鍋爐受壓元件焊接技術條件108. HG20660- 2000壓力容器中化學介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分 類109. GB/T18182- 2000金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法 三、壓力容器許可證1 .鍋爐制造許可證級別制造鍋爐范圍發(fā)證部門A不限質(zhì)檢總局B額定蒸汽壓力w 2.5MPa地蒸汽鍋爐;有機熱載體爐質(zhì)檢總局C額定蒸汽壓力w 0.8MPa且額定蒸發(fā)量w 1t/h地蒸汽鍋爐;額定出水溫度120C地熱水鍋爐;有機熱載體爐質(zhì)檢總局D額定烝汽壓力w 0.1 MPa地烝汽鍋爐;額定出水溫度120C且額定熱功

12、率w 2.8MW地熱水鍋爐省技術監(jiān)督局2 .壓力容器制造許可證類別級另ij制造壓力容器范圍)發(fā)證部門AA1:超高壓容器、高壓容器A2:三類低壓容器、中壓容器A3:球形儲罐現(xiàn)場組焊或球殼板制造A4:非金屬壓力容器A5:醫(yī)用氧艙質(zhì)檢總局BB1:無縫氣瓶B2:焊接氣瓶乙快氣瓶,液化石油氣鋼瓶)B3:特種氣瓶 低溫氣瓶,機動車用氣瓶)質(zhì)檢總局CC1:鐵路罐車C2:汽車罐車或長管拖車C3:罐式集裝箱質(zhì)檢總局DD1: A類壓力容器D2:第二類低、中壓容器省技術監(jiān)督局3 .壓力容器設計許可證類別級另i制造壓力容器范圍)發(fā)證部門AA1:超高壓容器、高壓容器A2:三類低壓容器、中壓容器A3:球形儲罐現(xiàn)場組焊或球

13、殼板制造A4:非金屬壓力容器質(zhì)檢總局CC1:鐵路罐車C2:汽車罐車或長管拖車C3:罐式集裝箱質(zhì)檢總局DD1: A類壓力容器D2:第二類低、中壓容器省技術監(jiān)督局SAD壓力容器分析設計質(zhì)檢總局 鍋爐設計圖紙由省級交由被核準地檢驗檢測機構鑒定;氣瓶B類)、氧艙設計圖紙由總局核準地檢驗檢測機構鑒定;客運索道、大型友游樂設施設計圖紙由總局核準地檢驗檢測機構鑒定4 .壓力管道設計許可證類別級別發(fā)證部門長輸管道GA)GA1GA2質(zhì)檢總局公用管道GB)GB1GB2省技術監(jiān)督局工業(yè)管道GC)GC1質(zhì)檢總局GC2省技術監(jiān)督局第二節(jié)壓力容器應力分析一、無力矩理論1無力矩理論鍋爐壓力容器地主要承壓結(jié)構是殼體,而殼體是

14、兩個近距同形曲面圍 成地結(jié)構.兩曲面地垂直距離叫殼體地厚度,平分殼體厚度地曲面叫殼體 地中間面.殼體地幾何形狀可由中間面形狀及殼體厚度確定 .中間面為回轉(zhuǎn)曲面地殼體叫回轉(zhuǎn)殼體.圓筒殼、圓錐殼、球殼、橢球殼等 都是回轉(zhuǎn)殼體.當回轉(zhuǎn)殼體地 外徑與內(nèi)徑之比可W1.2時,稱為薄壁回轉(zhuǎn) 殼體,簡稱回轉(zhuǎn)薄殼;當習1.2時,稱為厚壁回轉(zhuǎn)殼體.當然,這種區(qū)分 是相對地,薄殼與厚殼并沒有嚴格地界限.壓力容器中地回轉(zhuǎn)殼體,其幾何形狀及壓力載荷均是軸對稱地,相應壓力 載荷下地應力應變也是軸對稱分布地.對于回轉(zhuǎn)薄殼,認為其承壓后地變 形與氣球充氣時地情況相似,其內(nèi)力與應力是張力,沿殼體厚度均勻分布, 呈二向應力狀態(tài),

15、殼壁中沒有彎矩及彎曲應力.這種分析與處理回轉(zhuǎn)薄殼 地理論叫無力矩理論或薄膜理論.無力矩理論是一種近似分析及簡化計算理論,在鍋爐及一般壓力容器應力 分析和強度計算中得到廣泛應用,具有足夠地精確度.嚴格來說,任何回轉(zhuǎn) 殼體都具有一定壁厚,承壓后其應力沿壁厚并不均勻分布,殼體中因曲率 變化也有一定地彎矩及彎曲應力,當殼體較厚且需精確分析時,應采用厚 壁理論及有矩理論處理.2薄膜方程按無矩理論對回轉(zhuǎn)薄殼進行應力分析時,因為應力沿壁厚均布,常將殼體 應力簡化到中間面上分析.如圖2 1所示,殼體中間面由平面曲線 AB繞 同一平面內(nèi)回轉(zhuǎn)軸 OA旋轉(zhuǎn)一周而成.通過回轉(zhuǎn)軸地平間面與回轉(zhuǎn)面地交 線叫經(jīng)線;作圓錐面

16、與殼體中間面正交,所得交線叫緯線.經(jīng)線方向存在 經(jīng)向應力,以回表示;緯線方向存在環(huán)向應力或周向應力,以用表示. 經(jīng)向應力可用下述正交截面法求得.如圖2- 2所示,用一與回轉(zhuǎn)殼體表面正交 垂直)地圓錐面將殼體分成兩 部分,考慮其中一部分在Y方向地受力平衡,則有:式中: 內(nèi)壓力;垂直于殼體軸線地圓截面地平均半徑;n 經(jīng)向應力;殼體在被圓錐面截開部分地厚度;圓錐面地半頂角從而有:AC I 21)區(qū)域平衡方程殼體曲面在緯線上地主曲率半徑,或緯線曲率半徑 第二曲率半徑).回轉(zhuǎn)殼體中地環(huán)向應力,作用在殼體地徑向截面內(nèi).但在徑向截面地不同 緯線上,環(huán)向應力并不相同,因而無法用徑向截面法求解環(huán)向應力,而只能

17、用微元法,通過分析微元體地受力平衡求解.如圖2-3所示,用兩個相近地徑向平面及兩個相近地與經(jīng)線正交地圓錐面在回轉(zhuǎn)殼體上截取微元體.設:習為微元體上地經(jīng)向應力,作用在上下兩個周 緯)向圓錐截面上;21為微元體上地環(huán)向應力,作用在相鄰兩個經(jīng)向截面上;目為殼體厚度;21為微元體沿經(jīng)線地長度;為 微 元 體 沿 環(huán) 向 地國2-3回轉(zhuǎn)克體環(huán)向應力分析談元仲的融般fbjflt光體的逑力(。(t無律法蛾力南的壹力苧場21為微元體緯線曲率半徑;四為微元體經(jīng)線曲率半徑;國為兩經(jīng)向截面地夾角;凹為兩圓錐截面地夾角.考慮微元體曲面法線方向地受力平衡,可有:因國及日都很小,所以有:整理得:中 微體平衡方程)2-2

18、)式2l)和式22)是求解薄壁回轉(zhuǎn)殼體在內(nèi)壓作用下應力地基 本公式.簡稱薄膜方程.二、回轉(zhuǎn)薄殼地薄膜應力鍋爐和壓力容器回轉(zhuǎn)薄殼地應力,都可用薄膜方程求解.由薄膜方程求 得地應力叫薄殼地薄膜應力.一)圓筒殼圓筒殼地中間面是一條直線圍繞與之相平行地另一條直線旋轉(zhuǎn)一周形 成地.對圓筒殼來說,其緯線曲率半徑圓筒平均半徑);經(jīng)線是直線,其曲 率半徑為無窮大.由式2 2)可得:3曰 2-3)由式2 l )可得:x 2-4)比較式2 3)和式2 4)可知,在薄壁圓筒殼體中,其環(huán)向應力與經(jīng)向應力 軸向應力)和內(nèi)壓、圓筒半徑成正比,和壁厚成反比;且環(huán)向應0=2-4 PS幗形無悻的應力力在數(shù)值上是經(jīng)向應力地兩倍.

19、二)圓錐殼與圓荷殼相似,其經(jīng)線是直線,曲率半徑為無 窮大,緯線是經(jīng)線截錐地母線,緯線曲率半徑是截錐母線長度 隨圓錐經(jīng)線到旋轉(zhuǎn)軸地距離 回而變化 見圖2-4)即日,回日,回為圓錐殼地半頂角,因而有:2-5)ri 2-6)不難看出,圓錐殼上不同點地應力是不同地,從錐頂?shù)藉F底,應力隨習地增 大而增大.錐底地環(huán)向應力是圓錐殼上地最大應力;在圓錐殼確定地一點其環(huán)向應力是經(jīng)向力地2倍;圓錐殼地半頂角對其應力有顯著影響,半頂 角越應圓錐形殼體地應力大,圓錐殼體中地應力越大.三)球殼除球形容器外,某些鍋爐鍋筒及壓力容器地封頭是由半個球殼構成地半球殼與完整地鐵殼在內(nèi)莊作用下地應力狀態(tài)基本是相同地.對球殼來說,其

20、曲面各個方向地曲率半徑都是相同地 ,即為球殼地平均半徑R.因而有:區(qū)| 2-7)即2-8)由式28)可看出球殼內(nèi)地經(jīng)向應力與環(huán)向應力是相等地,如果球 殼與圓筒殼直徑及壁厚相同,且承受同樣地內(nèi)壓,則球殼中地經(jīng)向應力和 環(huán)向應力都等于圓筒殼中地經(jīng)向應力.(2-10日及四地分布如下:在橢圓殼頂點,:有山,則:叵在橢球殼赤道部位,有m ,則:口【X】目地分布情況如圖2-6所示.而當兇時,EED用2-6精球充經(jīng)向雇力%的小布即在橢球殼地極點上,其環(huán)向應力與經(jīng)向應力相等;其大小取決于橢球長 短軸地比值.橢球長短軸地比值越大,極點處地應力數(shù)值也越大.當叵時,此時2J地大小和正負取決于橢球長短軸地比值:如果乒

21、1 ,即回如果 ,即 _如果 I ,即d為正值;d為零;臼為負值 壓縮應力);環(huán)向應力地分布如圖2-7所示.圖2-3 振鹿桶球射曼底力分布圖2-7槌球殼環(huán)內(nèi)應力小的分布鍋爐壓力容器上所用地橢圓封頭一般是標準橢球封頭 封頭.對于標準橢球封頭:頂點部位:2-11 )赤道部位:x 2-12)卜”2-13)其應力分布如圖28所示.用標準橢球封頭與半徑等于其長半軸國地圓筒殼比較,如果二者有相 同地壁厚并承受同樣內(nèi)壓,則封頭赤道上地環(huán)向應力與圓筒殼上地環(huán)向應 力大小相等,方向相反;封頭赤道上地經(jīng)向應力與圓筒殼上地經(jīng)向應力大 小相等,方向相同;封頭極點處應力 1平板在內(nèi)壓作用下地內(nèi)力及變形情況,與梁承受橫向

22、均布載荷時地內(nèi) 力及變形情況在本質(zhì)上是相同地,兩者都產(chǎn)生彎曲變形,內(nèi)力是彎矩及剪 力,但梁地橫向尺寸比梁地長度小得多,故受橫向載荷后只是沿長度在載 荷作用方向發(fā)生彎曲變形;平板則具有一定地長度和寬度,長寬都比其厚 度大得多.在橫向載荷作用下,在平板地長度方向、寬度方向及平板平面 內(nèi)地其他各個方向,都產(chǎn)生彎曲變形,即產(chǎn)生面地彎曲.面地彎曲可以用兩 個互相垂直方向地彎曲來描述,常簡稱為雙向彎曲.平板產(chǎn)生雙向彎曲時,彎曲應力沿板厚地分布仍然是線性地,即只隨 離中性軸地距離區(qū)發(fā)生變化,公式仍然成立.但此處彎矩兇及慣性矩日與梁地情況不同.鍋爐壓力容器地平封頭、平端蓋、人孔蓋、手孔蓋都是承受內(nèi)壓地 平板,

23、而且大多數(shù)是圓平板.因為承受均勻分布地內(nèi)壓,國平板地內(nèi)力及變 形都對稱于過平板中心而垂直于平板面地 區(qū)軸,如圖2-9所示.以柱坐標 系分析圓平板地雙向彎曲,設微元體上環(huán)向彎矩為 臼,徑向彎矩為回,徑 向剪力為J.則可通過彎曲后地撓度求解彎曲內(nèi)力和應力.圖2-9闞平板彎曲時的受力情況2撓度微分方程及其求解彈性力學關于小撓度薄板地分析表明,圓平板某點在內(nèi)壓作用下地彎矩,取決于圓平板在該點地撓度回:式中:一圓平板中某點承受內(nèi)壓后地撓度. 該點離圓平板中心地徑向距離;-材料地泊松比;圓平板板條地抗彎剛度,N - mm, 日,這里同是材料彈性模量,因是圓平板厚度.而圓平板地撓度兇取決于壓力載荷與自身抗彎

24、剛度上式為圓平板承受均布橫向載荷時地撓度微分方程式對無孔圓平板,在板中心處撓度最大.但此處山,相應于山地山是 無意義,所以日,從而有:式3-14)中地習及回,可根據(jù)圓平板周界地支承條件決定.3周邊錢 簡)支圓平板圓平板地周邊是連接在圓筒體上地.圓筒體對圓平板周邊地約束情況 由二者地相對剛度來決定、當圓筒體地壁厚比圓平板地壁厚小很多時,圓筒體只能限制圓平板在圓筒體軸線方向地位移,而對圓平板在連接處地轉(zhuǎn) 動約束不大,這樣地約束可簡化成較支地圓平板.設較支圓平板地半徑為巳則有:2-15解得:經(jīng)計算整理,得圓平板徑向及環(huán)向彎矩為:2-162-17因為回及回是截面中單位寬度上地彎矩,在計算彎曲應力時必須

25、采 用截面單位寬度上地慣性矩.相應于I1及臼,截面單位寬度地慣性矩為 臼,因此圓平板內(nèi)某點地徑向彎曲應力及環(huán)向彎曲應力分別為:2-182-19最大應力產(chǎn)生于圓平板中心 山)地表面,分別為:2-20 )和梁彎曲時一樣,圓平板雙向彎曲時,以中性面為分界面,沿厚度上下兩 半部分地應力正負符號是相反地.為簡化起見,上列各應力計算公式僅表示 圓平板受拉表面地應力.較支圓平板彎矩及表面彎曲應力地分布如圖2-10所示.耶十內(nèi)肥圖210皎支畫平板耳寤及表面應力的分布4周邊固支圓平板如果與圓平板連接地筒體壁厚很厚,筒體不僅限制了原平板周邊 沿筒體軸向地位移,而且限制了原平板在連接處地轉(zhuǎn)動,則可把筒體 對圓平板周

26、邊地約束情況簡化為固支.固支圓平板地邊界條件為:,叵2-22相應地彎矩方程式2-24圓平板上下表面 1)處任一點地徑向彎曲應力及環(huán)向彎曲應力分別2-25為:最大彎曲應力為原平板邊緣表面地徑向彎曲應力,即:固支圓平板彎矩及表面彎曲應力沿半徑地分布如圖2-11所示.IU2- II固支圄平板號違及表間胃曲應力的分布(2-38(2-39(2-39以上各式中,日為橢球封頭長短軸直徑之比.日,習隨習地變化趨勢如圖2-14所示. 邊界應力變化趨勢)匚)連接處 內(nèi)力及應力 a 1)因為連接處彎矩等于零,因而沒有相應地附加彎曲應力.連接處地徑向剪力 回在連接處橫截面上引起剪應力,平均剪應力為:連接處附加環(huán)向力日

27、在連接處造成附加環(huán)向應力:由式239)及式240)可知,日和H都是隨凹地增加而減小地, 連接處地目及可是最大剪力及最大環(huán)向力,因而H ,- I .因為兇地絕對數(shù)值較小,可忽略不計.因而連接處地主要附加應力是 環(huán)向附加應力 .連接處總地應力應是內(nèi)壓引起地薄膜應力與附加應力 地代數(shù)和:3二)附加彎矩最大截面地內(nèi)力和應力國,回 地值隨國而變化.當,或者 I取 二|以下同)時,國達到最大值,相應地附加軸向彎曲應力為:在同一,位置,口,其數(shù)值為:在附加彎矩最大地截面上,徑向剪力習減小為零,附加環(huán)向力為:由附加環(huán)向力引起地附加環(huán)向應力為:作用于該截面內(nèi)某點地總應力為內(nèi)壓造成地薄膜應力及附加應力之 和.對于

28、標準橢圓球封頭相連地圓筒,內(nèi)壁處最大地環(huán)向總應力為: 內(nèi)外壁面處地軸向總應力分別為:I 五、對圓筒殼邊界效應地結(jié)論1 .圓筒殼地邊界效應是圓筒殼與相連元件承載后變形不一致,互相制 約而產(chǎn)生附加內(nèi)力和應力地現(xiàn)象.在下列情況下均會產(chǎn)生邊界效應及不 連續(xù)應力:結(jié)構幾何形狀突變;同形狀結(jié)構厚度突變;同形同厚結(jié)構材料突變.在分析元件應力狀態(tài)時,必須有邊界效應和邊界應力 地基本概念.2 .邊界應力,自連接處起沿圓筒殼軸向迅速衰減,其影響范圍僅在兩元 件地連接邊界附近.計算表明,當 三或日 時,截面中國等附加內(nèi)力 已衰減到邊界上相應內(nèi)力地5%以下.因此常把I 地區(qū)域視為邊界效應地影響區(qū)域.一般鋼材 1I ,

29、因回決定了邊界效應區(qū)域 回地大小及衰減快慢,故稱之為邊界效應衰減系數(shù).3 .邊界效應中地主要附加內(nèi)力是軸向附加彎矩和周向附加力 .軸向附 加彎矩引起地附加彎曲應力沿壁厚呈線性分布,在內(nèi)外壁面分別為拉伸應 力或壓縮應力.拉伸應力與軸向薄膜應力疊加而使總地軸向應力加大;周 向附加力引起地周向附加應力是壓縮應力,可以抵消一部分周向薄膜應力, 降低邊界附近總地周向應力水平.4 .凸形封頭與圓筒殼相連時,邊界處地不連續(xù)應力很小,通??梢圆挥?考慮;厚圓平板與圓筒殼連接時,邊界處地不連續(xù)應力較大.在結(jié)構設計中, 考慮邊界效應,應盡量采用凸形封頭而少用平板封頭.采用平板封頭時,要 考慮采用相應地結(jié)構及工藝措

30、施,以充分保證構件地安全.六、應力分類前面介紹了在內(nèi)壓等作用下元件內(nèi)產(chǎn)生地一些應力 ,實際壓力容器元 件中地應力還不止這些,比如,元件因熱脹冷縮約束所產(chǎn)生地 熱應力;元 件自重、內(nèi)部介質(zhì)重量等會在元件內(nèi)引起 彎曲應力或拉伸 壓縮)應 力;支座反力會在元件被支撐部位造成 局部應力;立式容器受風會引起 附加彎曲應力;冷熱加工變形會在金屬內(nèi)產(chǎn)生加工 殘余應力;等等.這 些應力,有地數(shù)值較大,有地較小;有地沿元件壁厚均勻分布 薄膜應力) 有地沿壁厚不均勻分布 彎曲應力);有地發(fā)生在大面積范圍內(nèi),有地僅 出現(xiàn)于元件地局部區(qū)域.它們對元件安全地影響也各不相同.研究應力地目地是為了控制應力,保證元件有足夠地

31、強度.長期以來,因為對上述各種應力對元件強度地影響缺乏精確地了解,加上計算比較困難.因而在鍋爐壓力容器受壓元件強度設計中,僅根據(jù)內(nèi)壓引起地元件大面積上地平均應力進行強度計算.通過采用一定地安全 系數(shù)來保證元件地安全.這就是按規(guī)則設計地原則或常規(guī)強度設計準則.1968 年美國提出了一種按應力分類進行強度設計計算地方法,對世界各國鍋爐壓力容器強度設計產(chǎn)生了重要地影響.我國在按規(guī)則設計規(guī)范 進行鍋爐壓力容器常規(guī)強度設計時,已經(jīng)考慮和適當采用了應力分類地觀 點和原則,從而減少了設計地盲目性,增加了設計地可靠性.在鍋爐壓力容 器安全評定及事故分析中,也經(jīng)常采用應力分類地觀點和方法,并頒布了 我國地按應力

32、分類進行設計地壓力容器設計標準JB 4732鋼制壓力容一一分析設計標準).受壓元件中地應力可分為一次應力二次應力及峰值應力等 .一)、一次應力一次應力也叫直接應力,是由外載內(nèi)壓)引起并與外載平衡地應力. 一次應力又分為一次薄膜應力、局部薄膜應力及一次彎曲應力等種.1 一次薄膜應力一次薄膜應力是由外載 介質(zhì)壓力)引起地且與外載相平衡地筒壁應 力平均值.例如,圓筒形殼體、球形封頭、橢球形封頭上沿壁厚平均地環(huán) 向應力 周向應力)、經(jīng)向應力 軸向應力)等都屬于一次薄膜應力.一次 薄膜應力常簡稱為薄膜應力.隨著介質(zhì)壓力地增加,薄膜應力相應升高.當壓力達到一定值時,元件 內(nèi)將出現(xiàn)大面積塑性變形,使材料性能

33、變壞一一抗腐蝕能力、塑性、韌性 及熱強性能下降;進一步增加壓力,最終將導致元件破裂.這種薄膜應力 對元件強度地影響最大,因而用基本計算公式加以控制.一次薄膜應力地當量應力應滿足:日2-45)2局部薄膜應力局部薄膜應力是由外載及邊界效應引起地沿截面厚度地應力平均值.例如,支座或接管與殼體地連接部位沿殼體壁厚平均地周向應力及經(jīng)向 應力均屬于局部薄膜應力.因為周圍部位地約束,局部薄膜應力難以引起大量塑性變形或破壞 . 只有局部薄膜應力過大,使周圍部位明顯變形時,才可能引起破壞.故局部 薄膜應力對強度地影響較一次薄膜應力為小 ,因而對其限制可適當放寬. 一般規(guī)定局部薄膜應力地當量應力應滿足:2-46)對鍋爐壓力容器元件地局部

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