压力容器应力分析设计方法的进展和评述通用版

安全管理编号：YTO-FS-PD389

压力容器应力分析设计方法的进展和

评述通用版

In The Production, The Safety And Health Of Workers, The Production And Labor Process And The Various Measures T aken And All Activities Engaged In The Management, So That The Normal Production Activities.

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Authoritative And Practical Standards

压力容器应力分析设计方法的进展

和评述通用版

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压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。

压力容器概述

1.1.概念

所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。

1.2.用途

压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、

燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。

分析设计方法

在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是:

2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。

2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。

2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。

2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的

水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为:

2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。

2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。

随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。

应力分类法

3.1.应力分类法是当今分析设计的主流方法

应力分类法有如下优点:

3.1.1.简单。采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。应力评定时直接给出各类等效应力的许用值,因而应力分类后的强度校核与常规设计类似。

3.1.2.通用。采用有限元软件可以对任何结构形状

和载荷工况进行弹性应力分析。 3.1.3.保守。各类应力的许用极限“已经设定在保守的水平上”,因此总体上是一种偏保守的设计方法。

3.1.

4.成熟。自1965年在ASME第Ⅲ卷正式颁发以来已经应用了49年,已被世界各国普遍采用,并公认为先进的压力容器设计方法。正是因为这些优点,应力分类法仍然是当今压力容器分析设计的主流方法。虽然ASME新版和欧盟标准都扩充了基于弹塑性分析的新方法,但都并列地推荐了应力分类法,而不是“不推荐采用基于应力分类的分析设计方法”。

目前在工程上真正应用ASME新版进行设计的实例尚未见报道,由于基础数据的缺乏和对新的设计方法没有研究清楚,国际上的知名工程公司均不允许在工程上直接采用ASME新版,仍然沿用ASME老版进行设计。

3.2.用于应力分类的等效线性化处理方法

ASME新版和欧盟标准EN在全面继承应力分类法的基本思想和基本规则的同时,还对其实施方法作出了如下关键性的增补:

3.2.1.把经济、有效且已被工程界广泛采用的数值(有限元)分析方法作为分析设计的主要手段引入应力分类法,并规范了具体实施步骤。

3.2.2.明确肯定了有限元计算结果的等效线性化处

理方法,用较多的篇幅给出了详细论述。

关于线性化处理得到的非线性应力是否是峰值应力的问题,ASME新版中明确表示“应力分量沿贯穿壁厚的应力分类线(SCL)积分,以确定薄膜和弯曲应力分量。峰值应力分量可以直接利用本方法通过将总应力分布减去薄膜加弯曲应力分布而得到”。

分析设计中应力分类及其应用

压力容器在外载荷作用下,满足了平衡条件与变形协调条件后,容器各个部件中的应力按其性质分为以下三类:

4.1.一次应力

一次应力是因外载荷作用而在容器部件中产生的正应力或剪应力。它没有“自限性”,它的基本特点是当它超过材料屈服极限时将产生过渡的变形而破坏。一次应力又分总体薄膜应力、一次弯曲应力和局部薄膜应力。例如承受内压圆筒的器壁中的环向应力即为总体薄膜应力;平封头或顶盖中央部分在内压作用下产生的应力即为一次弯曲应力;壳体在固定支座或接管处由外载荷和力矩产生的应力为局部薄膜应力。

4.2.二次应力

二次应力是由于容器部件的自身约束或相邻部件的约束而产生的正应力或剪应力。它的基本特点具有“自限性”,即局部屈服和小量变形就会使约束缓和、变形协调,只

要不反复加载,二次应力不会引起容器结构破坏。

4.3.峰值应力

峰值应力是因局部结构不连续或形状突变引起的局部应力集中,它具有最高的应力值。它的基本特点具有“自限性”和“局部性”,峰值应力不会引起容器明显的变形。

总而言之，在压力容器得到了广泛使用的同时，我们要更加重视对其进行分析，深入分析其设计过程中需要注意的问题，以不断提高压力容器应力分析设计的水平。

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