接管弯矩作用下容器极限载荷研究

圆柱形壳体开孔接管是压力容器及管道连接中 最常见的结构之一。该接管承受的载荷可能为内压 或接管外载荷， 如接管轴向推力、 平面内 （纵向） 弯矩 及平面外 （横向） 弯矩等， 或是它们的组合。 美国焊接研究委员会公报 =()*"/ 介绍了由局 部外载荷引起的容器中局部应力的计算方法
［*］
［!］ 被广泛采用 。自从 5NBDAQL 提出理想的极限载荷 ［$］ 与工程塑性破坏载荷的差异以后 ， 对结构的极限
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图’
试验设备极限弯矩 （载荷1位移曲线）
注： $）由测点 $ 及测点 ( 处极限载荷的平均值。
第$期
桑芝富， 等： 接管弯矩作用下容器极限载荷研究
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致。#无论是载荷&位移曲线， 还是载荷&应变曲线， 试验法和数值模拟结果基本吻合。$由图 $ 可以看 出， 在接管弯矩作用下， 接管向弯矩作用的方向产生 弯曲变形， 其变形特征类似于悬臂梁的弯曲。对于 筒体， 在弯矩作用方向上产生一受压缩区域， 向筒体 内侧方向凹进。而在其相反的方向， 筒体产生一受 拉伸的区域， 筒体向外侧凸出。接管沿弯矩作用方
第 $* 卷 第 1 期 !""! 年 + 月 （!""!） 文章编号：*"""#/,00 "1#""",#",
石 油 化 工 设 备 &.3(\#)>.?O)-Y .4JO&?.63
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接管弯矩作用下容器极限载荷研究
桑芝富* ，王
（*2 南京工业大学机械工程学院，江苏 南京
（ /） $ 号设备
值模拟极限载荷比较见表 ’。
表% 极限载荷比较 ・ !" #
试验极限载荷 设备号 由载荷1 位移曲线 ! 29 $ （0） % 号设备 % ’.$( ! 2! ’.-由载荷1 应变曲线$） ! 29 &.,( — ! 2! &.,( —
数值模拟极限载荷 由载荷1 位移曲线 ! 29 ’.*! 2! &.)由载荷1 应变曲线$） ! 29 ’.’— ! 2! ’.-( —
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辉* ，马振明!
!"",$%）
!*"""+；!2 公安部上海消防科学研究所，上海
摘要：对圆柱形容器在接管外载荷作用下的塑性极限载荷进行了研究。用 ! 台容器进行试验， 并 将试验结果与三维有限元数值模拟结果进行比较。研究表明上述 ! 种方法获得的接管塑性极限载 荷基本一致， 均可用于确定设备接管的塑性极限外载荷， 并进行极限设计。 关 键 词：压力容器； 接管外载荷； 极限弯矩； 试验研究； 数值模拟 文献标识码：!"#$% &’ ()*)" *&*+," &’ ,&--(+ ), .%(),$/).0( 1+22+(2
（(） 接管焊缝
应变值及接管端部的位移值。 !"$
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图&
容器外形结构及接管焊缝区局部结构 表! 试验设备结构尺寸
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试验结果
将各载荷步下所测定的应变值及接管端部的位 移值 绘 制 成 相 应 的 载 荷%应 变 曲 线 或 载 荷%位 移 曲 线， 然后分别采用不同的极限载荷法则， 可获得试验 设备接管的塑性极限弯矩。 图 / 为 & 号试验设备开孔接管区具有最大应变 值的第 & 和第 ! 测点的载荷%应变曲线及其相应的 极限载荷值。图 . 分别为 & 号和 $ 号试验设备的载 荷与接管端部的位移曲线及其相应的极限载荷值。 # 数值模拟 分别按试验时的载荷及加载方法， 采用 <FGHG 仿真软件对 $ 台试验设备结构的弹性及弹%塑性过 程进行了三维数值模拟。
筒体封头 &1389 1,! ./! $#0,
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加载号 载荷 $ 号设备 % 号设备 加载号 $ -.%*-.+&& $% -.(($.))) $$ & -.+%%.’’, $%
试验时的加载步载荷
分析受到工程界的重视， .EEN:A 等对 1 根三通接管进 ［,］ 行了弹#塑性特征和塑性极限载荷的研究 。在大 量试验研究的基础上， -5?. 锅炉压力容器规范提 出设计载荷不得超过极限载荷下限值的 ! [ $。因此 在极限设计中， 如何确定结构的极限载荷对工程设
， 公
报 =()!+/ 补充了接管中局部应力的计算方法， 已
接管端部的位移值采用南京传感器厂生产的 A:B;%! 型差动式位移传感器进行测量。加载时将 试验设备安装在专用的加载架上， 采用 /, C 分离式 液压千斤顶将载荷施加于接管端部的加载耳上， 力 的测量采用 DA9%& 型 &! C 拉压传感器并由 4E$11 型 直流数字电压表显示。在试验过程中， 载荷以一定 的增量逐步增加， 直到最后产生较大的塑性变形而 破坏。按表 / 所示的载荷增量加载并记录各测点的
载荷 $ 号设备 % 号设备 %.*’+.&&&.-%,.$)&a;%, &.+’$$.’,( ’.$%$%.’,( ’.&,$%.+%+ ’.))— ’.,’—
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应力和变形
・#， $ 号设备承受纵向接管弯矩 ! 2 3 ’.,’ !" % ・# 时， 试 号设备承受横向接管弯矩 ! 4 3 $%.+%+ !" 验设备的局部变形及应力分布见图 (。
设备号 & $
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表#
部件名称 材料
试验设备材料及性能
拉伸试验 冲击试验 缺口型式 试验温度#6 + 7 $$ : 室温 $. $1 &,,
!2 + 34’ !5 + 34’ "!
试验设备是 $ 台具有不同 ! " # 的容器， 由筒 体、 封头、 接管及用于固定的法兰等部件组成。结构 及尺寸见图 &’ 和表 &。 为了增加开孔接管的极限承载能力， 采用具有 内侧填角焊缝的内伸式接管， 见图 &(。$ 台试验设 备主要部件的材料及性能见表 $。
图 $ & 号设备电阻片布片图
（ ’） 结构外形
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试验方法及过程
。
文中采用试验法及三维有限元数值模拟对 $ 台 具有不同 ! " # 的带接管容器通过载荷%应变以及载 荷%位移曲线， 确定了其接管的极限弯矩， 并进行了 分析比较。 ! !"! 试验研究
试验设备
& 号试验设备采用 $ 种方法： ! 用电阻应变测 量法测量接管与筒体连接区的弹%塑性应变值， 根据 载荷%应变曲线按双切线及两倍弹性模量法确定其 极限载荷。"采用位移测量法测量接管最外端的位 移值， 再由载荷%位移曲线按上述同样方法确定其极 限载荷。对 $ 号试验设备， 仅采用第二种方法。 采用 ;<&$,%!<<=&!> 大应变电阻片进行电阻 应变测量。根据载荷及试验设备的结构特点， 分别 在筒体的内外表面及接管外表面布置电阻应变片， 并采用 , " ?,@直角应变花。& 号设备接管部位的电 阻片布置见图 $。
中图分类号： 34 "1$2!
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