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局部应力修改
目 录
一、概述 2
二、局部应力与改正措施 3
2.1 封头与筒体的连接 3
2.2 容器开孔附近的应力集中 4
2.2.1开孔接管局部应力概述 4
2.2.2开孔接管时的应力集中 5
2.2.3结论 6
2.3 支座处的局部应力与补强措施 6
2.3.1 立式容器的支座 6
2.3.2 卧式容器支座 7
2.4 减少附件传递的局部载荷 8
三、计算局部应力的方法 8
3.1 应力集中系数法 8
3.2经验公式法 9
3.3 数值计算 9
3.4应力测试 10
四、学习体会 10
一、概述
除受到介质压力作用外,过程设备还承受通过接管或者其他附件传递来的局部载荷,如设备的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等。这些载荷通常仅对附件及设备连接的局部区域产生影响。此外,在压力作用下,压力容器材料或结构不连续处,如截面尺寸、几何形状突变区域、两种不同的材料连接处等,也会在局部区域产生附加应力。上述两种情况下产生的应力,均称为局部应力。
局部应力会影响结构部件的强度和安全,但其影响程度还与其它因素有关。
对低碳钢等塑性较好的材料,当承受稳定压力或重复次数很少的载荷时,锅炉、压力容器结构部件的局部应力对安全影响甚小。因为高应力部位材料发生屈服时,应力向附近的材料纤维中转移,局部的变形不协调及高应力得以缓解,只要结构大面积上的应力仍处于弹性状态,局部应力过高就不会直接导致结构破坏。
对脆性材料或因温度过低、结构尺寸过大等因素处于脆性状态的材料,局部应力是影响结构强度与安全的基本因素。过高的局部应力常导致结构上的裂纹等缺陷,而结构破坏常常是过高的局部应力与缺陷共同存在的结果。
当结构部件承受交变载荷时,过高的交变局部应力是产生疲劳微裂纹并使其扩展的基本原因。很多结构常有圆筒接管边缘、管板及温度交变部位产生疲劳开裂的例子。
简言之,局部应力是导致结构脆性破裂和疲劳破裂的重要因素。当结构接触腐蚀性介质时,局部应力也是腐蚀破裂的因索之一。
下面以如图1.1所示的卧式压力容器为例分析其局部应力和对应的降低局部应力的措施
图1.1-1 卧式压力容器
二、局部应力与改正措施
2.1 封头与筒体的连接
压力容器常用的封头有椭圆形封头、球形封头和锥形封头等。在高压容器中多用球形封头。球形封头受力好,其计算壁厚仅为等径圆筒厚度的1/2,并由于球壳比表面积小,为此其材料消耗最省。
且支座与封头连接处产生的应力对筒体和封头连接部位的应力大小和分布影响不大。为改进筒体和风头的盈利状况,可采用一些措施加以改进,如在筒体和封头的连接处设计一个过渡环等。
为减小圆筒端部的边缘应力,GB150-1998 《钢制压力容器》中规定,当圆筒较厚时,应将圆筒端部以不小于1:3的斜度削薄,从受理角度分析,筒体和封头不等厚连接应按规定削薄,否则削薄部分的强度不能满足要求。若筒体与封头采用等厚连接,还不如采用等厚的椭圆形封头,从制造角度来说,标准椭圆形封头比球形封头易于制造且等尺寸等厚度的椭圆形封头比球形封头耗料少。
因此
(1)筒体与封头不等厚焊接连接时,不能将筒体削薄,而只能将连接处的薄板加厚,
俩种过渡的受力为何不同,
一种解释是图2.1-1结构的过渡段属于局部加厚的球壳,受力好。
图2.1-2结构的过渡段属于局部削薄的圆筒,因此受力差。
(2)筒体与封头等厚连接时,最好采用标准椭圆形封头,少采用制造困难的球形封头。
图2.1-1 球形封头与圆筒 图2.1-2 球形封头与圆筒
连接正确的结构形式 连接错误的结构形式
因此
(1)筒体与封头不等厚焊接连接时,不能将筒体削薄,而只能将连接处的薄板加厚,或者采用如图2.1-3所示的法兰连接形式。
(2)筒体与封头等厚连接时,最好采用标准椭圆形封头,少采用制造困难的球形封头。
图2.3 法兰连接
2.2 容器开孔附近的应力集中
2.2.1开孔接管局部应力概述
在压力容器及化工设备设计中,由于工艺及结构上的原因,常需在容器或设备上开孔并安装接管。由于开孔而使器壁被削弱并破坏了原有结构的连续性,因而在开孔接管附近产生了明显的应力集中,加上管道受到外载的作用,如管道和介质的自重、地震引起的惯性力以及风力等等,因而管道将不可避免地通过连接接管对容器作用力和力矩,这些力和力矩会在容器与接管连接的局部区域产生高应力,因此,容器与接管连接的区域成为了整台设备的薄弱环节。如果设计时不充分考虑压力容器开孔接管结构的局部应力,并将其限制在一定的范围内,将会严重影响其安全性,甚至导致灾难性破坏事故。
2.2.2开孔接管时的应力集中
1.壳体上开孔与平板开小孔有以下差别:?
(1)开
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