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压力容器分析设计技术博客

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日志

 
 

基于压力-面积应力计算的开孔补强方法  

2010-07-07 21:05:29|  分类: 分析设计 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        压力容器外压大开孔计算是2006年设备年会11个议题之一,当年结论:目前国内外标准尚无计算方法,可按应力分析评定。2007年美国ASME规范第Ⅷ章第2篇大改写后,给出了计算方法。 

       ASMEⅧ-2(2007)采用了一种新的开孔补强计算方法,称之为“基于压力-面积应力计算的方法(Pressure-area Stress Calculation Method)”。该法与我们平时熟知的等面积法和压力面积法有本质的区别。我将该法与GB150-98的等面积法、HG20583-1998的压力面积法、及JB4732-95(2005年确认)的附录J法进行了对比:

         

        等面积补强法的理论基础是:无限大平板上小孔周边的应力分布关系。压力容器开孔的实际情况与这种应力分布关系是有差异的,所以GB150-98对开孔率进行了限制:对直径不超过1500mm的圆筒,开孔率限制在1/2,对直径超过1500mm的圆筒,开孔率限制在1/3。该法补强有效范围的取值仅与d(开孔直径)有关,所以对d/Di(壳体内直径)较小的开孔,该法安全可靠且“偏保守”,对d/Di较大的开孔,该法“偏冒进”。该法属于有一定理论基础的经验方法。

HG20583-1998所采用的压力面积法在本质上与等面积法是一致的,其开孔率限制到0.8。该法补强有效范围的取值仅与边缘应力衰减长度有关,对d/Di较小的开孔,该法偏冒进,对d/Di较大的开孔,该法偏保守。对于大开孔,该法一般用于低压容器。

        上述两种方法都认为补强范围内应力是均匀分布的,事实上孔边应力具有局部性和衰减性,并非均匀分布。

        压力-面积应力法既不同于等面积法,又不同于压力面积法。该法在补强有效范围的取值上比上述两种方法考虑的都全面,既考虑了开孔大小d的影响,又考虑了边缘应力衰减长度 的影响。在此范围内,计算压力对各承压面积所引起的作用力,并进一步计算所引起的最大局部一次薄膜应力是否满足补强要求的评定条件。其本质上是一种基于应力分析的计算方法。从该法的理论基础可知,对一般开孔而言,其设计结果比两种传统方法更为合理与切合实际。此外,由于该法以孔边最大局部一次薄膜应力限制在规范规定的条件下为满足,故不再对开孔率进行限制,这对大开孔而言,可避免通常采用的有限元法。同时该法适用范围广,适合多种结构和载荷,详见ASMEⅧ-2, 2007版。

        ASMEⅧ-2为适应现代化的设计,也为了方便设计者编制计算软件,很多算法都以复杂的公式形式出现,该法亦然,如柱壳径向开孔补强计算就涉及计算变量43个。为了方便工程应用,编制了工程应用软件。利用该软件,对4种补强方法进行了算例对比,得出了一些结论,这有助于设计人员在应用时作出合理的选择。

 

      在做这项工作中,参考了一下文献:

       1.       ASMEⅧ-1, 2007版[美] [S].

2.       GB150—1998,钢制压力容器[S].

3.       GB150-89钢制压力容器标准释义[S].

4.       AD规范, 2001[西德] [S].

5.       HG20583-1998,钢制化工容器强度计算规定[S].

6.       ASMEⅧ-2, 2007版[美] [S].

7.       JB4732—1995(2005确认),钢制压力容器—分析设计标准[S].

8.       朱国栋,李世玉,薛明德.JB4732附录J(2005确认)大开孔应力分析的工程应用程序[J].压力容器,2009,26(5):22-26

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