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1、 vuuv I I V 学 术 压力容器的强度及安全评定分析 2 7 4 0 0 0 山东 菏泽 一 柴永祥 摘要 由于负荷 介质等原因 加之压力容器的使用条件越来越苛刻等原因的存在使得压力容器断裂而造成的破坏事故越来越多 所以压力容器 的安全与否受到了较大的关注 所以 对压力容器的安全及强度进行评定 了解压力容器的性能状况 对于提升压力容器的安全性能 防止事 故发生有着重要的意义 随着现代工业技术的快速 发展 压力容器 已经被广泛的应用到了轻工 纺织 电力 石 油化工 以及冶金 机械和医药等行业 在压 力容器被得到广泛应用的同时 也正朝着复杂 化 大型化等方 向发展 越来越多的具有强大 功率
2、 复杂结构的压力容器都被投入运行 尽管在设计压力容器时 大量使用高强度 钢 焊接技术也得到 了普遍应用 但是因为设 计压力的提升 导致无法避免 的会出现一些缺 陷 因为负荷 介质等原因带来了很多新的缺陷 加之压力容器的使用条件越来越苛刻等原因的 存在使得压力容器断裂而造成 的破坏事故越来 越多 所 以压 力容器的安全与否受到了较大 的 关注 因此 准确快速 的找到压力容器失效 的 原因及规律是减少事故发生的有 效办法 对于 提升压力容器的安全性能 防止事故发生有着 重 要的 意义 1 压力容器的强度分析 压力容器强度计算 的基本准则之一是 在 承载时容器整体 壳体等 应控制不得产生 明 显的塑
3、性变形 因而将 R p O 2当作材料 强度的 指标是 比较合适的 而关于容器卸载后压力 容 器整个所残留的塑性变形量并不能成为压力容 器必须要控制 的因素 因此将 R r O 2当作是材 料强度 的控制指标明显不如将 R p O 2当作是材 料强度的控制指标更为合适 R p O 2是很 一个 比较容 易被准确 的测定 出 的数值值 以拉伸 曲线的坐标 原点作为起点 在变形轴线上获取标距长度为 0 2 长度位置获 取 点 从这个点当作是弹性直线段 的平行线 并和拉伸 曲线相交 这该交点标示的应力值就 是 R p O 2 然而 R r O 2则是不能被准确测定出来 的数值 如果拉伸试样被加载在某
4、一个载荷 点 后卸载 的话 那么残余塑性变形量就正好相 当 于试样标距长度 的0 2 但是想要非常准确 的 确定这一个载荷点几乎 上不可能存在 的 并且 这个策略的方法和过程非常的复杂 而且只能 获得近似值 2 压力容器的安全评定分析 本文以某钢厂从俄罗斯引进 的制氧工程设 备中经锅检部门按 G B 1 5 0 9 8标准检验检测不合 Ma c kn e C h i n a中国机械 格的压力容器为例 为不影 响钢厂投产工程进 度和确保安全使用 对这批容器进行强度 分析 和安全评定 对压力容器进 行应力分析和强度 评定 并以分离器为例说明评定计算过程 2 1分离器的应力计算 应力分析采用有 限元
5、分析方法 分析 中采 用高级结构分析程度 S u p e r S A P 一 9 1 进行 该 软件具有强大的前后处理功能 计算效率高 精度好 2 1 1 计算依据 容器筒 内径 D i 5 0 0 m m 容器设计压力 P 0 9 M P a 碟形封头设计厚度 S 1 3 m m 筒体设计厚度 S 2 3 m m 容器材料 1 2 X 1 8 H I O T 俄罗斯牌号 材料屈服强度 Y 2 4 0 M P a 材料抗拉强度 0 u 5 4 0 M P a 封头和筒体连接处环焊缝最大错边量 3 m m 2 1 2有错边时分离器的计算模型 分离器筒体与封头连接处环焊缝有错边量 主要是由于封头在
6、制造时尺寸偏大造成的 致 使封头与筒体组对焊接后产生较大的错边量 考虑到容器的实际情况 我们提出了计算模型 0 位没有错边量 1 8 0 位错边量最大 3 m m 在 0 1 8 0 之 间错边 量逐渐增 加 由于错边使结构产生非轴对称性 本 文采 用板壳单元进行有限元应力分析 计算模型共 分 2 7 0 0个板壳单 元和 2 7 0 1 个节点 计算是在 P e n t i u m 5 8 6 7 5 机器上进行的 2 1 3分离器应力计算结果 计算结果表 日月 在筒体 封头与筒连接处 约 离 连接 线 1 m m 存 在最 高 应力 其 值达 1 5 9 0 8 M P a 在封头上 碟形
7、封头经线大小圆相接 处存在最高应力 其值达 1 9 8 4 6 M P a 分离器 总体应力分布 分离器封头与筒连接处应力分 布和分离器碟形封 头经线大小圆相接处应力分 布 图略 2 2超标缺陷容器的强度评定 超 标缺 陷容器 的强度评定是依据 G B 1 5 0 9 8 和 J B 4 7 3 2 9 5进行 的 G B 1 5 0 9 8以弹性失效为设计准则 要求 保证容器在工作时完全处于弹性状态 即容器 上任一点的应力达到屈服就认为该容器 已经失 效 其应力强度判据为 o 强度理论采 用最大剪应力理论 J B 4 7 3 2 9 5以弹性分析为基础 根据不同 应力对容器 的不同危害对应力
8、加 以分类 并分 别加以限制 如果结构是稳定与安定的 则允 许结构出现局部塑性区 各类应力及其组合都 应满足以下应力强度控制条件 S I P m K S m S l i P m 十P 1 5 K S m S I I I P m 十 P L 十 P b 1 5 K S m S IV P m P I P b 0 3 S m S V P m P L P b Q F S a其中 P m为 总体一次薄膜应力 P L 为局部 一 次薄膜应力 P b 为一次弯曲应力 Q为二次应力 F为峰 值应力 s m为应力强度许用极限 S a为允 许交变应力强度幅 K为载荷组合系数 按 G B I 5 0 9 8计算 封
9、头与简体连接处的 应力均小于许用应力 1 6 0 M P a 强度合 格 碟形封 头经线 大小圆相接处 的内壁有 3 4 8 5 m m区域的应力超过 1 6 0 M P a 强度不合格 按 J B 4 7 3 2 9 5的应 力 分类 碟形 封 头 经线大小圆相接 处存在 一 次弯 曲应力 P b 此 时的应力 由总体薄膜应力 P m和一次弯 曲应力 P b 组成 其应力强度许用极限为 1 5 2 4 0 M P a 分离器封头经线大小圆相接处最高应 力为 1 9 8 4 6 M P a 小于应力强度许用极限 强 度合格 对 于环焊缝连接 区域存在二次应力 Q 此时的应力由总体薄膜应力 P m 一次弯曲应 力 P b和二次应力 Q组成 其应力强度许用极 限为 3 4 8 0 P a 而封头与筒体连接处 应力最高值为 1 5 9 0 8 小于应力强度许用极 限 强度合格 参考文献 1 张自斌 压力容器的强度分析 与安全评 定 D 兰州理工大学 2 0 1 2 2 郭 东 翟 振 东 存在 裂 纹 的压 力 容 器疲 劳断裂分析 J 建筑科学 与工程学报 2 0 0 7 3
