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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划压力容器局部应力分析报告,封头与筒体的连接压力容器的应力分析摘要：压力容器是指盛装气体或者液体并承载一定压力的密闭设备，广泛应用于石油化工、能源工业、军工以及科研等各个领域。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。高压容器筒体与封头连接区是高压容器的高应力区之一，本文主要讨论封头和筒体之间的连接区域的应力应变情况。一工程背景及意义核能作为一种安全、清洁、高效以及可持续发展的能源已经为各国
2、和各个地区广泛接受,核电是我国能源战略的重要组成组成部分之一，根据核电中长期发展规划，我国到2020年将实现核电装机容量4000万KW，核电占比从现在的不到2%提高到4%。积极推进核电建设对于满足经济和社会发展不断增长的能源需求,实现能源、经济和生态环境协调发展以及提升我国综合经济实力和工业技术水平具有重要意义。反应堆压力容器是核电厂反应堆冷却剂压力边界屏障中的一个重要设备。它主要用来装载反应堆堆芯,密封高温、高压的冷却剂,为反应堆安全运行提供所必需的堆芯控制和堆内测量的导向和定位。反应堆压力容器属安全一级设备,因此,要求其在各种工况下均能保持可靠的结构完整性,不会发生容器的破坏和放射性的泄漏
3、。筒体是压力容器的主要部件,与封头或管板共同构成承压壳体,为物料的储存,完成介质的物理、化学反应及其他工艺用途提供所必需的承压空间。封头是保证压力容器密封的重要部件。因此,筒体和封头的连接安全性是设计和使用中至关重要的问题,对它们进行应力评定是十分必要的。论文以大型先进压水堆核电厂压力容器筒体及封头为研究对象，基于有限元方法,完成了反应堆压力容器筒体及封头在各种工况各种载荷组合作用下的一次应力强度的计算、分析与评定,并分析各个载荷对应力分布的影响,最终得出了结构强度符合规范要求的结论。在此基础上,本文通过简化整体模型,创建局部模型,对筒体和封头作进一步应力评定,并将计算结果与整体模型的结果进行
4、对比分析。图1压水反应堆核电站工作原理二.压力容器应力分析1.压力容器的组成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。2.压力容器的分类压力容器的分类方法很多，从使用、制造和监检的角度分类，有以下几种。(1)按承受压力的等级分为：低压容器MPapMPa中压容器MPapMPa;高压容器10MPap100MPa;超高压容器p100MPa。(2)按盛装介质分为：非易燃、无毒；易燃或有毒；剧毒。(3)按工艺过程中的作用不同分为：反应容器：用于完成介质的物理、化学反应的容器。换热容器：用于完成介质的热量交换的
5、容器。分离容器：用于完成介质的质量交换、气体净化、固、液、气分离的容器。贮运容器：用于盛装液体或气体物料、贮运介质或对压力起平衡缓冲作用的容器。3.压力容器的作用装载着活性区及堆内所有构件，对堆芯具有辐射屏蔽作用，在顶盖上安装着控制棒管座及其驱动机构，能承受很大的机械和动载荷；作为承压边界，密封高温高压含放射性的一回路冷却剂并维持其压力，承受动载荷和温度载荷；作为第二道屏障，在燃料元件破损后有防止裂变产物外泄的功能。4.压力容器应力分析实例在工程实际应用中，直径较大的高压容器一般都采用球形封头，但是由于球形封头的厚度与相接筒体的厚度相差较大，故筒体与封头间必然存在过渡区，通常采用锥形过渡段进行
6、连接，而锥形过渡段则通过削薄筒体端部获得。问题描述工程问题描述：核电站压力容器用SA508-3合金钢，功率在1000MW及以上的普通压水堆核电站反应堆压力容器具有腐蚀环境，设计压力高达17MPa，设计温度在350摄氏度左右，压力容器内径近，壁厚超过20cm，总高，总重量约380-400吨。简化问题描述：排除腐蚀环境和高温环境，只考虑高压环境。高压容器的设计压力P=17MPa，材料的弹性模量为，泊松比为，筒体的内径为R1=450mm，壁厚t=50mm，封头内径为R2=460mm，厚度t=25mm，筒体长度S=600mm，筒体削边长度L=96mm，如图所示，对该高压容器筒体进行应力分析。问题的分析
7、和求解本例子的关键在于讨论封头和管体之间的连接区域的应力情况，所以可以忽略封头上的其他结构，把几何模型视为轴对称的，故而使用轴对称模型进行分析，这样可以节省大量的计算时间。具体过程：1）创建模型2）定义材料和截面属性3）定义装配4）设置分析步和历史输出变量5）定义载荷和边界条件6）划分网格7）提交作业8）后处理与结果分析其他参数保持不变，当设计压力分别取20MPa，30MPa，40MPa，50MPa时，最大应力强度仍出现在过渡区与球壳连接处，最大应力强度值随内压的变化如表和图所示。1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部
8、件组成。筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？答：介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害
9、介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-AF不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用
10、于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全焊透结构等。3.压力容器安全技术监察规程在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？答：因为pV乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。2.压力容器应力分析1.一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么?答：几何形状、承受载荷、边界支承、材料性质均对旋转轴对称。2.试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。答：a/b=2时，椭圆形封头中的最大压应力和最大拉应力相等，使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大，因此GB150
11、称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头3.何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些特征，其中与Rt两个参数的物理意义是什么？答：回转壳的不连续效应：附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大，很快变小，对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来，称为“不连续效应”或“边缘效应”。不连续应力有两个特征：局部性和自限性。局部性：从边缘内力引起的应力的表达式可见，这些应力是e?x的函数随着距连接处距离的增大，很快衰减至0。不自限性：连续应力是由于毗邻壳体，在连接处的薄膜变形不相等，两壳体连接边缘的变形受到弹性约束所致，对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部产生塑性变形，弹性约束开始缓解，变形不会连续发展，
12、不连续应力也自动限制，这种性质称为不连续应力的自限性。的物理意义：?31?2Rt反映了材料性能和壳体几何尺寸对边缘效应影响范围。该值越大，边缘1效应影响范围越小。Rt的物理意义：该值与边缘效应影响范围的大小成正比。反映边缘效应影响范围的大小。4.单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？当承受内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？1周向应力及轴向应力z均为拉应力答：应力分布的特征：，径向应力r为压应力。在数值上有如下规律：内壁周向应力有最大值，其值为：?maxK2?1?pi2，而在外壁处减至最小，K?1其值为?min?pi2，内外壁之差为pi；径向应力内壁处为-pi，随着r增
13、加，径向应力绝对值2K?12轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半，逐渐减小，在外壁处r=0。即?z?r?23除z外，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K值有关。不能用增加壁厚来提高承载能力。因内壁周向应力有最大值，其值为：?maxK2?1?pi2，随K值K?1增加，分子和分母值都增加，当径比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。5.预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？答：使圆筒内层材料在承受工作载荷前，预先受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。当圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成。内壁
14、处的总应力有所下降，外壁处的总应力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的应力分布。从而提高圆筒的初始屈服压力，更好地利用材料。6.承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么？1承受垂直于薄板中面的轴对称载荷；2板弯曲时其答：承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是：3变形前位于中面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间中面保持中性；4平行于中面的各层材料互不挤压。的距离不变；其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是：薄板内的应力分布是线性的弯曲应力，最大应力出现有板面，其值与p?t?成正比；而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布，其值与p?t?成正比。同样的?Rt?2情况下，按薄板和薄壳的定义，?Rt?Rt?，而薄板承受的压力p就远小于薄壳承受的压力p了。27.试比较承受均布载荷作用的圆形薄板，在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。1周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：答：?max3pR2pR4f?wmax?2?64D4t2周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：?max3?3?pR2pR45?s?wmax?264D?1?8t23应力分布：周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力在板周边。两者的最大挠度位置均在圆形薄板的中心。4周边简支与周边固支的最大应力比值s?r?maxf?rma
