应力分类和压力容器设计的发展

第 8期 2 0 0 5年 8月 中 国氯碱 Ch i n a Ch l o r -Al k a l i NO 8 Au g ， 20 0 5 3 9 应 力分类和压 力容器设计的发展 段 哲 军 ( 渤 海化 工集 团公 司天 津化 工设 计 院 ， 天 津 3 0 0 1 9 3 ) 摘 要 ： 阐述 了应力分类的原则对压力容器安全性的影响及在常规设计中的应用， 指 出了压力容 器设 计 的发展 方 向 。 关键 词 ： 应 力分 类 ； 应 力分析 ； 压力容 器设 计 1 概述 压力容器都是采用传统的方法进行设计 。它是 从 基本 的薄 膜应 力 出发 ，同时 将其 他应 力对 容器 安 全 性 的影 响 ， 包 括在 较大 的安 全 系数之 中 。 实际上 ， 在压力容器及其承压零部件中， 除了存 在着介质压力引起的薄膜应力外 ，还存在着 由于边 界效应 ( 如开孔接管或其他曲率不连续部位) 引起 的 局 部应 力 ，以及 由于 热胀冷 缩 变形 受到 限制 而引 起 的温差 应力 等 。 上 述各 类应 力 的性质及 其 对安 全性 的影 响各 不 相同。但是 ， 在以往的压力容器设计 中， 由于对容器 各部分的受力以及它们对容器强度的影响 ，缺乏全 面 、 精 确 、 深 刻 的 了解 ， 因 而 只能 在 设计 中采 用 较 高 的安全 系数 ， 以保 证压 力容 器 的运行 安 全 。 传统设计方法 的提 出是 由当时的科学技术水平 决定的。 在很长一段时间内， 这一设计方法对压力容 器设计和技术 的发展起着积极的推动作用 。由于传 统设计方法简单易行 ， 具有丰富的使用经验 ， 各 国依 然 采 用 它 进 行 一 般 压 力 容 器 的 设 计 ， 如 美 国 的 A S ME 锅炉与压力容器规范第卷第一册和 日本标 准J I S B 8 2 4 3 等 。 我 国压力 容器 的 国家标 准G B 1 5 0 也 是采 用这 一方 法 。 但是 ， 压力 容器 的传 统设 计方 法存 在着很大的局限性 ，其主要缺点是没有 区分薄膜应 力和其他应力对容器强度 的不同影响 ，片面地认为 不管是 整 体应 力还 是局 部应 力 ，只要 达到 了材 料 的 屈服极 限 ，整个 容 器便 失去 正常 的工 作能 力 ，亦 即 第二沉降池 的静态沉降时间为2 4 1 1 5 6 0 = 1 2 m i n ， 8 mi n +1 2 mi n= 2 0 mi n。 3 2 2清水 回收 池设 计 容量为1 2 0 m ， ( 1 2 m 5 m 2 m) ，第二沉降池 到清水 回收池用折流沟( 1 6 6 m O 3 5 m O 2 m) 连 接 。 3 2 _ 3 泵设 计 渣浆 泵沿 用液 下 泵 ( 一 1 5 m， 泵型 ： 4 P S ) 2 台1 用 1 备 ， 每天运 行2 4 h 。 清水 泵采 用液 上泵 ( 泵 型 ： I S 1 5 0 1 2 5 3 1 5 ) ， 1 用 1 备 ( 常开 ) 。 3 2 4 渣 斗设 计 原 有渣 斗2 个 ， 新 建渣 斗 1 个用 于渣 浆过 滤 ， 容量 5 9 m 。过 滤 时 间 1 2 h ，渣 斗 中 约有 1 0 m 渣 ，渣 斗 滤 速 6 7 2 1 0 之m s ，过 滤液 p H值 l 3 1 4 ，S S 质 量 浓 度 为3 0 mg L。 3 、 2 5碱 液 贮 池 设 计 主要针对3 5 t h 锅炉运行时废水偏酸 ，将废碱 水 输人 贮 池用 于 中和偏 酸废水 ， 贮 量 约1 0 0 m 。 4 结论 ( 1 ) 经 近 1 a 的 运行 ， 锅 炉 水膜 除尘 器 及 冲灰 渣 污水 回收重复利用系统正常 ， 装置上马后经济效益 、 社 会 效益 明显 。全年 可节 约 一 次水5 2万m ， 极 大 地 保 护 了水 资源 和环境 。该 工程 投产 后 实现锅 炉 污水 零排放 ，每年节 省水 费 和排 污费6 0万 元左 右 。 ( 2 ) 该装置实用有效 ， 系统的操作简单， 维护难度 和 维护费用 降低 。 特别是 黑水折 流沉淀池 和清水 池的 设 置 ， 增 大 黑水处 理 系统过 滤 和 回收 的能力 ， 增强 系 统的抗波动能力 ；沉淀的渣浆用泵抽经炉渣过滤 、 回 收锅炉含碱废水作为补充水以废治废，改善 回收水 p H值 ( 7 ) ， 提 高水 膜 脱硫 效 果 ， 延 长 设 备 的使 用 时 间和防止堵塞 ， 降低维修费用 ， 提高系统运行处理能 力 ， 实现 锅炉 水膜 除尘 水和 园盘 机 、 打扫卫 生水 不 外 排。 实现生产节能降耗 ， 以废治废， 极大地保护水资源 和环境 ， 从 而达到经济 、 社会 、 环保效益 的三 统一 。 收 穰 日期 ： 2 o o 5 0 5 2 0 维普资讯 中国氯碱 2 0 0 5年 第 8 期 “ 失 效 ” 。实 际上 ，当局 部应 力 达到材 料 的屈服 极 限 时 ， 容器 大部 分 区域 的应力 尚低 于这一 数值 ， 仍 处 于 弹 性状 态 。因此 ， 此 时容器不 仅 不会进 入屈 服 ， 就是 已经屈 服的局 部 区域 ，由于 受到周 围广大 弹性 区 的 约束 ， 其变形量不可能进一步增长 ( 即不可能发生过 大 的 塑性 流 动 ) ， 应 力 的 增 加也 会 受 到控 制 ， 因 而不 会 引起整 个容 器失 效 。 2 应力分类 2 1 边缘 效应 以边 缘效 应为 例 ，说 明 不 同种 类应 力 的特性 及 其对 容器 失效 的影 响 。 局部 应力往 往发 生在 容器 的几 何形 状产 生 突变 或结 构不 连续 的 区域 ， 有 下列2 种情 况 。 ( 1 )总体结 构不 连续 处 。如封 头 与筒体 的连 接 处 ；法兰与壳体的连接处 ；不同厚度的壳体连接处 等 。在这 些连接 处 ， 将 产 生剪 力与弯 矩 ， 使 基 本应 力 得以增强 ， 其影响可涉及到壳体相当大的部分 。 由于 局部 处总 的应 力值有 了显 著 的增 加 ，有 时甚 至可 能 远远 超过壳 体 上的周 向应 力 而达到 材料 的屈 服极 限 并 引起屈 服变形 ， 但 因受周 围弹 性材 料所 包 围 ， 实 践 证 明只要 应力值 小 于屈服 限 的2 倍 ， 容 器是 不会 遭 到 破坏 的 。 ( 2 ) 局 部结构 不 连接 区 。例 如开 孑 L 周 围 、 小 的圆 角半 径等 。 在这些 局部 区域 可产 生最 高 的应力 、 应 变 值 。 但 因其 分布 在很 小的 区域 内 ， 对 于 总体 结构 的应 力 与应 变 不会产 生重 大 的影 响 。如果 材 料具有 足够 的塑性 ， 载 荷 的循 环 次数也 不致 造成 疲劳 破坏 。 实 践 证明， 既使局部的应变值数倍于材料的屈服应变值 ， 也 不会造 成容器 的破 坏 。 根据以上的分析 ，为了使压力容器的设计既安 全可靠 又 经济合 理 ，妥善 的做法 应该 是 对作用 在 压 力容 器上 的应力 进行 详细 的分 类 ，并针 对不 同 的应 力分别 给 予不 同的 限制范 围 。 2 2应 力分 类的 原则 以美 国 的A S ME 锅 炉 压力 容 器 规 范第 卷 第 二 册和第 卷 的诞 生 为标志 ，压 力容器 的设 计方 法 发 生 了一 次革 命 ，从 传 统的按 规则 设计 的方 法过 渡 到 以详细 的应 力分析 与评 定 的设 计基准 的更 高 阶段 。 分析设计方法的核心是将压力容器中的各种应 力 加 以分类 ， 分清 主次 ， 根据 各类 应力 对容 器安 全性 的影响程度 ， 分别规定不同的安全系数 ， 以保证设计 产 品的安 全性与 经济性 。 压力容器在外载荷作用下 ，满足了平衡条件与 变形协调条件后，容器各个部件中的应力按其性质 的不 同可分 为 以下3 类 。 2 2 1 一 次 应 力 是由外载荷的作用而在容器部件中产生的正应 力 或剪 应力 。 它必 须 满足力 与 力矩 的平 衡方 程式 。 一 次应 力 的基 本特 点是 当它 超过 材料 的屈 服极 限 时将 产生 过 渡 的变 形 而破坏 。一次应 力 又 可分 为 以下几 种 。 ( 1 ) 总体 薄膜 应力 由于 内压而 在 圆筒形 或球 形壳 体 中产生 的 薄膜 应力即属此例 。 此应力分布在整个壳体上， 在工作应 力达 到材 料 的屈 服极 限时 ，沿壳 体 壁厚 的材 料将 同 时进 入屈 服 。 ( 2 ) 一次 弯 曲应力 例如 由于 内压的作 用 在平板 盖 中央 部分 产生 的 弯 曲应力 。它 沿板 厚呈 直线 分 布 ， 当 内压相 当大 时 ， 首先是 上 、 下表 面处 进入 屈 服 ， 其 它 部分仍 处 于弹 性 状态 。 如继 续增 加 载荷 ， 应 力沿板 厚 的分 布将 重新 调 整 。所 以对 于一 次 弯 曲应 力可 以应 用极 限设 计 的概 念进行 应 力分析 ，并允许 比总体 薄 膜应 力具 有较 高 的许用 应 力 。 ( 3 ) 局 部薄 膜应 力 对 于 在局部 范 围 内 ，由于 压力或 机械 载 荷引 起 的薄膜 应 力称 为局 部薄 膜应 力 。例 如在容 器 支座处 由于力 和 力矩产 生 的薄 膜应 力 。 由于这种 应 力 的局 部性 ，故也允许 比总体薄膜应力具有较高的许用应 力 。 这 种应 力实 际 上具有 二 次应 力 的特征 ， 但 出 自保 险 的考 虑 ， 仍将 其划 为一 次应 力 。 2 2 2二 次 应 力 二次 应力是 由于容 器部 件 的 自身约束 或 相邻 部 件 的约束 而产 生 的正应 力 或剪应 力 。它 必须 满足 变 形协调 的条件 。 如薄壁圆筒与半球形封头的连接处， 在 内压 作 用下 ， 它们 的 径 向位移是 不 同 的 ， 故 在连 接 处二者将互相约束 ， 使变形协调。 于是连接处便产生 了附加 的弯矩 与剪 刀 ，由此 引起 的应 力便 是 二次 应 力 。 这 种应 力 的特 征是 具有 自限性 ， 即 当局部 范 围内 的材料 产 生屈 服或 小量 变形 ，相 邻 部分 之间 的约 束 便 得 到 缓 和 ， 使 变 形 趋 向协 调 ， 不再 继续 发 展 ， 而 应 力 自动 限 制在一 定 的范 围 内 ，只要此 二 次应 力与 其 他应力 叠加 后 小 于规定 值 ， 容器是 不 会损 坏 的 。 2 2 3峰 值 应 力 接 管 的根部 、小的 圆角 半径 或 小孔边 缘 等局 部 处 由于载荷 或结 构形 状 的突 变引起 了局部 的应 力集 中 ， 它 具有最 高 的应力 值 。 峰值 应力 的基本 特征是 整 个结构不产生任何显著的变形 ，它仅是疲劳破坏或 维普资讯 第 8期 段 哲 军 ： 应 力分 类和 压力容 器设 计 的发展 4 1 脆 性断 裂 的可能 根源 。 局 部 范 围 内的 热 应 力 不 使 结 构 产 生 显 著 的 变 形 ， 也 属于 峰值应 力 的范 畴 。 峰值 应力可 根据 一定 的循 环次 数 限制在 按疲 劳 曲线求得 许 用应 力 幅S a 的范 围 内。 2 3应 力分 类在 现行标 准 中的应用 实际上，在我国现行的压力容器标准G B 1 5 O 一 8 9 中 ， 部分 内容 已直接 应用 了应力分 类 的 限制 条 件 ， 例如 ， 在 内压 圆筒 及球 壳设 计 中 ， 包 括温 差应 力在 内 的总 应力 强度 可用 2 6 进 行校 核 ， 无 折边 锥 形封 头 大 端 和小 端分 别把 包括 二次 应力( 总 体结 构不 连续 处 所 引起 的 弯 曲 应力 ) 在 内的 总 应力 限于 3 6 ， 或 把 一 次局部 薄膜 应力 限制 于 1 1 6 2 而 作 出判定 是否 加厚 的 线 图 。无折边 球 形封 头设计 中和无 折边 锥形 封 头相 似 ， 也 是将 包括 二 次应 力在 内的 总应力 限 于3 6 2 而 作 出设计线 图。 平盖设计 中， 依据平板在横向载荷作用 下 所 产生 的 弯 曲应力 可 限 于1 5 6 而作 出设 计 公 式 。 在 非 圆形截 面容器 设计 中 ， 将薄 膜应 力用 6 限制 ， 将 薄膜应力和弯曲应力的叠加值用1 5 6 2 限制。在膨胀 节 设计 中 ， 更 是直 接 引用 了分析 设计 的 观点 ， 把 由 内 压 引起 的薄膜 应力 用 6 限制 ， 由内压 引起 的薄膜 应 力和弯曲应力 的叠加值用1 5 6 限制 ，把 由变形协调 条 件求 出 的应力 用 2 6 限 制 ， 必要 时并 需 进行 疲 劳 寿 命校 核。 在低温 容器设计 中除应选用在 低温下 有足 够 冲击功A 值的低温材料外 ， 对容器 的结构 、 制造等 方 面也提 出 了一 系列 防止脆 断 的规定 。 3 压力容器设计的发展 行业标准J B 4 7 3 2 -9 5 钢制压力容器一分析设 计标 准 是 以分析设 计 为基 础 的钢 制 压力容 器标 准 ， 提供 了 以弹性 应力 分析 和塑 性失 效准 则 、弹塑 性失 效准 则为 基础 的设 计方 法 。对 于选材 、 制造 、 检 验 和 验收规定了 L G B 1 5 0 -8 9 ( 钢制压力容器 更为严格 的要 求 。 应 力 分 析 设 计 这 一 设 计 方 法 虽 然 合 理 而 且 先 进 ， 但却需要进行大量复杂的分析计算 ， 只有借助于 电子 计算 机才 能完 成 ， 因而设 计 费用极 高 。为此 ， 只 有 当设 计 高参 数 、 重要 的容器 时 ， 才采 用这 种方 法 。 对 于大量 的 常规压力 容 器而 言 ，长期 实践 证 明 采用简单易行的传统设计方法完全可以满足压力容 器的安全要求 ， 如采用详细的应力分析， 虽然可节省 部分钢材 ， 但却大大提高 了设计 、 制造费用 ， 在经济 上是 不合 算 的。所 以A S ME 规范 同时 规定 了上述2 种 设计 准 则 ，我 国也颁 布 了 国家标 准GB 1 5 0 及 行业 标 准J B 4 7 3 2 -9 5 ， 供用 户根 据不 同情 况进 行选 择 ， 这种 办法显 然 是合理 且 必要 的 。 然而 ，随着 计算 机 在工 程设计 中的广泛 应 用 以 及计算 机 软 、 硬 件 的飞速 发展 ， 使得 这 种压力 容器 分 析设计 得 到越来 越 多 的应用 ，并且 在 实际工 程项 目 中起 到 了更为重 要 的作用 。 收 稿 日期 ： 2 0 05 - 0 7 - 05 t 国家 加强 能源 管理 现得 知 国家近 期有 可能 恢 复设置 “ 能 源部 ” 的消 息 。如 国家 “ 能源 部 ” 恢 复设 置 以及近 期一 系列 有 关 节 能 的法 规 的出 台 ，都 表 明 了政 府为 改变 我 国经 济 高 能耗运 行现 状 的坚定 决心 。 如今 ， 节 能 已经从产 业 发展 政策 、 税 收 、 市 场 、 准 入等 多个 层 面 ， 对 化工 、 石油 、 建筑 、 家 电 、 机械 、 汽 车 等众 多企 业 的发展 产生 决定 性 的影响 。在 一些 企 业 将借 节能 的机 遇蓬 勃发 展 的 同时 ，也 必将 有不 少企 业 因无法 迈过 节能 的 门槛而 黯然 出局 。 为此 ， 国家 将对4 大 领域 最先 洗牌 。一 是工 业节 能 。全社 会 能耗 的7 0 集 中在 冶金 、 化 工 、 建 材 等 领 域 。 是开 源节 流和 节能投 资 潜力最 大 的部 门 ； 二 是建 筑节 能 。 如建筑 采 暖 、 电梯 、 通风 等方 面