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GB150无折边锥壳与圆筒连接设计方法的探讨rev7pdf版本.rar

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朱红松 2005- 9- 1 修改 其中修改的地方用黄色涂敷 GB150 无折边锥壳大端与圆筒连接设计方法的探讨 朱红松 翟金国 王 鲁 朱红松 德希尼布工程咨询（上海）有限公司 翟金国 上海化工研究院 王 鲁 上海机械工程学会 摘要 本文从考察 GB150 和 ASME - 2 在规范体系方面的差异入手，证明 GB150 中无折边锥 壳大端与圆筒连接的设计方法是不适宜的。 关键词 无折边锥壳 大端 圆筒 连接 设计 Discussion on Design Method of Cone- to- Cylinder Junction at Large End in GB150 Technip engineering advisory (ShangHai) Co., Ltd. Zhu Hongsong ShangHai research institute of chemical industry Zhai Jinguo Academe of Pressure Vessel in ShangHai Wang Lu Abstract In this paper, the difference of code system between GB150 and ASME - 2 is investigated, which indicates that the design method of cone- to- cylinder junction at large end in GB150 is not suitable. Key words: cone shell , large end , cylindrical shell , junction , design 1 引 言 GB150- 19981中无折边锥壳大端与圆筒连接的设计方法与 ASME- - 2 的设计方法2是一致 的，这一点在 GB150- 1989 标准释义3以及 GB150- 1998 标准释义4都是明确指出的。 同 时 ， 分 析 文 4 可 知 ： ASME - 1- 1995 、 BS5500- 1991 、 AD- 1988 、 CODAP- 1987 、 JISB8271- 1993(不含第一种容器)都未采用该设计方法。也就是说，常规设计规范中无折边锥壳大端 与圆筒连接，仅 GB150- 1998 采用了 ASME - 2 的设计方法。这促使我们思考：在 GB150 规范体系 中采用 ASME - 2 无折边锥壳大端与圆筒连接的设计方法是否恰当呢？ 任何一部压力容器建造规范，其受压元件的设计方法必定和该规范所考虑的失效模式、材料、 制造、检验、试验等环节密切相关。因此，在借鉴 ASME - 2 时，必须考虑上述个各环节的内在联 系。就无折边锥壳大端与圆筒连接的设计方法而言，仅分析 ASME - 2 相关的设计公式本身是不能 得出正确结论的。只有全面考察 ASME - 2 规范体系，并比较 ASME - 2 和 GB150 在规范体系上 的差别，才能从根本上回答该问题。 2 G B 1 5 0 和 A S M E - 2 规范体系的比较 为使本文的篇幅不过于庞大，所以与本次讨论无关的问题作者不作探讨，仅分析比较 GB150 和 ASME - 2 规范体系涉及到该问题的主要方面。为分析比较方便，作者列举了 GB150 、ASME - 2 和 ASME - 18规范的差别，见表 1： 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 表 1 GB150 、ASME - 2 和 ASME - 1 部分比较 规范名称 比较项目 GB150- 1998 ASME - 2- 1995 ASME - 1- 2001 材料使用 温度范围 以材料蠕变极限和持久强 度限（105h 蠕变率 1%蠕变极 限及 105h 持久强度限）控制 其许用应力强度的相应温度 材料许用温度控制在不受蠕 变极限和持久强度限（105h 蠕变 率为 1%蠕变极限及 105h 持久强 度限）约束的温度以下 以材料蠕变极限和持久 强度限（105h 蠕变率 1%蠕变 极限及 105h 持久强度限）控 制其许用应力强度的相应温 度 设计温度 定义 设计温度为沿元件金属 截面的温度平均值 设计温度为元件金属截面内 的温度平均值；任何情况下材料 表面温度不得超过材料的最高许 用温度 设计温度为沿元件金属 截面的温度平均值 许用应力 碳素钢或低合金钢： nb=3.0；ns=1.6 nD=1.5；nn=1.0 奥氏体钢： ns=1.5；nD=1.5；nn=1.0 nb=3.0；ns=1.5 不受蠕变极限及持久强度限约束 故无 nD和 nn指标 除奥氏体钢外的材料： nb=3.5；ns=1.5 nD=1.5；nn=1.0 奥氏体钢： ns=1.5；nD=1.5；nn=1.0 安定性判定 不需要 需要（即使疲劳分析能免除 也需要安定性判定） 须确定由于操作载荷循环引 起的(PL+Pb+Q)主应力差的变化 范围3s t 不需要 设计载荷 及 操作载荷 仅考虑静机械载荷以及 规范规定的选择性载荷(风载 荷、地震载荷等) 一般以操作循环的“极 端” 情况作为设计载荷或计算 载荷，并不考虑操作循环，设 计方法属于静载设计 对于 Pm 或 PL、Pb 的评定采 用设计载荷。一般以操作循环的 “极端”情况作为设计载荷 对于(PL+Pb+Q)评定采用由于 操作载荷循环引起的主应力差的 变化范围3st 对于(PL+Pb+Q+F)评定采用由 于操作载荷循环引起的主应力差 的变化范围2Sa 仅考虑静机械载荷以及 规范规定的选择性载荷(风载 荷、地震载荷等) 一般以操作循环的“极 端” 情况作为设计载荷或计算 载荷，并不考虑操作循环，设 计方法属于静载设计 不同操作循 环的组合 不需要考虑 选取所有操作循环中的 “极端” 情况作为设计载荷或 计算载荷， 并不考虑不同操作 循环的组合， 设计方法属于静 载设计 需要考虑 必须考虑特定操作循环的组 合，并确定由于不同操作循环组 合而引起的主应力差的变化范 围，并作(PL+Pb+Q)和 (PL+Pb+Q+F)应力强度的评定 不需要考虑 选取所有操作循环中的 “极端” 情况作为设计载荷或 计算载荷， 并不考虑不同操作 循环的组合， 设计方法属于静 载设计 设计资格 设计单位必须持有 “压力 容器设计单位批准书” 。 （仅按 JB4732 建造的容器，设计单 位及设计人员均需要取得分 析设计资格） “制造者设计报告”应由在美 国一个州或多个州或在加拿大某 省注册并在压力容器设计上有经 验的专业工程师的认可其已符合 ASME - 2 的要求 对设计人员无资格限定 由 ASME U印持有单位设 计并经授权检验师认可 表中：nb 材料常温或设计温度下抗拉强度为基准的安全系数 ns 材料常温或设计温度下屈服点为基准的安全系数 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 nD 材料设计温度下经 105h 断裂的持久强度为基准的安全系数 nn 材料设计温度下经 105h 蠕变率为 1%的蠕变极限为基准的安全系数 st材料设计温度下许用应力强度，Sa 设计疲劳曲线上对应设计次数的许用应力幅。 Pm 一次总体薄膜应力，PL 一次局部薄膜应力，Pb 一次弯曲应力，Q 二次应力，F 峰值应力 符号 Pm、PL、Pb、Q、F 不只是表示一个量，而是表示一点的全部六个应力分量，叠加是指每种分量各自叠加。 通过对 GB150 、ASME - 2 和 ASME - 1 规范体系的比较，相信读者对本文所要讨论的问题 基本上有正确的判断了。下面就 ASME - 2 无折边锥壳大端与圆筒连接的设计方法的理论依据、设 计规程、适用范围等方面作具体分析，并和 GB150 作相关比较。 3 设计方法的分析 按文4解释，无折边锥壳大端与圆筒连接设计方法的理论依据： “以圆筒公式为基础，计入锥体 与圆筒体连结处的不连续应力- - - - 按相应的圆筒体和锥体，建立变形协调方程，求出最大应力（主要 为轴向弯曲应力） ， （并考虑径向应力计算得到应力强度*，作者注） ，以应力增大系数 Q 的形式计入 圆筒体的基本公式中。公式满足 smax3st (即控制 smax2sst，作者注 )。本标准还按二次应力分布 的特点，给出连接区域的加强范围” 。仅仅将 ASME - 2 设计公式引入 GB150，而不规定相应的匹 配措施，至少会引起以下问题。 （1）ASME - 2 的设计方法是基于塑性力学的安定性定理。作为工程应用，ASME - 2 对安定 性定理的说明利用简单的拉压力学模型，并假定材料遵循理想弹塑材料的应力 应变曲线，具体说 明可以参考文5。既然该设计方法是基于塑性力学的安定性定理，那么考察安定性定理的适用范围 是完全必要的。 对于安定性定理的理论推导可以参考文6。文6指出，如果循环延续足够长的时间，则安定性 显著地与蠕变有关，它将在很大范围内使残余应力场发生变化；在相当多的情况中使安定性区域收 缩。同时，静力安定性定理（米兰定理）指出：如果不存在任何与时间无关的残余应力场 sij 能够使 应力和 sij+s*ij 成为允许的（s*ij 为完全弹性体应力） ，则安定性就不能形成6。 ASME - 2 对材料的塑性、韧性、疲劳性能等有较高的要求，同时又限定材料许用温度低于以 蠕变极限控制其许用应力强度的温度，这样就保证了结构的安定性形成的必要条件，并且也无需考 虑由于蠕变而造成安定性区域的收缩（蠕变松驰造成残余应力的消除） ，这样就可以简明的使用 (PL+Pb+Q)最大应力强度3st 作为安定性的评定准则。 如果材料进入以蠕变极限控制其许用应力强度的温区，则由于材料的蠕变变形使结构的应力重 新分布7，并造成安定性区域的收缩甚至消失，如果还用弹性应力分析塑性评定准则这套方法，显 然是不适用的。换言之，材料进入以蠕变极限控制其许用应力强度的温区，(PL+Pb+Q) 最大应力强 度3st是不能作为安定性评定准则的。且，ASME - 2 中允许的弹性应力分析塑性评定准则是建 立在材料为理想弹塑体基础之上的，也不考虑材料的蠕变行为。 ASME - 2 限定材料许用温度低于蠕变温度的另一原因在于：考虑到蠕变和疲劳交互作用的复 杂性。当材料使用温度超出 ASME - 2 限制范围，疲劳分析可参考 ASME - H 中的方法。 GB150 的适用范围涉及到材料的蠕变温区。如，奥氏体不锈钢许用温度达 700，这时应该主要 考虑材料的蠕变行为，如果无折边锥壳大端与圆筒连接的设计采用 ASME - 2 的方法，无论从设计 的理论基础还是材料的实际行为来看，都是不适宜的。 （2） 如果材料进入以蠕变极限控制其许用应力强度的温区， 按 GB150 材料许用应力的确定原则， 此时， st由 sDt持久强度和 snt蠕变强度限控制。 即使不考虑材料蠕变造成的应力重新分布和安定性 区域的收缩， 由于 3st与 2sst之间已无内在联系， 仍控制(PL+Pb+Q) 最大应力强度3st亦无意义。 （3）按照 GB150 设计，即使控制材料的设计温度在蠕变温度以下，由 GB150 对设计温度的定 义可知（设计温度为沿元件金属截面的温度平均值） ，部分材料的实际温度仍可能处于蠕变温区。按 照上面的分析，在 ASME - 2 中应用安定性定理是严格限定材料不得进入蠕变极限控制其许用应力 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 强度的温区。所以，按 GB150 体系设计仍有不适用的可能。 （4）安定性定理（可以简单认为）要求结构（总体不连续处）应力偏量的变化范围不超过 2ss。 所以，考察结构的安定性必须以实际操作循环为基础，并需考虑特定操作循环的组合。只要满足安 定性要求，二次应力对结构的承载能力是没有影响的，所以 ASME - 2 对(PL+Pb+Q)应力强度的评 定安全系数取 1.0。 GB150 一般以操作循环的“极端”情况作为设计载荷或计算载荷，并不考虑操作循环，设计方 法属于静载设计。 实际上， 按GB150设计， 一般设计人员取操作载荷 “极端” 情况的某一倍数 （1.01.30） 为设计载荷以保证结构的“安全” 。有人可能因此认为：按照 GB150 体系设计，对于安定性判定结 果是偏于保守的。然而这种想法是过于简单化了，因为对于(PL+Pb+Q)应力强度的评定必须考虑特 定操作循环的组合而引起的主应力差的变化范围。 例如：某夹套容器，设备内采用无折边锥壳大端与圆筒连接，材料 16MnR，操作温度 20，材 料 20许用应力强度st=163 MPa。由于夹套压力循环在锥壳大端内表面引起的应力差变化由 0 到 - 155MPa；由于设备内压力循环在锥壳大端内表面引起的应力差变化由 0 到+450MPa。按照 GB150 基于静载的设计方法判定，450 MPa3st=489 MPa，结构是安定的。但按 ASME - 2 设计，应考 虑操作循环的组合： 主应力差的变化范围 = 450 - （- 155）= 605 MPa3st = 489 MPa，结构是不安定的。 （5）再分析比较 GB150 和 ASME - 2 对人员资格的要求，一般而言，仅仅取得 GB150 设计人 员资格或审核人员资格，而对 ASME - 2 规范没有全面深刻的了解，仅靠 GB150 的无折边锥壳大 端与圆筒连接的设计方法和设计步骤，许多情况下是不能得到正确结果的。也就是说运用该设计方 法，对设计人员而言需要有应力分析设计的基本能力。 4 结束语 由于 GB150 和 ASME - 2 在规范基础方面存在着差异，所以，在借鉴参考 ASME - 2 规范过 程时，应系统地、全面地分析两者的差异，这对于保证 GB150 规范条文的正确性无疑是必要的。 顺便提及一下， ASME - 1 无折边锥壳大端与圆筒连接 （采用加强圈） 的设计方法和 ASME - 1 规范的基础相匹配，也许在 GB150 中采用 ASME - 1 设计方法更合理。 综合考虑 GB150 和 ASME - 2 在材料使用温度范围、设计理论基础、设计基础定义、设计载