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含凹坑缺陷的在用储气罐安全评定说明书.zip

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含凹坑 缺陷 储气罐 安全 评定 说明书
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题目名称含凹坑缺陷的在用储气罐安全评定题目来源 国家、省(部)级 市、校级 P企业(公司 ) 其他题目类型 工程设计 P 应用研究 基础研究 其他一、毕业设计(论文)概述第一部分,体积缺陷常规评定所需要基本数据的确定。凹坑缺陷在圆筒中间的部分,材料为304,桶内直径为1000mm,壁厚10mm,t=10,R=500mm,t/R=0.020.1,为薄壁圆筒。凹坑缺陷的表征为椭球型缺陷,以及对凹坑缺陷的安全评定。椭球型凹坑长短半轴长度分别设置为120mm和50mm,深度设置为4.5mm 第二部分,有限元的建模过程,采用1/4建模,首先建立1/4圆筒和一个椭球体,随后将椭球体平移到与圆筒相重合的位置,通过布尔减运算得到凹坑缺陷,之后定义单元属性和材料的力学性能,并且用SWEEP划分网格,继续又施加对 称约束和载荷,最后进行极限载荷的分析。第三部分,求解极限载荷的方法和步骤如下:(1)利用ANSYS软件对结构进行弹塑性有限元分析。弹塑性有限元分析属于非线性分析,采用逐步加载的增量算法,载荷步长选的过大对计算精度和收敛性都有直接影响,选的过小又影响计算效率。(2)随后采用逐步加载的增量运算方法,先生成应力-应变曲线,不断加大载荷直到应力-应变曲线完全进入屈服阶段,随后在该载荷下生成载荷-应变曲线,利用两倍弹性斜率法得到极限载荷 周 次工 作 内 容第7学期第17-19周查阅相关文献,翻译英文资料,撰写开题报告,理清研究思路。 第8学期第1-2周学习ANSYS有限元分析软件。第3-4周学习GB/T19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定标准,掌握含凹坑缺陷的容器断裂评定方法。第5-6周采用有限元方法分析储气罐无缺陷时的极限承载能力,并验证分析方法的准确性。第7周毕业实习。第8-10周采用有限元方法分析储气罐含缺陷时的极限承载能力,采用GB/T19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定标准,对含凹坑缺陷的在用储气罐安全性评定。第11-12周拟定论文大纲,确定论文内容,撰写毕业论文初稿。第13-14周提交并修改论文,准备答辩。第15周答辩。三、毕业设计(论文)已完成的研究部分寒假期间完成文献的查阅,外文文献3篇,国内文献20篇;对其中一篇外文文献进行了翻译,并撰写了开题报告。体积缺陷常规评定所需要基本数据的确定,包括凹坑的表征、凹坑的安全评定学习了ANSYS软件,基本掌握了ANSYS软件的分析流程;首先进行压力容器凹坑建模(椭球形凹坑),采用1/4建模(见图1);之后定义单元属性为SOLID185;采用sweep划分网格(见图2);施加对称约束在圆筒内壁施加载荷求解(进行极限载荷分析) 图1模型图 图2切割图 图3-3 单元网格的划分四、下一部分的工作安排1.通过极限载荷分析得到载荷-位移图或载荷-应变图。一般取塑性流动区最大位移点的位移或最大总应变的应变来作图2.通过极限载荷分析得出带凹坑缺陷容器极限载荷 PL 3. 带凹坑缺陷容器最高容许工作压力 Pmax按公式 确定 4.若 P 且实测凹坑尺寸满足的要求,则认为该凹坑缺陷是安全的或可以接受的;否则,是不能保证安全或不可接受的五、毕业设计(论文)工作中存在的问题1.建模问题:第一次建模过程中椭球形凹坑的建模的布尔运算无法进行,通过改变布尔预算执行的精度并重新进行执行布尔运算命令。2.网格划分问题:网格划分过程中初次采用自由网格划分,施加在约束和载荷后无法计算,之后又尝试Mapped和sweep划分网格,结果失败。通过改变扫掠命令选项的设置再次通过sweep划分成功。3.极限载荷分析时遇到困难,由于极限载荷分析属于弹塑性有限元分析,为非线性分析,需要采用逐步加载的增量算法。学生(签字)王智 2018 年 4月 24 日 指导教师(签字)陆怡 2018年 4 月25日一、 前言1引言1.1本课题的研究背景及意义在储气罐中,诸如焊缝、开孔、接管、转角、钢板、缺陷以及支撑部位等因外加载荷而产生局部峰值应力往往比容器设计应力大好几倍,由于交变应力作用,受力最大的晶粒中的应力超过材料的屈服极限时,晶粒将产生塑性变形(滑移,并逐渐发展成微小的裂纹,裂纹两端在交变应力的作用下不断扩展,最后导致压力容器泄漏或破裂。据统计,从60年代以来,国内外的储气罐破坏事故中,有40%左右是由于疲劳裂纹扩展引起的,可见研究储气罐疲劳问题的重要性。随着科学技术的不断发展,对机械结构的设计提出了更多的要求。其主要目标无非是减少产品的损坏率和提高产品的可靠性。但由于各种复杂的原因,往往会使我们的产品存在着这样或那样的缺陷从而降低了产品的使用寿命和使用可靠性,凹坑就是众多缺陷中典型的一种。在生产储气罐的行业中,对未经卷板、处于原始状态的钢板,其表面覆盖有热轧时形成的氧化铁皮,在其中可以发现一些凹坑在卷板的过程中,在卷板后及在钢管制作完成后和防腐前的搁置期间,可发现大量的凹坑,尤其是在喷涂环氧沥青后,由于视觉的作用,凹坑更为明显,并且在设备的安装中,也会因为操作的疏忽,使容器产生碰撞,也会发现凹坑。凹坑缺陷不但使局部受力断面减小,而且还会影响防腐质量。尤其存在受到交变载荷作用的储气罐中,对于疲劳寿命必然有一定的影响。因此,GB/T 1624-2004含缺陷的压力容器安全评定中,提出了一系列详细的凹坑缺陷的评定标准。而我们所要研究的凹坑缺陷,在储气罐中产生了较大的应力集中现象,在交变应力的作用的情况下,我们不能不考虑它对整个容器的疲劳寿命的影响,这也正是对其进行安全评定。121.2国内外研究现状及发展趋势国外压力容器安全评定研究始于上世纪70年代,它起源于核电站压力管道,一方面由于核电站的安全性要求较高,另一方面核电站中的事故主要是压力管道的泄漏或爆破。因此美、德、日等发达国家相继开展了压力管道的研究。美国以管理委员会为领导,在Battelle Columbus L 等研究机构参与下相继开展了一系列的研究。1971年由美国颁布的ASME评定标准是国际上第一部以断裂理论为基础的含缺陷压力容器安全评定标准。进入上世纪80年代后,相继完成了“退化管研究计划”和“管道与管道焊缝中短裂纹研究计划”。这为制定AEME规范第IV篇,打下了一定的基础。美国电力研究院(EPRI)完成的一系列研究已使J积分理论走向工业化,并已成熟地用于焊接结构中缺陷的安全评定。到了1980年,国际上发表的有关含缺陷压力容器的评定标准大约有十部。在国际上被广泛认可的有以下几部:(1) 英国的含缺陷结构完整性安全评定标准(R6)于1976年提出的R6这部标准,是国际上第一个提出失效评定图(FAD)方法标准,作为失效评定图的重要因素,失效评定曲线决定着最终的评定结果。10(2) 美国EPRI的评定规程美国电力研究院针对20世纪70年代国际上所广泛采用的评定标准进行研究分析,并结合本国压力容器的特点,于1982年提出来该评定标准,EPRI评定规程在综合英国原中央电力局的R6失效评定图和弹塑性断裂理论二者的基础上提出的,与R6评定标准并无差别,EPRI评定方法也是一部以FAD技术为理论依据的新的评定标准。7(3)欧洲工业结构完整性评定方法CSINTAP) 20世纪90年代欧洲委员会(European Commission)发动组织了一项旨在研究压力容器安全评定的计划,这一计划的目的是在欧洲建立一个各国均能使用的有关含缺陷压力容器合乎使用的安全评定项计划标准,该吸引了欧洲各个国家及组织的积极参与,经过好几年努力,在1999年提出“欧洲工业结构完整性评定方法”这一标准,简称SINTAP,并于2000年颁布使用。6我国压力容器安全评定的研究工作起步较晚,但近几年引起人们的高度重视,由于我国有较扎实的断裂力学的理论基础,又有国外大量的研究成果可以借鉴,因此起步水平较高,发展较快。近些年来,我国科研人员针对失效评定图技术进行了大量的研究,取得可喜的成果。王威强等13对缺口结构FAD进行了研究,较全面地研究了缺口根部曲率半径,缺口长度,缺口端部椭圆率以及试样类型、材料等对失效评定图的影响。提出了钝裂纹或缺口应力强度因子修正方法,通过这一修正方法建立的失效评定图可有效地消除缺口因素对失效评定的影响根据我国情况,其发展可以从下面几方面深入。(1)国产化:就是根据我国情况来制订研究计划。主要是面对石油、化工及民用工程(如城市煤气等)中管道的研究。(2)工程化:由于安全评定的理论基础是断裂力学,而对于它的使用需要使用者具备专门的断裂力学知识,在工程应用中受到了较大的限制,因此含缺陷压力容器的安全评定的工程应用研究是当前的首要任务。(3)智能化:随着计算机应用的逐步普及,智能化必然成为含缺陷压力容器安全评定的发展方向,南京化工大学化工机械研究所开展了这方面的尝试,编制了“含焊接缺陷结构疲劳可靠性评定的专家系统”应用人工神经网络理论,编制了计算机程序,用于管道疲劳寿命及承受弯矩能力的评定,到上世纪80年代初期,世界上已公布近10部压力容器缺陷规范或指导性文件。人工神经网络方法可以在非函数表达式形式下获得变量之间的变化规律,特别是在试验数据不易获得且实验费用昂贵、实验数据较少的情况下更显其优越性。9(4)概率化:断裂力学的研究历来是以确定性事件为前提的,然而在工程结构的评定中存在大量的不确定因素,例如:由于探伤探伤技术的局限和操作者水平的不同,使无损检测的结果并不十分准确;由于在结构上无法取样做材料试验而使得材料的基本性能也不十分准确;另外结构所售的载荷、温度和其他操作条件也都存在不同成都的波动;含缺陷结构的应力状态由于理论分析时的各种假定与计算过程中的各种简化而使应力分布也变得不准确。同时随着可靠性理论的广泛应用,对含缺陷压力容器安全评定结论也提出了可靠性要求。212 课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题2.1研究目标及内容: 本文采用ANSYS有限元分析软件,建立带凹坑缺陷的储气罐有限元分析模型,对模型进行极限载荷分析,并依据GB/T19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定规范含凹坑缺陷的空气储罐进行安全评定,主要完成的工作如下:(1)对不规则的凹坑缺陷进行规则化处理,将表面的不规则凹坑缺陷按其外接矩形将其规则化为长轴长度、短轴长度及深度分别为 2X,2Y及Z 的半椭球形凹坑。由于凹坑为3D立体结构,所以建立三维实体模型。(2)基于ANSYS有限元软件,考虑几何和载荷的对称性,建立带凹坑缺陷筒体的四分之一有限元模型,将筒体切割成凹坑区和非凹坑区,采用SOLID95实体单元,分别采用扫掠sweep和自由网格free方式划分网格,施加边界条件和载荷,进行弹塑性有限元分析。(3)随后采用逐步加载的增量运算方法,先生成应力-应变曲线,不断加大载荷直到应力-应变曲线完全进入屈服阶段,随后在该载荷下生成载荷-应变曲线,利用两倍弹性斜率法得到极限载荷(4)根据有限元分析得到的极限载荷,求得带凹坑缺陷空气储罐的最高允许工作压力本课题研究的凹坑缺陷的空气储罐的设计压力为1.0MPa,评定该凹坑缺陷是否可以接受,设备是否安全。112.2拟解决的关键问题:本课题针对凹坑缺陷得在用储气罐安全评定.1.将筒体表面凹坑规则处理成椭圆形凹坑,建立轴向和周向凹坑缺陷的三维几何模型。2.储气罐的ANSYS建模正确性3.ANSYS模型网格划分是否合理4.ANSYS模型力场施加是否合理5.绘制凹坑缺陷的载荷-应变曲线二、 研究方案的确定研究路线、方法,拟使用的主要仪器、药品1研究路线、方法:1.评定方法前提和使用条件:(1)应将评定缺陷打磨成表面光滑、过渡平缓的凹坑,并确认凹坑及其周围无其他表面缺陷或埋藏缺陷。(2)适用于符合以下条件的储罐:-B0/R0.18的筒壳或B0/R0.10的球壳;B0为缺陷附近实测容器壳体壁厚;-材料韧性满足压力容器设计规定,未发现劣化;-凹坑长度2X2.8;-凹坑宽度2Y不小于凹坑深度Z的6倍(容许打磨至满足本要求)。(3)对于超出上述限定条件或在服役期间表面有可能生成裂纹的凹坑缺陷,应按平面缺陷进行评定。152.凹坑缺陷的安全评定按下列步骤进行;(1)缺陷的表征;(2)缺陷部位尺寸的确定;(3)材料性能数据的确定;(4)无量纲参数G0的计算和免于评定的判别;(5)塑性极限载荷和最高容许工作压力的确定;(6)安全性评定3.含凹坑缺陷的在用储气罐的有限元分析(1)确定储气罐的缺陷类型及相关参数。(2)利用ANSYSY有限元分析软件对所研究的储气罐根据正常操作参数及相关的条件建立模型,对该模型进行模拟极限载荷分析。(3)画出由弹塑性有限元分析得到的应力-应变曲线,观察曲线是否完全进入屈服阶段,若没有则需要加大施加在筒体内壁的的载荷,再提取应力-应变曲线。直到曲线的后阶段进入屈服极限阶段,此时便可以提取各子步的最大应变点的载荷和应变来绘出载荷-应变曲线,有利用两倍弹性斜率法得到极限载荷。(4)根据GB/T 19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定结合极限载荷分析的结果对所研究的储气罐进行安全评定。2 主要研究手段主要研究手段ANSYS是一个功能非常强大的有限元分析软件,它可以根据模型中输入参 数的不确定性计算待求结果变量的不确定性问题和对于输出结果进行数理统计。 ANSYS有限元分析软件,处理问题一般可以分为三个阶段:前处理,计算和后处理。它可以将复杂的实际凹坑结构进行必要的简化、变化和处理,建成有限元模型,并以适应有限元分析的特点。在这个基础上运用ANSYS有限元软件完成相关的数值计算,然后再通过编制相关的分析计算程序进行结果分析。通过这种方法分析计算可靠性是目前比较成熟的方法之一,在机械工程行业中使用也比较普遍,故在此课题 的分析设计中采用ANSYS有限元软件是比较可行的,且结果相对比较可靠的。16三、 作者已进行的准备及资料搜集情况查阅相关文献,翻译英文资料,撰写开题报告,理清研究思路。学习ANSYS有限元分析软件及应力线性化方法。学习GB/T19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定标准,掌握含凹坑缺陷的容器断裂评定方法。四、阶段性工作计划与预期研究成果编号周次工作内容1 第7学期第17-19周 查阅相关文献,翻译英文资料,撰写开题报告,理清研究思路。 2 第8学期第1-2周 学习ANSYS有限元分析软件及应力线性化方法。 3 第3-4周 学习GB/T19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定标准,掌握含凹坑缺陷的容器断裂评定方法。4 第5-6周 采用有限元方法分析储气罐无缺陷时的极限承载能力,并验证分析方法的准确性。 5 第7周 毕业实习。 6 第8-10周 采用有限元方法分析储气罐含凹坑缺陷时的极限承载能力,采用GB/T19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定标准,对含凹坑缺陷的在用储气罐安全性评定。7 第11-12周 拟定论文大纲,确定论文内容,撰写毕业论文初稿。 8 第13-14周 提交并修改论文,准备答辩。 9 第15周 答辩。 五、主要参考文献1Kannan P, Amirthagadeswaran K S, Christopher T, et al. A simplified approach for assessing the leak-before-break for the flawed pressure vesselsJ. Nuclear Engineering & Design, 2016, 302:20-26.2Christopher T, Sankarnarayanasamy K, Rao B N. Fracture strength of flawed cylindrical pressure vessels under cryogenic temperaturesJ. Cryogenics, 2002, 42(11):661-673.3PLASTIC LIMIT LOAD ANALYSIS OF DEFECTIVE PIPELINESJ. Chen Gang (Center for Boiler and Pressure Vessel Inspection and Research,General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine,Beijing 100013,China)Liu Yinghua Xu Bingye (Department of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China).Acta Mechanica Solida Sinica.2003(02) 1 4JB4732-1995,钢制压力容器分析设计标准 S 2、 5G B/T19624-2004,在用含缺陷压力容器安全评定S 3、 6郑津洋,董其伍,桑芝富过程设备设计(第四版)M北京:化学工业出版社, 2015 7余伟炜,高炳军Ansys在机械与化工装备中的应用M. 北京:化学工业出版社,2007.7 8程强,丁虹,王毅. 80m3卧式液化储气罐缺陷的断裂力学分析J. 齐鲁工业大学学报:自然科学版,2010(3):34-37.9孙根.固定式压力容器表面凹坑缺陷的安全评定研究J.科技与企业,2015(23);143-14410马敬东,李亚宁. 国际缺陷评定方法研究进展J11季万勇.压力钢管凹坑缺陷探讨J.水利电力机械,2005,27(6):36-3712李志安.压力容器断裂理论与缺陷评定M.大连;大连理工大学出版社,1994:35-4013左尚志;钟群鹏;武淮生失效评定图中的等可靠性指标线1999(04)14郑涛,刘永强,廖英英,郝亮.基于ANSYS的压力容器表面凹坑缺陷安全评定分析J.石家庄铁道大学学报(自然科学版),2014,27(04):51-55.15崔文勇,任巧贤,常晓军,徐鸿.内压厚壁容器外壁表面凹坑应力场有限元分析J.北京化工大学学报(自然科学版),1999(02):43-47.16刘应华,岑章志,徐秉业.含凹坑缺陷圆柱壳的数值极限分析J.力学学报,1996(06):43-52.17高宇, 王茂廷, 林国庆,等. 基于ANSYS的压力容器表面双凹坑干涉效应分析J. 当代化工, 2011, 40(9):975-977.18纪晓懿. 含凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器的安全评定以及疲劳寿命的数值模拟研究D. 广西大学, 201219徐尊平. 含凹坑缺陷压力管道的有限元分析及安全评定D. 西南交通大学, 2006.20刘武军. 在用含凹坑缺陷的压力容器安全评定J. 城市建设理论研究:电子版, 2015(22).21沈飞. 论凹坑缺陷压力容器的安全评定J. 科技致富向导, 2012(15).六、指导教师审阅意见查阅了与课题相关的文献资料,对课题的国内外研究现状有了较全面的了解,拟定了课题的研究方案和技术路线,方案可行,阶段性计划较合理,同意开题。 签名 陆怡 2018 年 3 月 11 日(注:学生可根据文献综述的内容相应扩充本表各项的大小)第8页 共6页任务书 XX 学院 XX 专业 XX 班 XX 同学:现给你下达毕业设计(论文)任务如下,要求你在预定时间内,完成此项任务。一、 毕业设计(论文)题目含凹坑缺陷的在用储气罐安全评定二、毕业设计(论文)依据及参数 传统的压力容器设计思想以强度设计理论为基础,将材料视为均匀的连续体,而许多事故发生时,材料的工作应力大多低于材料的屈服强度,是由于缺陷引起的低应力脆断。一在用不锈钢储气罐,定期检测时发现在空气储罐筒体内壁有一凹坑缺陷,对该空气储罐的使用安全性进行分析评定。分析基础数据如下表:操作压力0.8MPa设计压力1.0MPa工作温度80设计温度100筒体材料304筒体内直径1000mm筒体厚度10mm三毕业设计(论文)目标及 内容1、 学习使用ANSYS 有限元分析软件,建立筒体有限元分析模型,并借助于功能强大的ANSYS有限元分析软件,对筒体的极限承载能力进行分析。2、 掌握含凹坑缺陷的筒体的极限承载能力进行分析的方法。3、 掌握含体积缺陷(凹坑)压力容器断裂失效评定的方法。四、课题所涉及主要参考资料1、JB4732-1995,钢制压力容器分析设计标准 S 2、GB/T19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定S3、郑津洋,董其伍,桑芝富过程设备设计(第四版)M北京:化学工业出版社,20154、余伟炜,高炳军Ansys在机械与化工装备中的应用M. 北京:化学工业出版社,2007.7五、进度安排周 次工 作 内 容检 查 方 式第7学期第17-19周查阅相关文献,翻译英文资料,撰写开题报告,理清研究思路。 检查翻译稿和开题报告第8学期第1-2周学习ANSYS有限元分析软件。典型结构有限元分析案例计算检查第3-4周学习GB/T19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定标准,掌握含凹坑缺陷的容器断裂评定方法。ppt汇报学习进展第5-6周采用有限元方法分析储气罐无缺陷时的极限承载能力,并验证分析方法的准确性。检查分析结果第7周毕业实习。检查实习日记、实习报告第8-10周采用有限元方法分析储气罐含缺陷时的极限承载能力,采用GB/T19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定标准,对含凹坑缺陷的在用储气罐安全性评定。检查评定方法及评定结果第11-12周拟定论文大纲,确定论文内容,撰写毕业论文初稿。检查论文初稿第13-14周提交并修改论文,准备答辩。检查论文终稿第15周答辩。答辩六、毕业设计(论文)时间 2017 年 12 月 25 日 2018 年 6 月 18 日七、本毕业设计(论文)必须完成的内容1调查研究、查阅文献和搜集资料。2阅读和翻译与课题内容有关的外文资料(外文翻译不能少于2万印刷字符,约合5000汉字)。3撰写开题报告,确定研究方案。4撰写毕业论文。八、备注本任务书一式三份,学院、教师、学生各执一份。 XX 系(教研室) 指导教师 XX 系(教研室)主任 XX 主管院长 XX 含凹坑缺陷的在用储气罐安全评定 摘要国内外对储气罐凹坑缺陷的研究主要集中于简单的凹坑形状,并限定于弹性范围或少量的实验测试。由于缺少系统的理论分析和足够的实验研究结果作为依据,现有国内的标准、规范对凹坑缺陷的容限值在总体而言较为保守,而在有些情况下不必要的返修补焊不仅会造成大量人力、财力、物力的浪费,尤其给不允许动用明火的现场工作带来相当大的难度,甚至影响工程质量,造成更大的损失。鉴于国内目前的状况,对压力容器的标准、规范中有关凹坑缺陷的依据和处理方法需要进一步的深入,使之既保证在用储气罐能够安全运行,又可以减少不必要的返修量,这不仅是生产安全的需要,同样也是经济要求。本文采用ANSYS有限元分析软件,建立带凹坑缺陷的储气罐有限元分析模型,对模型进行极限载荷分析,并依据GB/T19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定规范含凹坑缺陷的空气储罐进行安全评定,主要完成的工作如下:(1)对不规则的凹坑缺陷进行规则化处理,将表面的不规则凹坑缺陷按其外接矩形将其规则化为长轴长度、短轴长度及深度分别为 2X,2Y及Z 的半椭球形凹坑。由于凹坑为3D立体结构,所以建立三维实体模型。(2)基于ANSYS有限元软件,考虑几何和载荷的对称性,建立带凹坑缺陷筒体的四分之一有限元模型,将筒体切割成凹坑区和非凹坑区,采用SOLID95实体单元,分别采用扫掠sweep和自由网格free方式划分网格,施加边界条件和载荷,进行弹塑性有限元分析。(3)随后采用逐步加载的增量运算方法,先生成应力-应变曲线,不断加大载荷直到应力-应变曲线完全进入屈服阶段,随后在该载荷下生成载荷-应变曲线,利用两倍弹性斜率法得到极限载荷为3.0 MPa。(4)根据有限元分析得到的极限载荷,求得带凹坑缺陷空气储罐的最高允许工作压力为1.67MPa,本课题研究的凹坑缺陷的空气储罐的设计压力为1.0MPa,因此该凹坑缺陷可以接受,设备是安全的。关键词:凹坑、安全评定、有限元、极限载荷AbstractThe research on the pit defects of gas storage tanks at home and abroad mainly focuses on the shape of simple pits and is limited to the elastic range or a small number of experimental tests. Due to the lack of systematic theoretical analysis and sufficient experimental research results as a basis, the existing domestic standards and specifications are generally conservative in terms of the tolerance value of pit defects, and in some cases unnecessary repair welding will not only A great deal of manpower, financial resources, and material resources are wasted, especially in the field work that does not permit the use of naked flames. This has caused considerable difficulties, even affecting the quality of the project and causing greater losses. In view of the current situation in China, the basis and treatment methods for pit defects in the standards and specifications for pressure vessels need to be further intensified, so as to ensure that the use of gas storage tanks can be operated safely, and unnecessary repairs can be reduced. This is not only the need for production safetyIn this paper, finite element analysis software of ANSYS is used to establish a finite element analysis model of gas tank with pit defects, and the model is used for ultimate load analysis, and according to GB/T19624-2004 Safety Assessment of Pressure Vessels Containing Defects, including pits. Defective air tanks perform safety assessments and the main tasks are as follows:(1) Irregular crater defects are regularized, and irregular crater defects on the surface are halved according to their circumscribed rectangles. They are regularly converted into long axis length, short axis length and depth of 2X, 2Y and Z. Elliptical pits. Since the pit is a 3D three-dimensional structure, a three-dimensional solid model is established.(2) Based on the ANSYS finite element software, considering the geometric and load symmetry, a quadrant finite element model with a pit defect cylinder is established. The cylinder is cut into pit areas and non-pit areas, using SOLID95 entities. The unit uses sweep sweep and free mesh to divide the mesh, applies boundary conditions and loads, and conducts elastic-plastic finite element analysis.(3) Subsequently, a step-by-step incremental operation method is used to create a stress-strain curve, and the load is continuously increased until the stress-strain curve completely enters the yielding phase, and then a load-strain curve is generated under this load, using twice the elastic slope. The method has a limit load of 3.0 MPa.(4) According to the limit load obtained by the finite element analysis, the maximum allowable working pressure of the pit-defective air storage tank is 1.67 MPa. The design pressure of the pit-defective air storage tank studied in this study is 1.0 MPa, so the Pit defects are acceptable and the equipment is safe.Keywords: pit;safety assessment;finite element;ultimate load目录摘要I术 语 表V1 绪论11. 1研究的目的和意义11.2含缺陷压力容器安全评定的研究现状21.2.1国外压力容器安全评定研究动态21.2.2国内压力容器安全评定研究进展及未来发展31.2.3有限元分析方法的发展及应用领域41.3断裂力学的理论简介41.3.1 线弹性断裂力学51.3.2弹塑性断裂力学51.4 论文的主要研究内容及技术路线61.4.1 论文的主要内容61.4.2 技术路线61.5 本章小结72 储气罐缺陷简介82.1 引言82.2储气罐的基础参数92.2.1储气罐结构图92.2.2储气罐的相关数据92.3 储气罐缺陷的概括102.3.1储气罐凹坑缺陷简介102.3.2储气罐凹坑缺陷数据102.3.3 凹坑缺陷的表征112.4 本章小结123 含凹坑缺陷的储气罐极限载荷的有限元分析133.1 引言133.2有限元方法及ANSYS软件133.2.1有限元分析法简介133.2.2 有限元的分析过程143.3应用ANSYS软件对含凹坑缺陷的储气罐进行分析153.3.1 模型的建立153.3.2模型合理性的验证153.3.3 材料特性163.3.4 有限元网格划分163.3.5 设置约束和载荷183.3.6 有限元应力分析结果193.3.7 极限载荷分析213.4 本章小结254 含凹坑缺陷压力容器的安全评定程序264.1引言264.2 含凹坑缺陷安全评定的相关规定264.2.1评定方法前提和使用条件264.2.2 评定的程序264.2.3 缺陷的表征与缺陷部位容器尺寸的确定274.2.4 材料性能数据的确定274.2.5 Go的计算和免于评定的判别274.2.6 塑性极限载荷和最高容许工作压力的确定284.2.7安全性评定284.3 对所选的凹坑进行安全评定284.3.2G0的计算284.3.3无凹坑缺陷储气罐塑性极限载荷PL0的计算294.3.4 带凹坑缺陷储气罐极限载荷PL的计算294.3.5带凹坑缺陷储气罐最高容许工作压力按公式(3-4)计算294.3.6 带凹坑缺陷的储气罐的安全性评定294.4本章小结295 结论与展望305.1 主要结论305.2未来展望30参 考 文 献32附录A35术 语 表 弹性模量 泊松比 屈服强度 极限载荷 屈服点 流动应力 无凹坑缺陷壳体塑性极限载荷 带凹坑缺陷容器极限载荷 焊接接头系数 带凹坑缺陷容器最高容许工作压力 筒体厚度 筒体平均半径 凹坑长轴长度 凹坑短轴长度 凹坑深度 筒体内径VII1 绪论1. 1研究的目的和意义压力容器是工业生产中常用的设备,特别是在石油、化工和电力行业中,压力容器也是必不可少的,它们是非常危险的设备,易于发生损坏事故和事故。在生产或操作过程中,压力容器容易产生不同类型的缺陷。这不仅会影响压力容器的正常使用,还会在使用过程中造成压力容器损坏,严重影响周边设备的正常使用,造成损坏,甚至发生人身伤害或死亡。因此,压力容器在使用或正常管理期间的安全检查不能掉以轻心。世界工业生产中使用的压力容器,无论是家用压力容器还是进口压力容器,都不可避免地存在不同程度的缺陷。压力容器的潜在危险与其制造工艺和服务环境有很大关系。许多压力容器不仅自身承受很大的压力,而且常常伴随有高温,高压或腐蚀性介质的组合。近年来,为了适应工业生产,压力容器逐渐发展到大型高压开发,如航空航天工业用油箱和大规模工业生产的球罐。实践表明,并非压力容器的损失失效都是因为其存在焊接缺陷。有些缺陷是可以允许存在的,如果这些存在的缺陷在压力容器使用过程中并没有发生扩展,则压力容器存在的缺陷可以不需要返厂维修,因此对于该缺陷的存在是可以接受的。鉴于此,在发现压力容器存在的缺陷时,对其进行研究的最重要的问题就是,准确的判断确认所发现的缺陷类型,并进一步判断该含有缺陷的压力容器能否可以继续使用。因此,对于处理该类问题的一个重要的科学理论依据就是“合于使用”原则的产生和推广应用。“合于使用”原则的产生,使得世界各国的专家学者认为并不是压力容器存在的全部超标缺陷都会导致压力容器发生故障或者事故,首要的问题还是要区别容器所缺在的缺陷,并对其进行更深入的安全分析评定,根据评定结果处理掉具有威胁性高的缺陷,保留对压力容器危险性低的缺陷。随着各个国家越来越重视压力容器在制造中或者使用中所产生的缺陷,采用相应的措施对缺陷进行安全评定。近年来,国际上所谓的完整性评定或“合于使用”的安全评定都是通过缺陷评定技术和安全评定发展而来的10。一般来说储气罐体积型缺陷中最常见的便是凹坑,它不仅可能通过对其他表面或近表面造成应力集中,也有可能由腐蚀或机械损伤产生。由于凹坑的存在,储气罐不仅容易造成应力集中,而且因为疲劳载荷的作用而萌生裂纹,影响储气罐的安全运行,对储气罐使用安全性和使用寿命都会产生一定的影响,甚至可能引发产生储气罐的破坏事故。随着科学技术的不断发展,对机械结构的设计提出了更多的要求。其主要目标无非是减少产品的损坏率和提高产品的可靠性。但由于各种复杂的原因,往往会使我们的产品存在着这样或那样的缺陷从而降低了产品的使用寿命和使用可靠性,凹坑就是众多缺陷中典型的一种。在生产储气罐的行业中,对未经卷板、处于原始状态的钢板,其表面覆盖有热轧时形成的氧化铁皮,在其中可以发现一些凹坑在卷板的过程中,在卷板后及在钢管制作完成后和防腐前的搁置期间,可发现大量的凹坑,尤其是在喷涂环氧沥青后,由于视觉的作用,凹坑更为明显,并且在设备的安装中,也会因为操作的疏忽,使容器产生碰撞,也会发现凹坑。凹坑缺陷不但使局部受力断面减小,而且还会影响防腐质量。尤其存在受到交变载荷作用的储气罐中,对于疲劳寿命必然有一定的影响。因此,GB/T 1624-2004含缺陷的压力容器安全评定中,提出了一系列详细的凹坑缺陷的评定标准。而我们所要研究的凹坑缺陷,在储气罐中产生了较大的应力集中现象,在交变应力的作用的情况下,我们不能不考虑它对整个容器的疲劳寿命的影响,这也正是对其进行安全评定11。1.2含缺陷压力容器安全评定的研究现状1.2.1国外压力容器安全评定研究动态国外压力容器安全评估研究始于20世纪70年代,它起源于对核电站的压力管道的研究1。 一方面,核电厂的安全要求相对较高, 另一方面,核电站事故的发生主要是由于压力管道的泄漏或爆炸。 因此,美国,德国,日本等发达国家陆续对压力管道进行了研究,美国以管理委员会为领导,在Battelle Columbus L 等研究机构参与下相继开展了一系列的研究。美国在1971年颁布的ASME评估标准是基于断裂理论的缺陷压力容器的首个安全评估标准。 而进入上世纪80年代后,美国已完成“退化管研究计划”和“管道焊缝短裂纹研究计划”2,这为建立AEME准则第四部分奠定了基础。 美国电力科学研究院(EPRI)完成的一系列研究已导致J积分理论的工业化,并已成熟用于焊接结构缺陷的安全评估。 到1980年,已经大约有10个国际颁布的缺陷压力容器评估标准,以下是国际上广泛认可的:(1)英国的含缺陷结构完整性安全评定标准(R6)20世纪70年代,由于压力容器的众多缺陷,使得英国工业的正常生产受到极大的影响,因此英国中央电力局组织相关研究压力容器的诸多机构,对本国由于压力容器含有缺陷而导致的事故进行检查和统计研究。经过数年的努力,于1976年提出了“含缺线结构完整性评定()”这一部标准,这也是国际上第一个提出失效评定图()方法的标准,它是以裂纹张开位移 作为理论依据,从模型来推断它的失效评定曲线,可将塑性失稳、脆性断裂和弹塑性断裂这三种失效情况用一张评定图表示。(2)美国EPRI的评定规程美国电力研究院针对20世纪70年代国际上所广泛采用的评定标准进行研究分析,并结合本国压力容器的特点,于1982年提出来该评定标准,EPRI评定规程在综合英国原中央电力局的R6失效评定图和弹塑性断裂理论二者的基础上提出的,与R6评定标准并无差别,EPRI评定方法也是一部以FAD技术为理论依据的新的评定标准。1986年R6第三版将EPRI的J积分工程解简化,提供了三种选择曲线:通用曲线、材料特定曲线、J积分曲线。通过计算两坐标(L,K)值。确定一个点与已知曲线比较看点落在曲线的哪一次来判定缺陷的可接受性。2001年R6第四版对失效评定三种曲线做了修改,增加了概率断裂力学、LBB分析、有限元法等内容3。(3)欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP)20世纪90年代欧洲委员会(European Commission)发动组织了一项旨在研究压力容器安全评定的计划,这一计划的目的是在欧洲建立一个各国均能使用的有关含缺陷压力容器合乎使用的安全评定项计划标准,该吸引了欧洲各个国家及组织的积极参与,经过好几年努力,在1999年提出“欧洲工业结构完整性评定方法”这一标准,简称SINTAP,并于2000年颁布使用5。1.2.2国内压力容器安全评定研究进展及未来发展我国压力容器安全评定的研究工作起步较晚,但近几年引起人们的高度重视,由于我国有较扎实的断裂力学的理论基础,又有国外大量的研究成果可以借鉴,因此起步水平较高,发展较快。近些年来,我国科研人员针对失效评定图技术进行了大量的研究,取得可喜的成果。王威强11等对缺口结构FAD进行了研究,较全面地研究了缺口根部曲率半径,缺口长度,缺口端部椭圆率以及试样类型、材料等对失效评定图的影响。提出了钝裂纹或缺口应力强度因子修正方法,通过这一修正方法建立的失效评定图可有效地消除缺口因素对失效评定的影响根据我国情况,其发展可以从下面几方面深入。4(1)国产化:就是根据我国情况来制订研究计划。主要是面对石油、化工及民用工程(如城市煤气等)中管道的研究。(2)工程化:由于安全评定的理论基础是断裂力学,而对于它的使用需要使用者具备专门的断裂力学知识,在工程应用中受到了较大的限制,因此含缺陷压力容器的安全评定的工程应用研究是当前的首要任务。(3)智能化:随着计算机应用的逐步普及,智能化将不可避免地成为缺陷压力容器安全评估的发展方向。 南京化工大学化工机械研究所在这方面进行了尝试,制定了“含焊接缺陷结构疲劳可靠性评定的专家系统”应用人工神经网络理论,并编制了计算机程序来评估管道的疲劳寿命和抗弯矩的能力,到20世纪80年代初,近10个压力容器缺陷规范或指导文件已经发表 人工神经网络方法能够以非函数表达式的形式获得变量之间的变化规律,特别是当实验数据不容易获得,实验成本高且实验数据较少时更显其优越性4。(4)概率化:断裂力学的研究历来是以确定性事件为前提的,然而在工程结构的评定中存在大量的不确定因素,例如:由于探伤探伤技术的局限和操作者水平的不同,使无损检测的结果并不十分准确;由于在结构上无法取样做材料试验而使得材料的基本性能也不十分准确6;另外结构所售的载荷、温度和其他操作条件也都存在不同成都的波动;含缺陷结构的应力状态由于理论分析时的各种假定与计算过程中的各种简化而使应力分布也变得不准确。同时随着可靠性理论的广泛应用,对含缺陷压力容器安全评定结论也提出了可靠性要求6。1.2.3有限元分析方法的发展及应用领域有限单元法是在20世纪50年代中期,最早以解决结构力学、弹性力学问题发展起来的。后来进一步研究表明,它不是计算某个特殊问题的专用解法,而是一种通用的数值法,可以推广到其他领域。有限单元法不受物体几何形状限制,可以计算复杂结构的场问题。这是因为单元能按各种不同的连接方式组合在一起,且单元本身又可以有不同的几何形状,因此可以模拟几何形状复杂的结构。目前,有限单元法已经远远超过了原有的应用范畴,已从弹性力学扩展到弹塑性力学、岩石力学、地质力学、流体力学、热传学、气动力学、计算物理学等学科,且开始向纳米级的分子动力学渗透、 1.3断裂力学的理论简介断裂力学,就是从材料或构件中存在宏观裂纹这一点出来,应用弹性力学和塑性力学理论,研究材料或结构中裂纹产生和扩展的条件和规律的学科。或者,简言之,断裂力学就是研究裂纹材料或结构的强度及裂纹扩展规律的一门学科。传统强度设计以材料力学为基数的,假设材料均质、连续、各向同性、没有裂纹和缺陷,设计时只要满足下式结构就安全,否则就不安全: 。对于塑性材料(如中低钢、合金钢) ;对于脆性材料(如铸铁) ,式中:为工作应力,为许用应力, 为材料抗拉强度,n为安全系数5。一般认为当机件在许用应力以下工作时不会发生塑性变形或断裂,但是对于刚强度材料制造的机件,或中低强度材料制造的大型、重型机件,即使按上述强度平判据进行设计。经常在应力远低于材料屈服强度的状态下发生脆性断裂。为防止这种低应力脆性断裂,过去传统的设计方法是对各种具体工作条件下的机件,对材料的塑性指标、,韧性指标ak或CVN和韧脆转化温度TK提出一定的要求,但是这些指标完全凭经验选定,无法进行定量计算。因此,设计人员为了避免事故的发生,总是把塑性、韧性取得大一点,这就导致确定材料的许用应力偏低,机件尺寸和重量增加。即使采用凭经验确定的塑性、韧性值,因为缺乏充分的根据,也不能确保机件的工作安全。例如,50年代美国北极星式导弹固体燃料发动机壳体采用屈服强度为1400Mpa的高强度钢,并且经过系列传统的韧性指标的检验,但却在点火后就发生了脆性断裂。由此可见,许用应力、安全系数在辅助塑性、韧性的设计选材办法,在许多情况下,并不能可靠地防止脆断,因而促使人们更深入地研究发生脆性断裂的原因。1.3.1 线弹性断裂力学线弹性断裂力学是断裂力学的一个重要分支,它用弹性力学的线性理论对裂纹体进行力学分析,并采用由此求得的某些特征参量(如应力强度因子、能量释放率)作为判断裂纹扩展的准则。众所周知,金属受力会发生变形,当超过屈服极限时,即产生塑性变形。在塑性变形的过程中,金属不断地强化,当塑形变形消耗殆尽而达到强化极限,就会断裂,这种断裂称为过载断裂,或正常断裂。这种塑性变形和断裂的过程,完全取决于应力这个单一的力学参量。只要将应力控制在屈服极限以内,构件就不会产生塑性变形,更不会发生断裂,这就是材料力学所提出的传统设计思想。然而,人们还可看到了另一种灾难性的断裂,这种断裂常常发生在远低于屈服极限的容许应力以下,不经历塑性变形,断裂前为征兆,一旦断裂则瞬时完成,而且是粉碎性的,这就是人们所说的“低应力脆断”4。通过线弹性断裂力学分析,能回答某一工作载荷下所允许的最大裂纹尺寸、有裂纹的结构能承受多大的载荷以及它的使用寿命等问题。而对于中、低强度钢的一般结构以及薄壁压力容器等裂纹问题,由于裂纹顶端往往产生了大范围屈服,这时线弹性断裂力学分析已经失效,而要进一步依靠弹塑性断裂力学来进行分析。断裂力学就是在这样的背景下发展起来的。断裂力学不同于传统的材料力学,其显著的特点是把材料或机件看作是裂纹体,而不再是均匀无缺陷的连续体10。1.3.2弹塑性断裂力学线弹性断裂力学是把材料视为力学线弹性的,运用线弹性理论研究裂纹失稳和扩展的规律,而得到裂纹失稳扩展准则的,但对于塑性材料,由于裂纹尖端应力高度集中,尖端附近首先屈服形成塑形区域。若塑性区的尺寸远小于裂纹尺寸(小范围屈服),则可认为塑性区对绝大部分的弹性应力分布影响不大,应力强度因子仍可以用来近似表征弹性变形区域的应力场,在这种情况下,适当修正应力强度因子后,线弹性断裂力学的分析方法和结论仍能适用。但对于中、低碳钢的中小型构件、薄壁结构、焊接结构的拐角和压力容器的接管处,在裂纹尖端附近往往发生大范围屈服甚至全面屈服,这时线弹性断裂力学的结论就不再适用,需要采用弹塑性断裂力学对其进行研究7。一般金属材料在裂纹扩展前,其裂纹端部都将出现一个塑性区。当次塑形区域尺寸很小,即远小于裂纹尺寸(rTime Hist postprocDefine Variables在随之弹出的对话框中点击Add键,定义第一个变量序号为2,找到最大应力点,选取第一个变量stress,确定与之对应的下一级选项(如Y-direction SY等);返回定义变量对话框,再点击add键,定义第二个变量序号为3,选取第二个变量strain-elastic及以及对赢得下一级选项(如Y-dirn EPEL Y等,在应力-应变图中,其向量的取向应相同)。同理再定义变量4,选取变量strain-plastic及与之对应的下一级选项如Y-dirn EPEL Y等),在应力-应变图中,应变是弹性应变和塑性应变累加的总应变。为使其实现相加,还需进行以下操作:拾取主菜单:Main MenuTime Hist postprocmath operationadd,定义计算变量序号为5,同时在相应交互框内输入3和4。点击确认键,则由变量3,4代表的应变之和就存在变量5中。2绘制应力-应变曲线:拾取主菜单:Main MenuTime Hist postprocsettinggraph.设置x轴向变量为单变量,并将其变量序号定义为5。点击确定键退出退化框。拾取应用菜单:Utility Menuplot ctrlsstylesGraphsModify axis.将x,y坐标轴分别命名为Y-strains,Y-stress,拾取主菜单:Main MenuTime Hist postprocgraph variables. 在对话框上the first variable对应的交互框中输入2。点击确定键,则预想的应力-应变曲线就显示在屏幕上。由此可以得应力-应变曲线如下:0.8Mpa时应力-应变曲线还处于弹性变形阶段(见图3-9),还未进入屈服阶段,无法利用两倍弹性斜率法得到极限载荷,所以需要加大施加在筒体内壁的载荷以致应力-应变曲线进入屈服阶段,类似于图3-10。 图3-9 0.8Mpa时的应力-应变曲线图3-10 完整状态下的应力应变曲线示例图3.6Mpa时应力-应变曲线(如图3-11)已有小部分进去屈服阶段,则以极小的增量加大筒体内壁载荷。图3-11 3.6Mpa时的应力-应变曲线由图3-12可知3.85Mpa时的应力-应变曲线逐渐趋于平稳,稳定在140Mpa,参考图3-10可知此时应力应变曲线进入屈服阶段。图3-12 3.85Mpa时的应力-应变曲线(4)由上述在筒体施加3.85Mpa载荷时的情况下,提取部分子步的最大应力点的载荷和对应的总应变(见附录A),分别以各步载荷为横坐标,各步总应变为纵坐标,绘出载荷-应变曲线,又由两倍弹性斜率法可得到极限载荷为3.0Mpa,见图313图3-13 载荷-应变曲线3.4 本章小结(1)本章首先简要介绍了有限元分析软件ANSYS,然后利用ANSYS软件构造了含凹坑缺陷的储气罐的模型,之后对模型进行了详细的网格划分,最后确定边界条件及载荷的加载状况,最后对该模型进行了求解。(2)通过利用ANSYS构建含凹坑缺陷的储气罐模型进行模拟,得到了其Mises应力分布图,得到最大应力点(3)之后又通过不断加大筒体内壁的载荷,使应力-应变曲线进入屈服阶段,在此载荷的情况下又绘制载荷-应变曲线,利用两倍弹性斜率法得到极限载荷。4 含凹坑缺陷压力容器的安全评定程序4.1引言GB/T19624-2004在用含缺陷的压力容器安全评定这一安全评定标准是通过近代技术发展作为其理论依据,并且是借鉴国外的先进评定技术发展经验和结合我国在这一领域里数十年所积累的大量实验结果和最新的先进科研成果上建立的。此标准主要应用于,在用的压力容器具有钢制超标缺陷的安全评定。GB/T19624-2004可以被用于对压力容器所具有的平面缺陷或体积缺陷进行安全评定。应用该标准对压力容器进行评定时,首要步骤是对实际的缺陷进行简化,使其具有一定的规则性。在进行简化评定的过程中,对缺陷进行简化,依照相关的标准确定其等效凹坑尺寸。由于本文研究的问题是储气罐筒体凹坑缺陷,因此下面主要介绍常规评定的相关规定。4.2 含凹坑缺陷安全评定的相关规定4.2.1评定方法前提和使用条件(1)应将评定缺陷打磨成表面光滑、过渡平缓的凹坑,并确认凹坑及其周围无其他表面缺陷或埋藏缺陷。(2)本方法适用于符合以下条件的储罐:- 0.18的筒壳或0.10的球壳;为缺陷附近实测容器壳体壁厚;-材料韧性满足压力容器设计规定,未发现劣化;-凹坑深度小于计算厚度的%,且坑底最小厚度不小于2mm-凹坑长度2X2.8 ;-凹坑宽度2Y不小于凹坑深度Z的6倍(容许打磨至满足本要求)。(3)对于超出上述限定条件或在服役期间表面有可能生成裂纹的凹坑缺陷,应按平面缺陷进行评定17。4.2.2 评定的程序凹坑缺陷的安全评定按下列步骤进行;(1)缺陷的表征;(2)缺陷部位容器尺寸的确定;(3)材料性能数据的确定;(4)无量纲参数G0的计算和免于评定的判别;(5)塑性极限载荷和最高容许工作压力的确定;(6)安全性评定评定程序如图4-1:图4-1 凹坑缺陷的评定程序示意图4.2.3 缺陷的表征与缺陷部位容器尺寸的确定对经检测查明的凹坑缺陷,根据其实际位置、形状和尺寸,按2.3.3的规定将其规则化,并确定凹坑所在部位容器的计算厚度 和平均半径。4.2.4 材料性能数据的确定先确定在评定工况下材料的屈服点 ,评定中所需的材料流动应力 按下述规定选取: 用于非焊缝区凹坑 用于焊缝区凹坑其中焊接接头系数 按容器的实际设计要求选取;当无法得到容器的设计要求时,也可按GB 150-1998或其他相关标准确定。4.2.5 Go的计算和免于评定的判别容器表面凹坑缺陷的无量纲参数 G 按公式(5-11)计算: (4-1)若 ,则该凹坑缺陷可免于评定,认为是安全的或可以接受的;否则应继续按 3.2.6和3.2.7的规定进行评定。4.2.6 塑性极限载荷和最高容许工作压力的确定(1)无凹坑缺陷壳体塑性极限载荷 的计算对圆筒形容器: (4-2)(2)带凹坑缺陷容器极限载荷 的计算对圆筒形容器: (4-3)(3)带凹坑缺陷容器最高容许工作压力按公式(3-4)计算: (4-4)4.2.7安全性评定若 且实测凹坑尺寸满足评定方法和限定条件的要求,则认为该凹坑缺陷安全的或可以接受的;否则,是不能保证安全或不可接受的17。4.3 对所选的凹坑进行安全评定4.3.1满足评定方法适用条件计算验算过程:(1) 0.18, (满足第一条件) (2)的%,不小于2mm , , (满足第三条件) (3)凹坑长度2X2.8, (满足第四条件) (4) (满足第五条件)4.3.2G0的计算根据公式(4-1)对所选的凹坑进行计算,对压力容器有 =1000mm,mm,对凹坑有2X=120,2Y=150,Z=4.5。 (4-5)由于 ,因此要对它进行安全评定。4.3.3无凹坑缺陷储气罐塑性极限载荷PL0的计算由于储气罐的凹坑缺陷在非焊缝区凹坑,所以Mpa对圆筒形容器: Mpa (4-6)4.3.4 带凹坑缺陷储气罐极限载荷PL的计算由第三章的有限元分析可得出带凹坑缺陷的储气罐的极限载荷Mpa4.3.5带凹坑缺陷储气罐最高容许工作压力按公式(4-4)计算Mpa (4-7)4.3.6 带凹坑缺陷的储气罐的安全性评定由于Mpa,Mpa,由可知该凹坑是安全的。4.4本章小结本章主要介绍了GB/T19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定中对于含凹坑缺陷的压力容器的安全评定的相关标准和程序,为下一步研究提供了依据。随后利用ANSYS的分析数据评定出该凹坑是安全的。5 结论与展望储气罐产生凹坑缺陷是储气罐服役期间的一大危险隐患,会影响其能否继续正常使用或减少储气罐的使用年限。通过安全评定得出的结果将会对含凹坑缺陷的储气罐的正常使用具有重要意义。本文对含凹坑缺陷的储气罐在正常工况下进行受力分析研究,应用ANSYS有限元软件建立了含凹坑缺陷的储气罐筒体分割体得模型,采用ANSYS有限元分析方法对所建立的模型进行应力分析,得出缺陷所在的截面的应力分布规律,进而又通过不断加大载荷,利用两倍弹性斜率法得到极限载荷,最后利用GB/T 19624-2004对凹坑缺陷进行安全评定。5.1 主要结论本论文的研究对象是含凹坑缺陷的在用储气罐,对于此类压力容器根据GB/T 19624-2014中在用含缺陷的压力容器安全评定 的要求,对研究的出气管需要进行了安全评定。由于凹坑缺陷的存在对容器的几何形状产生了影响,从而产生了应力集中现象,必然对在复杂环境下工作的储气罐的安全产生影响,通过使用ANSYS软件对凹坑缺陷进行弹塑性有限元分析。(1)利用有限元ANSYS软件,详细说明了含凹坑缺陷的储气罐建模、分割、划分网格、施加边界条件和载荷、增量运算与极限载荷分析。通过利用ANSYS构建含凹坑缺陷的储气罐的模型进行模拟得到Stress Intensity的应力分布图,借此可以确定最大应力点的位置。于是提取最大应力点的应力和应变绘制出应力-应变曲线,发现开始应力-应变曲线还处于弹性阶段,则需要不断加大计算前在筒体内壁施加的载荷,终于在施加载荷为3.85Mpa时应力-应变曲线完全达到屈服阶段。在此条件下又提取各步载荷和应变利用Excel软件绘制载荷-应变曲线。利用两倍弹性斜率法得到极限载荷。再将有限元软件得出的极限载荷带入国标中的评定标准中证明出该凹坑缺陷对储气罐是安全的。(2)利用ANSYS软件分析时,无论是采用1/4模型还是整体模型,不影响最终得到的极限载荷。进行有限元模拟时所截取的筒体的长度基本不影响结果,且施加载荷过小时,应力-应变曲线还未进入屈服阶段。5.2未来展望虽然本论文能够实现最初的研究目的,但在这短短的一年里,对于该类问题的研究还不够深入,不够全面,因此还需要对更深层次的问题继续分析研究:(1)本文针对含凹坑缺陷的储气罐进行了常规安全评定,由于时间以及数据获取的限制,未对含缺陷的进行疲劳评定。(2)此次对含凹坑缺陷的储气罐的研究,许多工程数据还比较缺乏,而且压力容器使用条件具有多种情况,本论文只是选取了该反应器在正常操作条件下的应力分布,因此此次的研究不够全面深入。在今后,应该充分利用时间,查阅国内外的相关文献,对其他运行条件下的含凹坑缺陷压力容器进行应力计算分析研究,以便能够更加深入地了解不同工况下储气罐的有限元分析及安全评定。(3)本文在模拟计算中缺乏完整的一套材料力学性能参数,此次的研究对象储气罐材料为304不锈钢,因为实验条件有限,无法对其进行材料试验,所以该压力容器的弹性模量、泊松比等材料性能参数的选取是通过查找国内外有关材料性能的资料和文献而获取,并非通过对压力容器进行试验确定,所以与实验材料相比会存在数据上的出入。因此今后应加大储气罐的材料进行试验研究18。(4)不论是有限元ANSYS软件的三维模拟还是安全评定本文只考虑了储气罐的一个凹坑缺陷,实际凹坑缺陷的数量往
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