压力容器应力分析设计方法的进展和评述

1、压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器的使用范围非常的广泛，在此根底上，我们一定更加重 视其 使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨 论压力容器 应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述1.1. 概念所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密 闭设备。贮运容器、反响容器、换热器和别离器均属压力容器。1.2. 用途压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研 和军 工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般 由筒体、封 头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大局部构成 容器本体。此外， 还配有平安装置、表计及完全不同生产工艺作用的 内

2、件。压力容器由于密封、 承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧 起火而危及人员、设备和财产的安 全及污染环境的事故。世界各国均 将其列为重要的监检产品，由国家指定的 专门机构，按照国家规定的 法规和标准实施监督检查和技术检验。 分析设 计方法在 ASME 老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为根底的 设 计, 简称“应力分析设计 ,再简称为“分析设计。它的特点是2.1. 要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采 用理 论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。2.2. 强度校核时采用塑性失效准那么。 包括用极限载荷控制一次应 力 , 以 防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制

3、一次加二次应力以及用 疲劳寿命控 制最大总应力 , 以防止循环失效等。2.3. 根据塑性失效准那么对弹性应力进行分类。2.4. 根据等平安裕度原那么确定危险性不同的各类应力的许用极限 值。综合起来可以说 , “应力分析设计是一种以弹性应力分析和塑性 失效准那么为根底的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法。早期 老版中的“分析设计只包含这一种方法。随着先进的 力学分析方法和手 段的不断成熟 即其有效性和可靠性到达实际工程应用的水平，ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了 “分析设计采用的 方法, 同时对“分析设 计的含义也有所调整。最突出的表现为 :2.4.1. 从弹性应力分析扩充到弹塑性

4、分析。和应力分类法弹性应力分析方法并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法ASME或直接法欧盟。2.4.2. 把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规那么设计中, “分析设计只规定通用性强的数值分析方法。另一方面, 在“规那么设计公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。随着时间的推移和科学的开展 , “分析设计的方法和内容还会有 新 的扩充和调整。在现阶段可以说 , “分析设计是一种以塑性失效准 那么为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。应力分类法3.1. 应力分类法是当今分析设计的主流方法 应力分类法有如下优点 :3

5、.1.1. 简单。采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。 应力 评定时直接给出各类等效应力的许用值 , 因而应力分类后的强度校 核与常规 设计类似。3.1.2. 通用。采用有限元软件可以对任何结构形状和载荷工况进 行弹 性应力分析。 3.1.3. 保守。各类应力的许用极限“已经设定在保 守的水平 上 , 因此总体上是一种偏保守的设计方法。3.14 成熟。自 1965 年在 ASME 第皿卷正式颁发以来已经应用了 49 年, 已被世界各国普遍采用 ,并公认为先进的压力容器设计方法。正 是因为这些优点 , 应力分类法仍然是当今压力容器分析设计的主流方 法。虽然 ASME 新版和欧盟标准都扩充

6、了基于弹塑性分析的新方法 ，但都并列地推荐了应 力分类法 ,而不是“不推荐采用基于应力分类的分析设计方法。目前在工程上真正应用 ASME 新版进行设计的实例尚未见报道 ，由于 根底数据的缺乏和对新的设计方法没有研究清楚 , 国际上的知名工程 公司均 不允许在工程上直接采用 ASME 新版，仍然沿用 ASME 老版进行设 计。3.2. 用于应力分类的等效线性化处理方法ASM 新版和欧盟标准 EN 在全面继承应力分类法的根本思想和基 本规 那么的同时 ,还对其实施方法作出了如下关键性的增补:3.2.1. 把经济、有效且已被工程界广泛采用的数值 有限元分析方 法作为分析设计的主要手段引入应力分类法

7、, 并标准了具体实施步 骤。3.2.2. 明确肯定了有限元计算结果的等效线性化处理方法 , 用较多的 篇幅给出了详细论述。关于线性化处理得到的非线性应力是否是峰值应力的问题 ,ASME 新版 中明确表示“应力分量沿贯穿壁厚的应力分类线SCL积分,以确 定薄膜和弯曲应力分量。峰值应力分量可以直接利用本方法通过将总 应力分布减去薄膜加弯曲应力分布而得到。 分析设计中应力分 类及其应 用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分为以下三类 :4.1. 一次应力一次应力是因外载荷作用而在容器部件中产生的正应力 或剪应 力。它没有“自限性，它的根本特点是当它超过材料屈服极限时将 产生过渡的变形而破坏。一次应力又分总体薄膜应力、一次弯曲应力和 局 部薄膜应力。例如承受内压圆筒的器壁中的环向应力即为总体薄膜 应力; 平 封头或顶盖中央局部在内压作用下产生的应力即为一次弯曲应 力 ; 壳体在固 定支座或接管处由外载荷和力矩产生的应力为局部薄膜应 力。4.2. 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。它的根本特点具有“自限性 , 即局部屈服和小 量变形就会使约束缓和、变形协调 , 只要不反复加载 , 二次应力不会引起容 器结构破坏。4.3. 峰值应力峰值应力是因局部结构不连续或形状突变引起的局部应力集中