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大开孔对压力容器筒体上应力分布的影响探究

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  • 发布时间:2014-11-28
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压力管道上开孔和接管是压力管道中最典型的结构 ,这种结构结构从力学模型上是-种圆柱壳开孔接管结构 .这种结构广泛存在于现代石油化工、能源和核工业生产中,随着现代工业生产规模与生产装置的日益大型化 .圆柱壳开孔也逐渐向大开孔方向发展。

1 应力分类1.1 应力分类原则1)产生应力的原因应力是由各种机械载荷,如介质压力、容器、附件及材料的自重、风载荷、雪载荷或地震载荷等引起的,还是由温差载荷,如同-元件不同部位的温度差,厚壁容器壁厚各点的温度差等引起的。

2)导出应力的方法压力容器设计的力学基础主要是板壳理论与壳体理论。丽壳体理论又分为不考虑边缘效应的无力矩理论和考虑边缘效应的有力矩理论 .后者主要用于边缘应力的求解。两个相互连接的零件当存在几何结构不连续时,在介质压力作用下会引起两类不同性质的应力.-类是 .由介质压力和零件应力之间相平衡的关系导出的应力 ,如圆筒或锥壳上的环向应力与轴向应力:另-类.是由两连接件的边缘连接处在介质压力作用下总变形的协调关系导出的边缘应力3)应力存在的区域应力存在于容器的总体区域.还是局部区域。

4)应力的性质沿容器壁厚方向是均匀的或是非均匀分布的拉、压应力,还是沿壁厚方~向成线性或非线性分布的。两表面应力最大、方向相反、中间面或靠近中间面处为中性面的弯曲应力。显然.沿容器壁厚方向均匀分布的薄膜应力-旦达到材料的屈服强度.则意味着全壁厚范围的材料均已屈服,从而不能再继续承受载荷:沿容器壁厚按线性或非线性规律分布的弯曲应力即使达到材料的屈服强度.也仅能在器壁表面达到屈服、继续增加载荷仅使材料屈服层由表面向内层扩展.直至整个壁厚均达屈服才会导致容器失效。所以.薄膜应力对容器失效所构成的危险比弯曲应力更大。

1-2 应力分类1)-次应力- 次应力是指由于外加机械载荷的作用而在容器中产生的正应力或剪应力,它必须满足外域和内力的静力平衡关系 所以,~次应力不具有 自限性。具体包括下面三类:A、-次总体薄膜应力(尸m)--指遍及整个结构,满足压力或其它机械载荷所产生的薄膜应力B、-次局部薄膜应力(R)--指应力水平大于-次总体薄膜应力.但仅存在于结构局部区域的-次薄膜应力C、-次弯曲应力(只)--指存在于结构的总体范围,满足压力或其它机械载荷平衡,沿截面厚度线性分布的弯曲应力2)-次应力(Q)在外部载荷作用下,由于相邻部件的约束或结构 自身的约束 .需要满足变形连续条件所产生的法向应力或切应力统称为二次应力 其基本特征为具有 自限性.即局部屈服和小量塑性变形就可使变形连续条件得到部分或全部满足.从而塑性变形不再发展.由此缓解以至消除这种应力所造成的后果3)峰值应力(F)由局部结构不连续或局部热应力影响引起的,附加于-次加立次应力之上的应力增量称为峰值应力1-3 壳体开孔接管附近的应力分类根据上文所述的应力分类原则.对壳体开孔接管附近的应力进行分类。圆柱壳体开孔后,接管与壳体连接部位引起的应力有 :沿壁厚方向的平均应力即-次局部薄膜应力f无温差作用时)或-次局部薄膜加二次温差应力(有温差作用时):由相贯壳体变形协调产生的弯曲应力为二次弯曲应力以及由应力集中现象引起的峰值应力等。

2 大开孑L对简体应力的影响当压力容器筒体上开孔且有接管时.其应力状态远比板材上开孔但无接管时更为复杂.它不仅包括薄膜应力.而且包括由于接管和简体相连接时所引起的边缘应力以及由于开孔接管过渡区引起的局部应力集中。应力梯度较大.极易成为设备的破坏源,因此对开孔接管部位作详细的应力分析和强度评定是确保压力容器安全运行的重要环节之-。容器开孔接管引起孔边应力集中,其原因在于:-方面,容器筒身因开孔削弱了承载面积造成容器高薄膜应力;另-方面.容器整体的连续性被破坏.在开孔和接管处因变形不协调.连接处将产生较大的附加内力分量.影响最大的是附加弯曲应力,因此.开孔和接管附近形成局部的高应力区。再者.接管上有时还承受其他载荷以及容器开孔本身的制造缺陷和残余应力的影响.开孔附近就往往成为容器的薄弱部位 这种应力集中现象在歇孔情况下具有局部性 .可通过在- 定范围内的补强使应力集中大为缓解。根据压力容器的设计理论可知.-对于压力容器上的歇孔接管结构.只在孔边引起应力集中.而在离孔边较远处.圆筒的应力状态仍处于薄膜应力状态.其应力分析与强度计算已有大量文献做过论述关于受内压圆柱壳大开孔应力分布的情况.目前尚无合适的资料可供参考.研究大开孔情况下内压圆筒的应力分布规律与特征.特别是与歇孔情况相比有哪些主要区别 ,以期为结构设计提供理论依据 .具有十分重要的理论与实际意义。目前.可采用有限元方法模拟薄壁圆筒受内压大开于L的情况.可得到不同 .D/T组合下筒体的应力分布规律由分析结果可知.在 d仍较小时.开孔对简体应力的显著影响只限于孔边附近.而离孔边较远处仍然可以认为是薄膜应力状态这敲与压力容器设计理论中歇孔对简体应力的影响具有局部性的论点是-致的 但随着 d 和D/F的增加,不仅仅在孑L边 .而且在离孔边较远处的-定范围内.均不是单纯的薄膜应力状态.同时.内外表面的应力差也越来越大.这就是大开孔情况下的应力分布特点。这表明大开孔情况下.特别是在 DfT较大时.开孔对应力的影响己不仅仅局限于孔边.而歇孔对简体应力影响的局部性在大开孔情况下己不适用。

这-点对压力容器的设计具有重要的实际价值 由分析可知.大开孔情况下,即使是在离孔边较远处也不能用薄膜应力描述其应力状态。这是因为当d 较大.比如说超过 O.5时.离孔边较远处的筒体受力后其几何形状的轴对称性会遭到破坏.而对这种破坏的抵抗能力又会随着 D/it的上升而下降。因此,开孔以前,薄壁圆筒(下转第79页)作者简介: (1973-),女,汉族,1997年毕业于宁夏广播电视大学化工机械专业(大专),后于2011年毕业于宁夏大学电气工程及其自动化专业(本科)化工设备机械工程师,现主要从事压力容器设计。

科技视界 Science&Technology VisionScience& Technology Vision科 技 视 界 科技·探索·争鸣围岩覆盖厚度的确定 。还要根据围岩的构造情况,对 I、Ⅱ类围岩,岩石新鲜或微风化岩体,岩层完整性好,覆盖岩体抗内水压力的上抬作用,不仅靠岩体的自重 .还有岩块间的抗剪作用,即使上覆围岩厚度不到 0.4倍的水压力.也能保持稳定。而风化破坏较严重的Ⅲ、Ⅳ类围岩 由于完整性较差.则覆盖岩层厚度应取大于 0.4倍的内水压力的数值。

2.2 衬砌型式的选择衬砌形式的选择与围岩条件紧密相连.当水工隧洞的内水外渗会引起-些严重危害f如围岩失稳、边坡失稳 、周围建筑物失稳等)时,防渗常常是-个重要因素.另外。隧洞的运行条件、施工方法等也是衬砌形式选择要考虑的方面。例如.不衬砌及喷锚衬砌的糙率大.运行中产生的水头损失也大.只适应于流速较小的隧洞。当隧洞采用双护盾掘进机施工时.这种施工方法决定了衬砌形式只能采用预制钢筋混凝土管片的装配式衬砌以围岩条件 、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌形式的流程如图2所示,有时还需进行经济比较后再确定衬砌形式。

3 结语本文系统总结了衬砌的各种型式及其相应的优缺点、适应范围。

确定了影响衬砌型式选择的重要因素 ,得 出了以围岩条件、隧洞运行条件、防渗要求来选择衬砌形 的流程图,为之后水工隧洞断面设计中衬砌型式选择提供了依据。

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