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壓力容器基本受壓元件強度有限元分析

發布于:2022-05-31 19:58
有限元分析

      石油化工用承壓設備的大型化以及國外石油化工裝置在PMC和EPC過程中,壓力容器設計工程規定通常以ASME規范為主,再在其基礎上增加工程慣例。本文主要介紹ASME壓力容器建造規則中的基本受壓元件的強度有限元分析并與GB 150作對比。
      ASME包括壓力容器建造規則和壓力容器建造另一規則,其中材料的許用應力S和許用應力強度S。由于分析設計使設備不同部位的應力得到控制和合理分配,而且在材料、制造、檢驗、試驗以及質量保證等方面都要比常規設計嚴格,因此分析設計采用較低材料設計系數。
      ASME V-1規范在1999年的增補中將抗拉強度的設計系數由4.0改為3.5,由于煉鋼技術、無損檢測和斷裂韌性評價技術的進步,使這種調整并未降低壓力容器的安全性。無論壓力容器的組成如何,其基本受壓元件都可以分解為板(平封頭)和殼(圓筒體、球殼、橢圓形封頭、碟形封頭、錐形封頭)元件;臼軌涸加邢鄳脑O計準則,了解這些方法的推導過程和力學意義不但可以加深對標準和規范的理解,而且能提高自身的設計水平。
      基本受壓元件中最重要的是圓筒體和球殼,其不但是壓力容器的常用元件,而且也是錐形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭的理論基礎,因此對圓筒體和球殼進行受力分析有助于對其他元件的理解。
      壓力容器所受載荷有壓力、溫度、地震等,其中在ASME的UG單元中列舉了承壓設備。設備所受的各種載荷產生的應力可分為:一次應力、二次應力和峰值應力。一次應力是結構為了平衡壓力等機械載荷作用而產生的應力,當一次應力超過極限時,即引起設備的破壞,一般稱為靜力強度失效。二次應力是為了滿足相鄰元件間變形協調引起的自平衡力系產生的應力,其基本特征是具有自限性。峰值應力是由局部結構的不連續性造成的應力集中加到一次和二次應力上的分量。由于橢球部分和直邊段在內壓下的變形不同,因此連接處存在邊緣應力,在ASME中給出了三種應力的分析方法。
      在內壓P的作用下,圓筒體和球殼中的應力可以用Lame公式進行計算。
      由Lame公式可以看出,在相同壓力下,圓筒體(球殼)越厚,其應力沿壁厚分布越不均勻,因此ASME根據徑比K(外徑與內徑的比值)將圓筒體(球殼)分為薄壁和厚壁兩種。ASME中薄壁、厚壁圓筒體(球殼)的計算公式差別很大,但均以Lame公式為理論基礎,其他一些文獻也給出了薄壁和厚壁殼體的設計方法。
      ASME規范將徑比K>1.5的圓筒體劃為厚壁圓筒,圓筒劃為薄壁圓筒,為便于應用ASME規范對Lame公式進行調整簡化得到圓筒體設計公式。
      環向接頭厚壁圓筒的接頭處一般為薄弱環節,可用軸向應力,對環向接頭進行評價。
      ASME規范以徑比K=1.356為界限劃分厚壁球殼和薄壁球殼。與圓筒體類似,ASME規范對Lame公式進行調整簡化得到球殼設計公式。
      對厚壁球殼(K>1.356),控制厚壁球殼內壁處周向應力,采用彈性失效準則,即得ASME規范厚壁球殼的計算式。
      橢圓形封頭由半橢球體和直邊段組成,在橢球部分由于曲率半徑變化是連續的,故封頭中的應力分布較為均勻,受力情況好于除半球形封頭外的其他形式封頭。
      碟形封頭由半徑為G的球面部分、半徑為:的過渡區和直邊段三部分組成,在這三部分的連接處曲率半徑發生突變,在連接處產生邊緣應力。
      橢圓形封頭和碟形封頭的最大應力均位于封頭的過渡折邊附近,橢圓封頭和碟形封頭的計算公式。


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