鍛件資訊
2020-06-15 12:04
為了完成一定工藝性能，壓力容器本體上必將開(kāi)設(shè)一定數(shù)量的管口，如各種物料口、儀表口、檢查口等。對(duì)于外接管道的管口，由于管道自身承受介質(zhì)壓力、安裝與操作時(shí)的溫差變化及自重等原因，不可避免地將力和力矩傳遞到設(shè)備管口上。過(guò)大的外載荷使結(jié)構(gòu)處于不安定狀態(tài)，容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致失效。因此，為了容器的整體安全，必須對(duì)接管與殼體的局部應(yīng)力進(jìn)行核算，并將其限制在一定范圍內(nèi)。對(duì)于從設(shè)備殼體上直接伸出的徑向接管，外載荷對(duì)照力學(xué)模型容易確定;但對(duì)部分從設(shè)備底部或者頂部通過(guò)彎頭引出來(lái)的，如塔底進(jìn)出物料口，立式容器的排凈、放空口等，核算的首要問(wèn)題，是要按照力學(xué)模型，正確輸入外載荷條件。
1.外載荷核算模型
由于外載荷的多樣性及局部應(yīng)力計(jì)算的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范正文中，都未包括外載荷引起的局部應(yīng)力的計(jì)算。目前，廣為國(guó)際工程界應(yīng)用的有美國(guó)焊接研究協(xié)會(huì)WRC第107號(hào)公報(bào)［2］、WRC第297號(hào)公報(bào)［3］及英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)PD5500附錄G［4］。這些方法考慮了以下4種傳遞到殼體上的外部載荷，見(jiàn)圖1。(1)徑向載荷P;(2)周向切向載荷V1和經(jīng)向切向載荷V2;(3)周向外力矩M1和經(jīng)向外力矩M2;(4)扭轉(zhuǎn)力矩MT。一般情況下，由接管外載荷P、V1、V2、M1、M2、MT引起的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力發(fā)生在接管與殼體連接處外壁面的AU、BU、CU、DU和內(nèi)壁面AL、BL、CL、DL這8個(gè)點(diǎn)上［5］。局部應(yīng)力的強(qiáng)度評(píng)定通常參照分析設(shè)計(jì)的方法，即根據(jù)各種應(yīng)力的起因和性質(zhì)，***行應(yīng)力分類(lèi):(1)僅由盛裝介質(zhì)壓力P所引起的薄膜應(yīng)力為一次總體薄膜應(yīng)力Pm;(2)由外加載荷所引起的薄膜應(yīng)力的疊加為一次局部膜應(yīng)力PL;(3)由外載荷所引起的彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力Q。然后各類(lèi)應(yīng)力中的各向應(yīng)力分別進(jìn)行疊加，分別求出殼體和接管在各點(diǎn)處的經(jīng)向和周向正應(yīng)力，以及剪切應(yīng)力，計(jì)算復(fù)合應(yīng)力的當(dāng)量強(qiáng)度。當(dāng)各外載荷都不帶交變性質(zhì)，或可以免除疲勞分析時(shí)，各點(diǎn)復(fù)合應(yīng)力當(dāng)量強(qiáng)度的校核條件為［6］:(1)僅內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力σ≤［σ］t;(2)內(nèi)壓和各外載荷引起薄膜應(yīng)力的總值σ≤1.5［σ］t;(3)內(nèi)壓和各外載荷引起薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的總值σ≤3［σ］t。
2.彎出接管管道載荷
工程上，對(duì)于較大的管道外載荷，管道機(jī)械專(zhuān)業(yè)會(huì)把傳遞到設(shè)備管口法蘭面上的載荷以條件形式提給設(shè)備專(zhuān)業(yè)核算，或者設(shè)備專(zhuān)業(yè)在設(shè)計(jì)文件中限定每個(gè)管口許用外載荷大小。目前，核算常采用軟件分析，如SW6零部件的局部應(yīng)力模塊，PVelite的WRC297模塊等。在軟件的力學(xué)模型中，要求輸入作用在法蘭面上的力和力矩。但實(shí)際工作中，也常遇到帶有彎頭的接管，如塔底引出管。工作中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，部分設(shè)計(jì)人員在核算這種彎管型式外載荷時(shí)，常將作用在法蘭面上的力和力矩，直接平移到接管根部作為設(shè)計(jì)輸入。實(shí)際上，這種載荷直接平移，未考慮力的平移影響，得到的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果是不準(zhǔn)確的。本文分析了P，V1，V2平移后，對(duì)等效作用在接管根部的力矩和扭矩的影響。2.1力的平移定理設(shè)剛體的A點(diǎn)作用著一個(gè)力F，在此剛體上任取一點(diǎn)O。現(xiàn)在討論把力F平移到O點(diǎn)，而不改變其原來(lái)的作用效應(yīng)。首先，可在O點(diǎn)加上兩個(gè)大小相等、方向相反，與F平行的力F'和F″，且F'=F″=F，根據(jù)加減平衡力系公理，F(xiàn)、F'和F″與的F對(duì)剛體的作用效應(yīng)是相同的。顯然F″和F組成一個(gè)力偶，其力偶矩為m=F·d=MO(F)這三個(gè)力可轉(zhuǎn)換為作用在O點(diǎn)的一個(gè)力和一個(gè)力偶。由此可得力的平移定理:作用在剛體上的力F，可以平移到同一剛體上的任一點(diǎn)O，但必須附加一個(gè)力偶，其力偶矩等于力F對(duì)新作用點(diǎn)O之矩［7］。2.2彎管外載荷平移將作用在法蘭面上的FR由A點(diǎn)平移到O點(diǎn)，得力V2，同時(shí)還必須附加一個(gè)繞V1軸正方向旋轉(zhuǎn)的力偶FR·H;同理，將FL平移到O點(diǎn)，得徑向力P，同時(shí)也附加一個(gè)繞V1軸正方向旋轉(zhuǎn)的力偶FL·L;將FC平移到O點(diǎn)，得力V1，同時(shí)附加一個(gè)繞V2軸負(fù)方向旋轉(zhuǎn)的力偶FC·H，另外，對(duì)P軸負(fù)方向也產(chǎn)生了扭矩FC·L。將力系向O點(diǎn)簡(jiǎn)化，得到以下將載荷轉(zhuǎn)化到接管根部的方程式:局部應(yīng)力計(jì)算實(shí)例及分析某項(xiàng)目加氫反應(yīng)器，底封頭出料口彎出裙座之外，作用在法蘭密封面的管道機(jī)械載荷條件。核算條件中，力系作用點(diǎn)在法蘭面，計(jì)算模型中，需要將力系平移至接管根部，根據(jù)得到的方程，代入數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化后的管道載荷。作用在接管根部的載荷，并不是中力和力矩的簡(jiǎn)單平移。力的平移，對(duì)力矩和扭矩的數(shù)值有較大的影響。
隨著生產(chǎn)的日益擴(kuò)大，壓力容器的設(shè)計(jì)日益大型化、高參數(shù)化。對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)而言，不僅要注重介質(zhì)壓力對(duì)殼體厚度的影響，同時(shí)也要關(guān)注內(nèi)壓與外部載荷聯(lián)合作用下對(duì)殼體強(qiáng)度的影響，保證設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全。當(dāng)接管承受較大外載荷時(shí)，可以從如下幾點(diǎn)考慮:(1)減少兩連接件的剛度差;(2)接管根部角焊縫圓滑過(guò)渡，避免結(jié)構(gòu)突變;(3)適用補(bǔ)強(qiáng)圈的場(chǎng)合，盡量設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)圈。對(duì)于小接管，外伸較長(zhǎng)時(shí)，建議設(shè)置加強(qiáng)筋;(4)設(shè)計(jì)文件中對(duì)角焊縫提出必要的無(wú)損檢測(cè)要求;(5)如管道外載荷過(guò)大，將條件返回給配管專(zhuān)業(yè)，調(diào)整管道走向，或增加支吊架和撓性元件，降低管道所傳遞的載荷。
