压力容器局部区域的应力分析设计.pdf
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1、? ?3 (上海化工设计院设备室) ?就 “99版”压力容器安全技术监察规程 第40条有关内容展开分析讨论, 阐述按常规设计标准和分析设计标准设计计算时,材料许用应力、计算方法和判据 以及最终应力控制水平方面的差异;并阐述这种设计方法在相互交错、相互组合时 的处理方法;以及局部参照分析设计标准在分析计算中可能会遇到的一些问题。此 外,还论述了站在GB150常规设计立场上怎样正确理解和运用局部参照分析设计计 算的观点和方法。 ?压力容器 安全系数 分析设计 常规设计 应力分析 局部区域 在工程设计中,常会遇到一些特殊的设计 问题。如:工作压力为0115012M Pa的大型 储罐,用户要求设置矩形
2、人孔;工作压力较高 的立式容器大开孔按应力分析设计规定进行补 强计算;容器的接管、支座等处外载荷引起的 局部应力计算等问题。这些容器局部区域的设 计计算都会用到应力分析设计计算方法。 “99版” 压力容器安全技术监察规程 第 40条中指出:“对某些结构特殊的受压元件按 常规标准无法解决强度计算时,局部可以参照 JB4732规定的方法进行分析计算,并应经压力 容器设计技术负责人的批准。局部参照JB4732 标准进行压力容器受压元件分析计算的单位, 可不取应力分析设计项目资格。 ” 这就是说,某 一压力容器设备在整体按GB150常规设计标 准规定的方法设计时,局部区域的受压元件或 连接结构及其多种
3、部位和形式的局部应力计算 可参照JB4732标准规定的方法进行应力分析 设计计算。 “99版” 压力容器安全技术监察规程 的 这一规定为容器整体按GB150标准设计,而局 部超出GB150使用范围的受压元件或连接结 构的设计计算给出了原则性的规定。但在具体 操作中我们还会遇到一些问题。由于GB150材 料许用应力的安全系数及其该规定在设计思 路、计算方法、制造检验和验收控制等诸因素 的协调方面与JB4732有着明显的不同,因此在 参照JB4732进行局部区域的应力分析设计计 算时,材料的许用应力极限及其安全系数究竟 是按JB4732选择呢?还是按GB150选择?若局 部区域材料许用应力按JB4
4、732选择,在设计阶 段,还比较容易处理因两套标准的不同规定所 带来的矛盾,那就是材料取两种标准都能够接 受的标准牌号,同时进行协调低应力区对高应 力区产生的附加载荷的设计计算,且尽量从结 构上设计合适的应力梯度或留有足够的应力集 中衰退长度作为过渡。这是以等安全裕度原则 指导设计应注意的地方,并且在图纸的技术文 件中还应增加附加技术要求,明确局部区域的 受压元件或连接结构应按JB4732制造、 检验和 3 甘方林,男,1959年9月生,工程师。上海市,200032。 82压力容器局部区域的应力分析设计 验收。这样,一套设备采用两套安全系数,且 安全系数重叠部分一般取大者。采用两套安全 系数,
5、应用时实质上就是采用两个标准的两套 材料许用应力值。若材料许用应力按GB150, 材 料 选 择 也 按GB150,仅 计 算 方 法 参 照 JB4732,有些分析计算结果可能会出现保守现 象,特别是当压力较高时更为明显,而且有些 材料可能不适合用于应力分析设计。这样,当 整个设备取统一的一套安全系数时,设备的制 造、检验和验收水平就都仍停留在GB150标准 基础上。 安全系数统一在GB150上,局部区域参照 JB4732的规定,这种设计计算方法是目前设计 单位在工程设计中所常用的,也与GB150标准 所引用的应力分析计算方法相符。对于接下来 的制造、检验和验收也有标准可循,质量管理 上也可
6、得到保证。从上面引述可见,这种设计 计算方法是“99版” 规程主要推荐的。 GB150常规设计标准正文有许多计算方 法直接取自较成熟的应力分析设计方法及其有 关结论, A SM E?- 1经多年的不断增订亦有 这种趋势,以至于该规范的材料安全系数有所 下降。GB150- 98标准1“范围”中阐明:无 法用常规设计方法确定结构尺寸的受压元件, 允许采用以应力分析包括有限单元法分析为基 础的设计,但需经“容委会”(全国压力容器标 准化技术委员会)评定、 认可。 从这个意义上说, “99版”规程 只不过是从监察角度再次重声。 另外, GB150材料安全系数nb= 310、ns= 116 与A SM
7、E?- 2的nb= 310、ns= 115基本相同 或略偏高。 而分析设计规范JB4732有许多计算 方法和内容来自A SM E?- 2,这就为GB150 局部区域运用以分析设计为基础的设计计算开 了方便之门。当然GB150的材料安全系数的确 定是在参考大量引进技术的设计结果,综合长 期实施的经验,经与各方面协商确定的。单纯 的两个安全系数数值大小的比较并不能全面反 映材料的许用应力值及其许用应力极限,通常 材料的安全系数还与材料的实际机械性能值以 及规定检验项目和批量有关,与考虑的载荷性 质及其放大裕量有关,与设计计算的精度有关, 与制造工艺和装备及检验控制手段和水平有 关,与设计、 制造质
8、量管理体制和水平有关,与 使用操作和管理维护经验有关。虽然GB150与 A SM E?- 2在安全系数上比较接近,但这只 能从理论的某一侧面来理解它,而不能将其理 解为实际应力控制水平相同。实际的应力控制 水平应该是GB150与A SM E?- 1相当 (98 版 A SM E?- 1,nb= 315), JB4732与A SM E?- 2相当。 整体按GB150设计、 制造、 检验,有必要的 话,局部超标部分可经 “容委会” 评定、 认可。而 局部区域参照JB4732分析设计计算,且其设 计、 制造、 检验均按JB4732规定也应是 “99版” 规程 可以接受的。当然,对于一些“99版” 规
9、程 不十分明确的设计规定,在审定前报劳 动局压力容器监察部门批准、备案也是不可缺 少的一个环节。这种方法对绝大部分常规压力 容器是不太适用的,两套安全系数带来的矛盾 在设计阶段倒还能平衡解决,但在制造、检验 和验收几个环节上将会有一些问题。目前,按 国内监察规程要求,无论是采用分析设计还是 采用常规设计都与压力容器类别划分无关。这 一点与A SM E不同, A SM E分常规设计与制 造许可证和分析设计与制造许可证两种。由于 体制不同, A SM E将设计与制造许可证联系在 一起,从根本上解决了两套设计规定的不同要 求在制造、检验和验收中的组织实施、技术配 备和人员方面的资职要求。局部区域的应
10、力分 析设计,分析设计许可证可豁免,这一点 “99 版”规程 已开了口子。 但是在分析设计制造许 可证没有的情况下,如果按两套安全系数 两套设计规定进行设计,同时制造、 检验和验收 的标准和要求将相差悬殊的话,那么对于只有 较低级类别的压力容器制造许可证的制造厂将 有可能难以胜任。因此,这种方法的应用范围 92化工装备技术第22卷 第5期2001年 应当限于按常规设计标准设计时要求较高的设 备,如三类容器,特殊压力容器,特别是高压 容器等。这样能够保证这种方法的安全实施。 在较高的温度和压力下,对某一特殊结构 的受压元件或其几何结构不连续处,当无法解 决强度计算问题从而确定结构尺寸时,可采用
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