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内压塔器下封头设计中的强度问题

2019-01-18 返回列表

内压塔器下封头设计中的强度问题

                      刘树明  关永祥          

(天津市创举科技有限公司   天津 邮政编码300130

                          

摘要:本文用第三强度理论对内压塔器下端,与裙座对接的标准椭圆封头进行了分析,提出该处是塔器强度的薄弱环节之一,应该对其进行强度校核。并分析了该处应力的特点及失效形式,由此提出了建立该处强度判据的原则:许用应力乘以一个应力组合系数1.25

关键词:第三强度理论  应力  失效形式  强度判据

 

The intensity problem in the head of the lower intrinsic pressure  tower

          Liu Shuming      Guan Yongxiang

(Tianjin Chuangju Science & Technology Co.,Ltd.  Tianjin 300130,China)

 

Abstract: Ths article uses the third theory of strength to analyse the lower intrinsic pressure tower and standard ellipse head connected with foundatio Like petticoat.

Propose that this place is one of tower intensity weak links . Should carry on the intencity examination to it .Also analyzed the characteristic of this place and the expiration form,thus it proposed the principle of the inten sity criterion:Working stress multiplied a combinatorial coefficient of stress 1.25.

Key  words:  the third theory of strength   stress   expiration form   intensity criterion.

1 问题的提出

裙座与塔体下端标准椭圆封头对接,是重要塔器必须遵守的结构,也是最常见的结构。在JB/T4710-2005《钢制塔式容器》中,未对这种塔器下封头进行强度校核。相应的计算软件SW6-1998V3.5《过程设备强度计算软件包》,也只是对塔器下封头直边段进行强度校核。而下封头直边段实际是塔体的延续,因而也并未对这种塔器下封头进行真正意义的强度校核。

笔者认为,内压塔器下端的标准椭圆封头,是强度薄弱的环节之一。其薄弱的具体位置在标准椭圆封头切线和裙座上端面之间。现在该处最典型的位置做一环形截面,此截面无限接近封头的切线,我们称其为A截面。(图1

 

 

 

为了便于说明问题,将其和塔体下端面进行比较。之所以对此二截面比较,是因为可以近似认为此二截面所受风载、震载相同,且二者设计厚度一般也相同,(如二者厚度不同,筒体端面的边缘应力将增大而不能忽略不计。)尤其塔体下断面是整个塔体受风载、震载产生的弯矩最大的地方。                       

为叙述方便,我们称塔体下端面为B截面。(图1

    风载、震载在塔体内产生的应力,一侧为拉应力,另一侧为压应力。下面所讨论的问题均为风载、震载产生的应力为拉应力的一侧。

2 A截面的当量应力大于B截面

压力容器所用钢材均为塑性材料,因而强度条件应采用第三强度理论。即认为弹性失效是因为最大剪应力超过许用值。所以强度条件为: τmax≤τs

而最大剪应力τmax为第一主应力δ1与第三主应力δ3差的一半:

δ1δ3≤δs

A截面

标准椭圆封头只受内压时,应力分布曲线如图2.

(D:椭圆封头内径.  a:椭圆封头长半轴.  S:椭圆封头壁厚.  下同)

根据第三强度理论:

B截面:

做为圆筒,只受内压时:

下面考虑受内压塔的情况:

由风载、震载引起的弯矩和垂直载荷产生的应力是经向应力,我们将其称为δT.

A截面:

此时,A截面的当量应力比B截面的当量应力的1.5倍还多δT。显然B截面安全时A截面可能失效,必须对其校核。

此时A截面的当量应力比B截面的当量应力大PD/2S。  

同样,B截面安全时A截面可能失效,必须对其校核。

由图2可以看出,塔体下封头与裙座上端面之间,各处当量应力都是接近A截面的。当然,由风载、震引起的弯距及和垂直载荷产生的应力沿垂直方向,与下封头的经向应力存在一个夹角,但此角极小,忽略不计。因而,这个区域是塔强度薄弱的环节之一。

3 A截面及其附近区域应力的特征

A截面及其附近区域的负周向应力,沿经向分布是局部的。(图2)而沿周向则是均匀布满整个圆周的。因此其对壳体的危害虽小于圆筒、球壳等应力周向、经向都为均布的情况,但也不能等同于支座等对筒体产生的在周向、经向都只在局部范围有影响的局部薄膜应力。

当然,风载、震载产生的经向应力,则一定程度上具有局部薄膜应力的特征。

4 A截面及其附近区域的失效形式

A截面及其附近区域的应力采用怎样的强度判据,应视其对设备的危害程度来决定。所以下面讨论一下其失效形式。

在进入屈服失效的瞬间,A截面及其附近区域:

                                              

由古布金Z形式图(文献1)可知,A截面及其附近区域将产生压缩屈服。由于塑性变形是弹性变型的继续,因此屈服前后该截面及其附近区域也是受压的。这就涉及如下两个问题:

4.1在屈服前,当量应力弹性极限时,存在弹性失稳的可能;该当量应力在弹性极限和屈服极限之间时,存在非弹性失稳的可能。

GB1507121条:

“…标准椭圆封头的有效厚度应不小于封头内径的0.15%,其它椭圆封头的有效厚度应不小于0.3%,但考虑了内压下的弹性失稳问题,可不受此限。”

在仅考虑介质内压,即GB1507121条所述情况,标准椭圆封头及附近区域发生弹性失稳的当量应力为介质压力产生的经向应力减去周向应力之差:

而在塔器中,上式中的被减数还要叠加上风载、震载产生的经向应力δT。因此弹性失稳和非弹性失稳的发生,将超出GB1507121条规定的厚度范围。当然由于风载、震载产生应力的局部性,失稳也是局部的。

4.2 在屈服后,虽然的量值有所变化,但仍会在一段时间内维持罗德参数大于0”。所以屈服后,属于压缩屈服变形。

因此当量应力 时,将产生压缩屈服变形。同样,由于风载、震载产生应力的局部性,此种失效也是局部的。

由于A截面及其附近区域在塔体的最下部,风载、震载产生的弯矩大于塔体上任何位置。因此该处的当量应力很可能达到使其产生上述失效形式的水平。

但由于弹性和非弹性失稳及压缩屈服变形的危害小于拉伸失效造成的危害,尤其局部失稳和局部压缩屈服变形的危害更小于拉伸失效的危害。因此,预防弹性、非弹性失稳的最小厚度可略高于GB1507121条,而其强度判据应比叠加上风载、震载后的塔体强度判据更宽裕一些。

    JB4710-2005对塔器圆筒经向应力——包括风载、震载产生的局部薄膜应力的强度判据是这样处理的:

    考虑风载、震载产生的应力具有局部性和短暂性,在总体薄膜许用应力的基础上,乘上一个应力组合系数:K=1.25,使许用应力增加了0.25倍。

    所以,A截面及其附近区域的强度判据也应采用一个应力组合系数,其值可取1.25.

5边缘问题

5.1 塔体与下封头的边缘问题:

塔体(含下封头直边段)受内压后向外膨胀变形,抵制下封头的内压周向收缩。其变形协调过程中产生的边缘应力,在GB150椭圆封头强度计算公式中已做了考虑。

其变形协调过程中,塔体(含下封头直边段)不能完全控制下封头的内压失稳,因此GB150设置了7121条。

在考虑了风载、震载后失稳和压缩屈服变形问题将会更趋严重。

5.2 裙座与下封头的边缘问题:

    裙座不受内压,所以无膨胀变形,故其与下封头的边缘应力比塔体与下封头的边缘应力要小一些。其抵制下封头失稳的能力也小。

同样,考虑了风载,震载后问题也会更趋严重。

因此,考虑了边缘问题后,前边讨论的弹性失稳、塑性失稳及压缩屈服变形问题仍然存在。

参考文献:

[1] 吕炎等著· 锻压成型理论与工艺 [M] · 北京:机械工业出版社,199126

 

作者简介:刘树明 1977年出生 男 工程师  从事化工塔设备研究设计5

  关永祥 1946年出生 男 工程师  从事压力容器设计制造29年                                                                   

 

通信地址:

单位地址:天津市红桥区光荣道8号(河北工业大学东院)

 

                                                                                                                                                                                                             



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