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1、化工装备技术第29卷第4期2008年1浅谈压力容器的疲劳分析设计*蔡慈平(上海华谊集团装备工程有限公司)摘要随着工业的迅速发展,压力容器承受循环载荷的情况日益增多,产生疲劳失效事故的可能性也在增加,压力容器的疲劳分析设计越来越引起了人们的关注和重视。笔者以D-06A/B干燥器为实例,简要叙述了压力容器疲劳分析设计中的载荷和结构分析、应力计算、交变应力强度幅的求取、设计疲劳曲线的应用、疲劳强度校核等主要步骤及实施要点和注意事项。关键词压力容器疲劳分析设计交变载荷载荷分析结
2、构分析应力分析强度评定0概述在常规设计中,压力容器是按照受静载荷的条件来考虑的,即认为容器中所受的应力是不随时间而变化的。实际上容器在交变载荷作用下进行运转的情况是非常普遍的。例如:频繁的间歇操作及开、停车等造成工作压力和各种载荷的变化;运行时出现的压力波动;运行时出现的周期性温度变化;在正常的温度变化时,容器及受压部件的膨胀或收缩受到了约束;外加的交变机械载荷等都将使容器中的应力随着时间呈周期性的变化。而在交变载荷作用下压力容器受压部件中的焊接接头附近、结构不连续部位以及开孔接管等区域内常常
3、会产生很高的局部峰值应力。由于这些局部的峰值应力很大,常常可以达到容器总体薄膜应力的2~6倍。若以筒体的许用应力是以材料的屈服限为基准而除图1D-06A/B干燥器的基本结构形式以15来计算,则这些应力峰值就达到材料屈服限的2倍以上。在其反复作用下,会使材料晶粒间发准中的安全系数也在不断下降等,这些因素的组合生滑移和位错,逐渐形成微裂纹,随着载荷的不断造成了压力容器产生疲劳失效事故的可能性也在增循环,微裂纹也不断扩展,进而形成宏观疲劳裂纹加。根据国外20世纪70年代的有关统计,压力容贯穿整个壁厚,
4、最终导致容器发生疲劳断裂。器与管道的失效事故中疲劳失效约占30%左右。近年来,随着石油化工和其他工业的迅速发因此,对于承受交变载荷的压力容器不仅需要按照展,压力容器承受循环载荷的情况日益增多。特别受静载荷的条件来考虑,而且还必须按压力容器分是随着生产规模的不断扩大,使低合金高强度钢的析设计规范中规定的以疲劳分析为基础的设计方法应用也更为广泛;由于设计方法的改进,使设计标进行疲劳分析,以保证承受交变载荷的容器不致在*蔡慈平,男,1957年生,高级工程师。上海市,200003。2浅谈压力容器的疲劳分
5、析设计其寿命期限内发生疲劳破坏。基本原理却是完全相同的。D-04A/B贮罐及D-06A/B干燥器是上海华该干燥器的总体设计条件见表1,所选用材料谊集团装备工程有限公司设计和制造的CO2装置及力学性能见表2。中的重要设备,由于这些设备在整个使用周期中需表1干燥器的总体设计条件要定期充灌、排放物料,所以操作压力定期循环。设计压力/MPa242为此,设计人员按照ASME锅炉和压力容器规工作压力/MPa000~206范第卷第2册进行了疲劳分析设计。压力循环次数/次35000疲劳分析设计的主要步
6、骤为:载荷和结构分设计温度/344工作温度/<344析、应力计算、交变应力强度幅的求取、设计疲劳内直径/mm650筒体曲线的应用、疲劳强度校核等。下面就以D-壁厚/mm1406A/B干燥器的疲劳分析设计为例谈谈疲劳分析封头的最小设计壁厚/mm118腐蚀裕度/mm0设计实施的主要步骤以及体会。焊缝无损检测/%100D-06A/B干燥器的基本结构如图1所示。操作时设备总重/kg22501载荷分析载荷分析的目的是确定容器及其部件所承受的表2干燥器所选用材料及力学性能外载形式、量级、作用区域和波动
7、范围,以此为前材料牌号材料在设计温度下的力学性能提确定容器的各部件的设计计算条件,从而根据标筒体和封头:设计应力强度S/MPa9446SA240Type304L准规定的结构形式和计算方法确定结构形式参数。接管和法兰:弹性模量E/GPa1735SA312Type304L载荷分析所考虑的主要载荷为:SA182TypeF304L泊松比03(1)分布载荷如温度、压力、自重等。分因为用于确定容器整体部分需作疲劳分析的条布载荷一般用来确定容器总体设计条件,以此计算件A较为直观,使用也极为方便;而条件B
8、则需容器几何尺寸的初设值;要按照疲劳设计的要求逐条进行评定,虽然比较严(2)局部载荷如管道推力、弯矩、扭矩、密,但是比较繁复。所以,在该干燥器设计中采用局部温度梯度等。局部载荷与分布载荷一起作为元条件A来确定干燥器是否需要进行疲劳分析。件局部应力分析的计算条件,以此为基础进行应力判断条件A指出,对于最小抗拉强度不超过分析和强度评定;552MPa的材料,当下列四种情况的预期设计循环次(3)载荷谱如开、停车次数、压力或温度波数之和不超过1000次时,则可以免做疲劳分析
