压力容器分析设计的安定性载荷计算方法.pdf

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1、第52卷第3期化　工　设　备　与　管　道Vol.52No.32015年6月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGJun.2015压力容器分析设计的安定性载荷计算方法万兴（四川天一科技股份有限公司，成都201309）摘要：压力容器分析设计一般采用弹性应力分析和应力分类的方法进行评定。随着数值计算技术的快速发展，更贴近真实物理过程的非线性塑性分析在工程实际中得以应用。从安定性载荷分析法相关概念、力学原理及软件计算策略等方面探讨该方法在压力容器分析设计中的应用和具体实现方案。关键词：压力容器；安定性载荷分析；分析设计；有限

2、元；塑性分析；ANSYS中文分类号：TQ050.2；TH123文献标识码：A文章编号：1009-3281（2015）03-0028-006目前，在我国压力容器设计有2种自成体系的直接法中两者都可采用。设计思想，以弹性失效准则为基础的常规设计和针对[1]1安定性载荷的定义多种失效准则的分析设计。随着工业技术的不断进步，以塑性分析和弹塑性分析为基础的压力容器分析在压力容器行业中，由于存在反复开停车或其设计应用越来越广泛，相对于常规设计，分析设计所他加/卸载操作的过程，压力容器设备会经历反复多展现出的安全可靠性、经济合理性体现出了

3、巨大的优次的工作加压/停车卸压的过程，而压力容器处于正势。根据现行分析设计标准JB4732—95《钢制压力常操作状态时，通常是在某个确定的工作压力值下进容器——分析设计标准》（2005年确认），目前我国行的恒压操作运行。对于压力容器的强度分析设计计算主要有2种技术当操作压力较大时，在一次加载中，设备的局路线：部结构会产生少量的塑性变形。如果能够保证只在设（1）以应力分类的线性化分析。备的初始几次加载过程中产生少量屈服，而在将来更（2）考虑结构材料的塑性生成、扩展及应力重多的加卸载循环中，不再产生更多屈服，加卸载完全分布，最终

4、求解出设备的极限载荷和安定性载荷的非进入弹性过程，设备结构能在长期的使用中保证安全线性分析。可靠。这种仅在初期循环对结构产生塑性变形，后期[2]这2种分析方法可以相互取代，见表1。不再产生塑性变形的载荷称为“安定性载荷”。其中：（1）最小安定载荷：结构在初始加载刚产生塑表1应力分类法与塑性分析的对应关系Table1theRelationbetweenStressClassificationMethod性时对应的载荷大小。andPlasticAnalysis（2）最大安定载荷：结构在卸载时刚发生反向按弹性名义应力方法的应屈服对

5、应的载荷大小。[3]塑性分析载荷形式力强度限制最小安定载荷到最大安定载荷之间，都是安定SⅠ≤1.5KSm载荷区间，其间有无数个安定载荷，如图1所示。SⅡ≤1.5KSm极限载荷法静载荷2安定性载荷与极限载荷的区别SⅢ≤1.5KSm以塑性分析为基础的极限分析法，根据压力容SⅣ≤3Sm安定分析法交变载荷收稿日期：2014-12-18安定性分析方法有：线弹性安定性分析和弹塑作者简介：万兴（1974—），男，河北卢龙人，高级工程师。长期性安定性分析，在应力分类方法中采用的是前者，在从事压力容器、工业炉的设计、校核、审核工作。2015年

6、6月万兴.压力容器分析设计的安定性载荷计算方法·29·σ屈服σ所示。S初次加载压力容器操作压力的大小必须同时满足低于这后续加卸载2种载荷，而结构的极限载荷一般要远大于安定性载最大安定载荷加卸载循环路径荷。因此，考虑设备的正常操作和反复开停车等实际不安定载荷区域存在的压力波动工况，设备的正常操作载荷大小实际安定载荷区域ε上是受控于安定性载荷。3安定性载荷设计的合法性分析设计标准明确规定，允许对容器直接进行σS塑性应力计算或极限分析。欧盟标准也推荐使用极限卸载过程反向屈服载荷的方法来控制所施加的外载荷。如果能求出极限图1安定载荷

7、与非安定载荷的区间示意载荷和安定载荷，这种直接的方法更好。更方便在设Fig.1ShakedownLoadandNon-shakedownLoadRegion备的实际使用中通过控制操作压力来保证设备运行[3]器的破坏失效模式，可以获得2种载荷。特点如表2的安全可靠性。表2极限载荷与安定性载荷的失效模式对比Table2FailureModeofLimitLoadandShakedownLoad失效模式载荷形式超过相应载荷结构的破坏特点结构发生不可控的塑性变形，从而变成可变机构，完全丧失承载能力。一次加载极限载荷一次性垮塌静载荷即

8、发生破坏。渐增性垮塌结构在加卸载循环过程中，塑性变形反复累积，最终导致结构产生过度的宏观塑性变形的“变形性”失效。安定性载荷棘轮现象交变载荷低周疲劳导致裂纹的萌生、扩展最终使得整个承载截面产生贯穿性的开裂。（2）安定性载荷分析可以替代应力分类线性分4安定性载荷设计方法的应用现状析中SⅣ（一