筒体与封头过渡段总体塑性变形的直接法校核.pdf

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1、第52卷第4期化 工 设 备 与 管 道Vol.52No.42015年8月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGAug.2015筒体与封头过渡段总体塑性变形的直接法校核李琦,刘世民(海工英派尔工程有限公司,山东青岛266000)摘要:压力容器的分析设计主要有应力分类法和直接法两种。目前,国内仍以应力分类法为主对压力容器进行设计校核。而直接法考虑材料的塑性变形,是压力容器分析设计的重要发展方向。为了掌握直接法,对筒体与封头过渡段的总体塑性变形按直接法进行了校核。关键词:直接法;分析设计;压力容器中图分类

2、号:TQ050.3;TH123文献标识码:A文章编号:1009-3281(2015)04-0017-003压力容器是化工和石油机械中广泛应用的承压表1正常工况清单设备,其设计和校核一直是行业发展的重要部分,直Table1Normalworkingconditions接法采用极限分析、塑性分析和安定性分析的方法直载荷载荷特征值分安全系数载荷设计值接对载荷加以限制,这样不仅可以避免分析设计法中压力p/MPa181.221.6应力分类的困难,获得更好的结果,而且可以更真实温度t/℃4001.0400地反应在载荷作用

3、下压力容器的失效过程,使得设计更安全、经济。然而,直接法要分步加载迭代计算,不同的结构,载荷步设置不同,收敛速度和精度不同,塑性分析计算时间长,有限元计算规模大,对分析计[2-4]算人员的要求高。因此,国内对量大面广的压力容器分析设计,主要是采用弹性名义应力分析,通过应力分类进行设计及评定。笔者针对圆柱壳及椭圆封头结构进行分析设计,建立数值仿真模型,基于直接法对其进行总体塑性变形分析和校核。进而比较分析设计法和直接法对压力图1结构的初步设计尺寸容设计结果的可靠性。Fig.1Preliminarydesignp

4、arameters1设计条件trR=tmax=400℃。12Cr2Mo1R在参考温度下的力学性该压力容器最高工作压力为18MPa,最高工作能参数及分安全系数如表2所示。温度为400℃,最低为常温。筒体及封头材料均采2有限元模型用12Cr2Mo1R,操作循环次数为100次。在正常载荷工况下,结构的载荷工况清单如表1所示。该结构考虑到结构几何形状和载荷的对称性,采用8的初步设计尺寸如图1所示。节点单元Plane82建立轴对称平面有限元模型,如图为确定材料的力学性能,需首先确定与温度相2所示。直接法分析时,材料的本

5、构关系按理想弹塑关的材料力学性能参数的参考温度。与温度相关的收稿日期:2015-05-21材料弹性模量的参考温度为trE=0.75tmax+0.25tmin=305作者简介:李琦(1979—),女,河北阜平人,工程师。从事石油℃,与温度相关的材料强度参数的参考温度为化工设备设计工作。·18·化 工 设 备 与 管 道第52卷第4期表2材料的力学性能参数及分安全系数Table2Mechanicalpropertiesandsafetyfactorofmaterials弹性模量泊松比常温抗拉强度屈服强度特征值材料

6、的分安全系数Tresca屈服强度设计值Mises屈服强度设计值E/MPaμRm/MPaRp0.2/trRM/MPaγRRMd/MPaRMd,red/MPa1919150.35101951.25156135性模型,采用双线性模型进行分析。应力分类法分析变绝对值的最大值不超过5%,在压力试验工况下不时,材料的本构关系按线弹性模型进行分析。超过7%。图4给出最大等效总应变的绝对值随载荷在模型下端y=0的线上施加轴向约束,在模型增加的变化过程。从图可以看出,计算所得最后一步上端x=0的线上施加对称约束。采用线性加载方

7、式对应的应变约为4.25%,不超过标准要求值5%。因将内压施加到结构内表面上,如图2所示。此,本结构的极限载荷为收敛的最大内压,即22.11MPa。考虑载荷分项系数1.2,则结构的最大许用压力为18.42MPa。图2有限元模型Fig.2FEmodel3结果分析图4最大等效总应变的绝对值随载荷增加的变化过程Fig.4Theabsolutevalueofthemaximumequivalenttotal直接法分析时,将略高于正常载荷工况设计值的strainwithincreasingloadchangeproce

8、ss压力(23MPa)施加到结构内表面上,以确定结构的在最大许用压力18.42MPa下,按线弹性材料极限载荷。在计算过程中,施加到一定压力时,由于模型进行分析,所得结构的应力强度云图如图5所示。变形过大,不能收敛,计算停止。可以收敛的最后一此时,结构的最大应力强度为172.05MPa。按应力步对应的加载比为0.9613,对应内压为22.11MPa。分析法,在最大应力强度处作沿器壁厚度方向的路此时,结

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1、第52卷第4期化 工 设 备 与 管 道Vol.52No.42015年8月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGAug.2015筒体与封头过渡段总体塑性变形的直接法校核李琦,刘世民(海工英派尔工程有限公司,山东青岛266000)摘要:压力容器的分析设计主要有应力分类法和直接法两种。目前,国内仍以应力分类法为主对压力容器进行设计校核。而直接法考虑材料的塑性变形,是压力容器分析设计的重要发展方向。为了掌握直接法,对筒体与封头过渡段的总体塑性变形按直接法进行了校核。关键词:直接法;分析设计;压力容器中图分类

2、号:TQ050.3;TH123文献标识码:A文章编号:1009-3281(2015)04-0017-003压力容器是化工和石油机械中广泛应用的承压表1正常工况清单设备,其设计和校核一直是行业发展的重要部分,直Table1Normalworkingconditions接法采用极限分析、塑性分析和安定性分析的方法直载荷载荷特征值分安全系数载荷设计值接对载荷加以限制,这样不仅可以避免分析设计法中压力p/MPa181.221.6应力分类的困难,获得更好的结果,而且可以更真实温度t/℃4001.0400地反应在载荷作用

3、下压力容器的失效过程,使得设计更安全、经济。然而,直接法要分步加载迭代计算,不同的结构,载荷步设置不同,收敛速度和精度不同,塑性分析计算时间长,有限元计算规模大,对分析计[2-4]算人员的要求高。因此,国内对量大面广的压力容器分析设计,主要是采用弹性名义应力分析,通过应力分类进行设计及评定。笔者针对圆柱壳及椭圆封头结构进行分析设计,建立数值仿真模型,基于直接法对其进行总体塑性变形分析和校核。进而比较分析设计法和直接法对压力图1结构的初步设计尺寸容设计结果的可靠性。Fig.1Preliminarydesignp

4、arameters1设计条件trR=tmax=400℃。12Cr2Mo1R在参考温度下的力学性该压力容器最高工作压力为18MPa,最高工作能参数及分安全系数如表2所示。温度为400℃,最低为常温。筒体及封头材料均采2有限元模型用12Cr2Mo1R,操作循环次数为100次。在正常载荷工况下,结构的载荷工况清单如表1所示。该结构考虑到结构几何形状和载荷的对称性,采用8的初步设计尺寸如图1所示。节点单元Plane82建立轴对称平面有限元模型,如图为确定材料的力学性能,需首先确定与温度相2所示。直接法分析时,材料的本

5、构关系按理想弹塑关的材料力学性能参数的参考温度。与温度相关的收稿日期:2015-05-21材料弹性模量的参考温度为trE=0.75tmax+0.25tmin=305作者简介:李琦(1979—),女,河北阜平人,工程师。从事石油℃,与温度相关的材料强度参数的参考温度为化工设备设计工作。·18·化 工 设 备 与 管 道第52卷第4期表2材料的力学性能参数及分安全系数Table2Mechanicalpropertiesandsafetyfactorofmaterials弹性模量泊松比常温抗拉强度屈服强度特征值材料

6、的分安全系数Tresca屈服强度设计值Mises屈服强度设计值E/MPaμRm/MPaRp0.2/trRM/MPaγRRMd/MPaRMd,red/MPa1919150.35101951.25156135性模型,采用双线性模型进行分析。应力分类法分析变绝对值的最大值不超过5%,在压力试验工况下不时,材料的本构关系按线弹性模型进行分析。超过7%。图4给出最大等效总应变的绝对值随载荷在模型下端y=0的线上施加轴向约束,在模型增加的变化过程。从图可以看出,计算所得最后一步上端x=0的线上施加对称约束。采用线性加载方

7、式对应的应变约为4.25%,不超过标准要求值5%。因将内压施加到结构内表面上,如图2所示。此,本结构的极限载荷为收敛的最大内压,即22.11MPa。考虑载荷分项系数1.2,则结构的最大许用压力为18.42MPa。图2有限元模型Fig.2FEmodel3结果分析图4最大等效总应变的绝对值随载荷增加的变化过程Fig.4Theabsolutevalueofthemaximumequivalenttotal直接法分析时,将略高于正常载荷工况设计值的strainwithincreasingloadchangeproce

8、ss压力(23MPa)施加到结构内表面上,以确定结构的在最大许用压力18.42MPa下,按线弹性材料极限载荷。在计算过程中,施加到一定压力时,由于模型进行分析,所得结构的应力强度云图如图5所示。变形过大,不能收敛,计算停止。可以收敛的最后一此时,结构的最大应力强度为172.05MPa。按应力步对应的加载比为0.9613,对应内压为22.11MPa。分析法,在最大应力强度处作沿器壁厚度方向的路此时,结

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