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    运用三角形截面进行开孔补强的计算法.pdf

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    运用三角形截面进行开孔补强的计算法.pdf

    34 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,233 运用三角形截面进行开孔补强的计算法 乔海星 常俊刚 王冀宁 程晋兴赛鼎工程有限公司 太原030032 摘要 面积替代法补强一直是压力容器开孔补强中最简单而常用的方法。本文给出一种新的运用三角形 截面进行开孔补强的计算方法。 关键词 开孔补强三角形截面积等面积法压力面积法接管锻件 开孔与补强是压力容器设计中经常涉及到的 问题。等面积法、压力面积法、应力分析法是设 计中常用的计算方法。由于容器壳体开孔周围的 应力分布复杂多变,尤其在开大孔或重要工况场 合,设计者不得不反复斟酌。采用整体锻件元件 补强一直被认为是较好的构造。本文给出一种新 的利用三角形截面进行开孔补强的计算方法,比 较适合于球壳或凸形封头正交开孔接管的补强。 l壳体开孔与应力分布 在压力容器壳体上开孔和设置接管会改变这 一区域应力分布的均匀性。大量的试验与研究结 果表明在壳体与接管相交的边缘附近区域主要存 在三种应力工J①局部薄膜应力属于一次应 力,但具有二次应力的特征,由局部压力、机械 载荷及总体结构不连续引起;②弯曲应力属于 二次应力,由接管与壳体相互约束变形不协调造 成,具有自限性特征;③峰值应力,由载荷或结 构突变引起的叠加于一次和二次应力上的应力增 量部分,即最高应力值,具有自限性和局部性双 重特征。峰值应力往往可能是导致疲劳破坏或脆 性断裂产生的根源。这一区域的应力种类和分布 虽然被大致确定,但由于波动幅度较大,所以处 理起来仍很复杂。应力值大小或称应力集中系 数大小随壳体与接管自身形状、相交形式、直 径之比、壁厚之比、过度圆角、外部载荷等众多 的因素变化而改变。为此,从上世纪五十年代开 始就有美国、英国等国家的研究者从事这方面的 理论分析与实验研究,并获得一些成果 3.4 J。中国 清华大学的薛明德教授等从1985年起也开始从事 圆柱壳开孔接管的薄壳理论解的分析研究 ’J,并 得到国际同行的较高评价,有些成果已应用于标 准规范l2 J。随着计算机技术和有限元技术的飞速 发展,从上世纪八十年代,不少的研究机构和学 者采用了计算机有限元解,也取得了良好的效果。 如今的有限元分析软件ANSYS,已广泛应用于应 力分析。 不管是理论分析解还是有限元计算解都存在 一个不足,对于复杂多变的工程问题,使用起来 总显得有些繁杂,特别对一些简单情况,常会将 问题复杂化。对工程问题,还是具体情况具体分 析,必要时辅以实验验证较为恰当。 2面积法补强原理 壳体与接管连接边缘附近区域的应力分布尽 管复杂,其特征就具有局部性和自限性,且应力 集中现象衰减速度很快。因此,较为简单实用的 办法为采取局部加强。多年来在工程中普遍选用。 不过对于开孔削弱应予以补强的量度及其补强范 围,不同的研究者或不同的规范基于的准则是不 同的。例如,压力容器GB l50 O1I、钢制 压力容器分析设计标准JB/T 4732--2005、 美国的ASME锅炉压力容器规范VIIIl、VIII 一2等所采用的是等面积补强原则俗称等面积 法;而原西德的AD规范和现在的欧盟非直接 火压力容器EN 13445则采用的是压力面积补强 原则俗称压力面积法。 等面积法补强简单地讲是指壳体由于开孔丧 失的拉伸承载截面积采用在开孔边缘附近区域补 偿同等的截面积以保持壳体承载能力不变的简单 乔海星教授级高级工程师。1979年毕业于太原工学院化工机械专业。主要从事化学工程及化工设备方面的设计及研究工作。 联系电话03514557275,Emailqiaohaixingsina.corn。 乔海星等运用三角形截面进行开孔补强的计算法 35 法则。依照压力容器GB l5O_20l1,壳体和 接管有效补强范围 沿壳体的经线方向为 B2d 沿接管的轴线方向为 h√d6 式中,d为开孑L直径,即接管内径加两倍的厚度附 加量;B为开孑L直径两侧的壳体的有效补强宽度; 为接管的名义壁厚;h为接管与壳体连接后内伸 或外伸的有效补强高度。 值得注意的是上述两个补强范围体现的是不 同的力学意义。B2d依据的是受均匀拉伸作用的 大平板上开小孔后孔边缘应力集中系数的衰减范 围所确定的;h√ 依据的是受均布载荷的圆 柱壳在端部连接区域的边缘弯曲应力的衰减范围 所确定的。 和h两者之间在理论上没有直接的推 导关系。所以说等面积补强法是一种基于经验的 方法。实际中,壳体不可能是大平板也不可能总 是开小孔,为避免产生过大误差,通常采取的是 限制壳体曲率半径与开孔直径的比值参见GB 150。 压力面积法补强是一种以塑性失效为理论的 极限设计法或称极限载荷法。其原理基于静力 平衡。即以开孔边缘有效范围内的截面积的承载 能力与内部压力载荷力保持平衡为准则。AD规范 在提出这种计算方法时曾进行了一系列试验。压 力面积法比等面积法有较大的允许开孔直径, D。≤0.8D。为容器的外径。 等面积法与压力面积法两种方法的理论依据 和计算形式虽然不同,但补强手段却是一致的。 主要的差异在有效补强范围的确定上,压力面积 法壳体的有效补强范围 1自壳体开孔边缘接管外表面算起沿 经线方向为 式中,D为壳体的中径, 为壳体的壁厚。 2接管的有效补强范围为自开孑L壳体外表 面算起沿接管轴线方向 h1.25 式中,d为接管的中径,8 为接管的壁厚。 不难看出,两种方法各边的补强范围均是依 据受均布载荷的圆柱壳在端部连接区的边缘弯曲 应力的衰减范围所确定的。桑如苞 曾就压力面 积法与等面积法的补强计算进行过比较,结果认 为,在较大直径壳体上开孑L,压力面积法壳体的 有效补强宽度,/ 往往大于等面积法的d/2,需 要额外补强面积少;在较小直径壳体上开孔,压 力面积法壳体的有效补强宽度v/ 可能小于等面 积法的d/2,会需要较多的额外补强面积。 3 三角形截面补强计算法 不管等面积法还是压力面积法,两者都没有 从形式上具备把补强截面积直接布置于壳体与接 管相连的应力出现最大值的三角区域,尤其对大 开孔情况,这非常重要。如何合理利用补强截面 积,使其更贴近该部位的应力状态,正是本文提 出用三角形截面补强的初衷。 为了后续的讨论及比较,文中再出现的符号 以及补强范围均以本节的定义和图示为准。 3.1按等面积补强准则确定的三角形截面积补强 计算 取壳体开孑L及接管的~半进行补强分析,见图l。 图1 三角形截面的等面积补强图 按等面积补强准则,开孔削弱的截面积为 A, 式中,d为开孔直径,已含腐蚀余量C;8为壳体 的设计厚度,已含腐蚀余量C。壳体开孑L一侧的有 效补强宽度从接管设计厚度外表面算起 Bld/2 接管轴线方向的有效补强高度从壳体设计 厚度外表面算起 h。、// 式中,占 为接管的设计厚度,已含腐蚀余量。如果令 壳体有效补强宽度和接管有效补强宽度这两个边 36 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,233 围成的三角形面积等于开孔削弱面积,则有 吾 芋 整理后得 垒一箜 6一d 式中, 和 是根据强度计算和腐蚀程度确定的, d是已知的条件。由此可推论,只要满足条件 -66,一4d8- 1 6一d 由式2确定的三角形截面积总是可以符合 等面积补强要求的。 A d、// /4 2 此式即为三角形面积法的等面积补强计算式。 3.2按压力面积补强准则确定的三角形截面积补 强计算 压力面积法是以圆筒壳开孔的静力平衡导出 的,见图2。 图2 AD规范压力补强图 设一个圆筒沿轴向剖成两半,因为对称,现 取一半圆筒的一半,长度为L,作载荷压力P与筒 体内力盯 的静力平衡方程 一一o.213 22 式中, 为圆筒内径; 为圆筒壁厚,按中径公式 确定。那么,对圆筒开孑L设接管,公式又可扩展为 A P A 02 式中,A 为圆筒和接管的承压投影的总面积; 为圆筒和接管的承载所需总的截面积。根据中径 公式 6 式中,[or]为材料的许用应力。由此可推导出 一号尝 代入后得 ≤ ㈩ 此式为AD规范中压力面积法补强计算的基本 计算式。 同理,再推导出按压力面积补强准则确定的 三角形截面积补强计算式,见图3。 图3压力面积法平,衡图 设圆筒体的长度为-ggd/2,建立压力P与 内力叮的静力平衡方程 Cb-g吾竽 孚 亦可表示为 A p6 芋 若对该筒体开设孚孑L,随即简体将削弱字的 截面积,不能再平衡承压的投影截面积Ap2 dDi。 如果令筒体的有效补强宽度,/ 和接管的有效补 强高度 根据AD规范应为1.25 ,为便 于与等面积法比较,故先取其一致,这两个边围 成的三角形截面积等于开孔削弱的截面积,从而 就能平衡承压的投影截面积。见.图4。 图4三角形截面的压力面积补强图 乔海星等运用三角形截面进行开孔补强的计算法 37 令 整理后得 届 一 丁 6 d 艿 D 式中,8和8。是根据强度计算和腐蚀程度确定的; d和D是已知的条件。由此可推论,只要满足 条件 詈≥旦D 4 6, 、 由式5确定的三角形截面积基本是可以符 合压力面积补强要求的。 A 下,It 5 将式5加入式3可得 ≤Io] 6 式6即三角形面积法的压力面积补强计算 式。注意式6中符号A 与式3中4 有 不同含义,在此式中,A 为根据中径公式及腐蚀 情况计算出的壳体和接管的截面积,A 为开孑L削 弱的截面积或称需要补强的截面积。 3.3三角形截面的夹角 三角形截面肯定会存在一个夹角问题。在上 述的按等面积补强准则和按压力面积补强准则确 定的三角形截面积补强计算中给出的均是以直角 的两个边围成的直角三角形。实际中并非总这样, 大多数情况壳体是弯曲的或有弧度的,如典型的 球壳、椭圆壳等。一味采用直角三角形截面会产 生很大形状偏差,也会引出新的二次应力,尤其 对小直径壳体开稍大的孑L时,必需考虑。通过引 入壳体开孑L处弓高e即开孔处曲面高,从开孔边 壳体的外表面算起,然后再把与e对应的直角三 角形的斜边作为壳体的有效补强宽度,见图5和图 6。通过e值和有效补强宽度值就可求出水平边b 值,以及水平边b与斜边有效补强宽度之间 的夹角。进而可求出其它的夹角和阴影部分的面 积即三角形补强截面积。 图 图6三角形截面压力面积补强夹角 3.4按等面积与压力面积补强准则确定的三角形 截面积计算比较 1比较式1和式4,不难发现按 压力面积补强准则确定的三角形截面补强条件式 所呈现的是一组筒体与壁厚在数值上成比例的并 且是与内压力和材料应力性质有关的比例数据, 对式4进一步演算 L 一 卫 dD一2[or] 而按等面积补强准则确定的三角形截面补强 条件式1却看不出有什么规律。 2取相同的容器参数及开孑L,令式2等 于式5,简化后两式之间有如下关系 , 9 f导卜8D 、二, 进而比较,表明三角形截面法的等面积补强面积 的变化主要取决于壳体开孔半径的平方;而三角 形截面法的压力面积补强面积的变化主要取决于 壳体的直径与壁厚的乘积。 4 结语 1三角形截面与容器开孔接管边缘附近区 域的应力分布形式比较贴近,有助于材料的合理 利用。 2 和 是根据强度计算和腐蚀程度确定 的,D和d是已知的条件,由6,6 ,D和d可直 接算出所需补强截面积,不必反复试算。 3三角形截面补强元件使得在这一部位的 下转第23页 郭 雷等 浅谈LNG接收站及液化站的空压制氮工艺设计 23 化空气进人仪表空气储罐成为全厂仪表空气;其 余气体进人PSA制氮系统,PSA制氮系统出口氮 气的纯度达到99.9%,露点达到一7O℃,进人氮 气储罐;设置了液氮储罐及空温式液氮汽化器, 当氮气储罐压力低时,液氮从液氮储罐压出并经 液氮气化器气化后补人氮气储罐,以满足全厂氮 气用气要求。 本流程特点①PSA制氮气源采用经干燥、过 滤后的主压缩空气,即制氮系统未设单独的干燥、 过滤系统,保证了制氮气源的露点及清洁度的要 求,同时有效节省了设备投资及占地空间;②采 用了液氮存储及气化系统,保证了氮气瞬时用量 较大时的氮气供应;③通过控制进人制氮系统的 气体流量,稳定仪表空气储罐的压力,保证了全 厂仪表空气的供应要求,如果由于制氮用气源减 少造成氮气压力不足,液氮气化系统亦能保证氮 气瞬时供应;④液氮气化方式的采用可以满足某 些特殊的用气要求。例如,某液化站采用混合制 冷剂氮气膨胀并联液化工艺流程,氮气的循 环过程中需要高纯度氮气99.99%间歇补人。 液氮选用相应规格,气化后氮气送至液化单元, 可以减少项目投资。 4 结语 空压制氮站是企业的能耗大户,合理的设计 将减少运行能耗,提高空压制氮站的运行效率, 更重要的是保证空压制氮站安全、稳定地为厂区 提供源源不竭的动力 J。本文论述了LNG接收站 及液化站的空压制氮系统主要特点、设备选型、 并给出了相应的工艺流程设计,该流程能够满足 LNG企业对公用工程气体的特殊要求,同时又能 有效节省设备投资及建设用地。 参考文献 1刘棋,刘巍,薛威平.浅谈天然气气田空压站的设计 工艺[J].天然气与石油,201l,2963739. 2 2007年中国天然气行业发展预测报告[R].华经纵横经 济息网,46. 3尹丽娜.空压站中仪用空气工艺系统优化设计[J].现代 化工,2010,32298301. 4余化,冯天照.工艺技术的比较与选择[J].化肥设 计,2012,5011519. 5刘庆春,曹严亮.浅析空压站的设计[J].装备制造技 术,2011,1133134. 收稿13期20121210 上接第37页 角接焊缝变为了对接焊缝,改善了该区域的焊接 应力的影响。 4从加工的角度讲,三角形截面补强元件 宜采用锻件 ,比较适合于球形或凸形封头正交 开孔接管的补强场合。马鞍形锻件加工可能会有 一定的难度。 5三角形面积法与等面积法和压力面积法 具备有相同的适用范围,且比较适用于开孔直径 稍大或重要工况的场合。 参考文献 1 JB/T 4732--2005,钢制压力容器一分析设计标准[s]. 2 GB l502O11,压力容器[S]. 3 Leckie。 A.and Penny,R.K.Solution for the Stresses in Nozzles in Pressure Vessels,WRC Bul1.No.90,1963. 4 Wicham,K.R.,Hopper,A.G.and Mershon,J.L Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shells Due to External Loadings,WRC Bul1.No.107,1965. 5 Xue,M.D.,Hwang,K.C.,Lu,W.et a1.,A Reinforce- ment Design Based on Analysis of Large Opening in cy lindrical Pressure Vessel,ASME Journal of pressure Vessel Technology,118502506,1996. 6 Xue,M.D.,Li,D.F.and Hwang,k C.,A Thin Shell Theoretical Solution for Two Intersecting Cylindrical Shells Due to External Branch Pipe Moments,ASME Journal of pressure Vessel Technology,127357368,2005. 7 Xue,M.n,Du,P.H.,Li,n and Hwang,K.C.,A Stresses Analysis for Cylindrical Shell with Nozzle Sub jected to Internal Pressure,External Forces and Moments,in Proceedings of 1CPVT l1/2o06 ASME Vessels and Piping Divi sion Conference,July 2327 2006,Vancoucer,BC,Canada. 8桑如苞.压力面积法开孔补强设计方法分析f J].石油化 工设备技术,1987,1. 9桑如苞.压力容器强度设计技术分析三[J].石油化 工设备技术,1987,1. 1O乔海星,常俊刚,王冀宁.压力容器接管锻件结构设计 [J].化工设备与管道论文集,2007年增刊一. 收稿日期201303~04

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