鍛件資訊
2020-06-15 12:04
為了完成一定工藝性能，壓力容器本體上必將開設一定數量的管口，如各種物料口、儀表口、檢查口等。對于外接管道的管口，由于管道自身承受介質壓力、安裝與操作時的溫差變化及自重等原因，不可避免地將力和力矩傳遞到設備管口上。過大的外載荷使結構處于不安定狀態，容易產生裂紋，導致失效。因此，為了容器的整體安全，必須對接管與殼體的局部應力進行核算，并將其限制在一定范圍內。對于從設備殼體上直接伸出的徑向接管，外載荷對照力學模型容易確定;但對部分從設備底部或者頂部通過彎頭引出來的，如塔底進出物料口，立式容器的排凈、放空口等，核算的首要問題，是要按照力學模型，正確輸入外載荷條件。
1.外載荷核算模型
由于外載荷的多樣性及局部應力計算的復雜性，國內外壓力容器常規設計規范正文中，都未包括外載荷引起的局部應力的計算。目前，廣為國際工程界應用的有美國焊接研究協會WRC第107號公報［2］、WRC第297號公報［3］及英國標準PD5500附錄G［4］。這些方法考慮了以下4種傳遞到殼體上的外部載荷，見圖1。(1)徑向載荷P;(2)周向切向載荷V1和經向切向載荷V2;(3)周向外力矩M1和經向外力矩M2;(4)扭轉力矩MT。一般情況下，由接管外載荷P、V1、V2、M1、M2、MT引起的最大正應力和最大剪應力發生在接管與殼體連接處外壁面的AU、BU、CU、DU和內壁面AL、BL、CL、DL這8個點上［5］。局部應力的強度評定通常參照分析設計的方法，即根據各種應力的起因和性質，***行應力分類:(1)僅由盛裝介質壓力P所引起的薄膜應力為一次總體薄膜應力Pm;(2)由外加載荷所引起的薄膜應力的疊加為一次局部膜應力PL;(3)由外載荷所引起的彎曲應力為二次應力Q。然后各類應力中的各向應力分別進行疊加，分別求出殼體和接管在各點處的經向和周向正應力，以及剪切應力，計算復合應力的當量強度。當各外載荷都不帶交變性質，或可以免除疲勞分析時，各點復合應力當量強度的校核條件為［6］:(1)僅內壓引起的薄膜應力σ≤［σ］t;(2)內壓和各外載荷引起薄膜應力的總值σ≤1.5［σ］t;(3)內壓和各外載荷引起薄膜應力加彎曲應力的總值σ≤3［σ］t。
2.彎出接管管道載荷
工程上，對于較大的管道外載荷，管道機械專業會把傳遞到設備管口法蘭面上的載荷以條件形式提給設備專業核算，或者設備專業在設計文件中限定每個管口許用外載荷大小。目前，核算常采用軟件分析，如SW6零部件的局部應力模塊，PVelite的WRC297模塊等。在軟件的力學模型中，要求輸入作用在法蘭面上的力和力矩。但實際工作中，也常遇到帶有彎頭的接管，如塔底引出管。工作中經常發現，部分設計人員在核算這種彎管型式外載荷時，常將作用在法蘭面上的力和力矩，直接平移到接管根部作為設計輸入。實際上，這種載荷直接平移，未考慮力的平移影響，得到的應力評定結果是不準確的。本文分析了P，V1，V2平移后，對等效作用在接管根部的力矩和扭矩的影響。2.1力的平移定理設剛體的A點作用著一個力F，在此剛體上任取一點O。現在討論把力F平移到O點，而不改變其原來的作用效應。首先，可在O點加上兩個大小相等、方向相反，與F平行的力F'和F″，且F'=F″=F，根據加減平衡力系公理，F、F'和F″與的F對剛體的作用效應是相同的。顯然F″和F組成一個力偶，其力偶矩為m=F·d=MO(F)這三個力可轉換為作用在O點的一個力和一個力偶。由此可得力的平移定理:作用在剛體上的力F，可以平移到同一剛體上的任一點O，但必須附加一個力偶，其力偶矩等于力F對新作用點O之矩［7］。2.2彎管外載荷平移將作用在法蘭面上的FR由A點平移到O點，得力V2，同時還必須附加一個繞V1軸正方向旋轉的力偶FR·H;同理，將FL平移到O點，得徑向力P，同時也附加一個繞V1軸正方向旋轉的力偶FL·L;將FC平移到O點，得力V1，同時附加一個繞V2軸負方向旋轉的力偶FC·H，另外，對P軸負方向也產生了扭矩FC·L。將力系向O點簡化，得到以下將載荷轉化到接管根部的方程式:局部應力計算實例及分析某項目加氫反應器，底封頭出料口彎出裙座之外，作用在法蘭密封面的管道機械載荷條件。核算條件中，力系作用點在法蘭面，計算模型中，需要將力系平移至接管根部，根據得到的方程，代入數據，轉化后的管道載荷。作用在接管根部的載荷，并不是中力和力矩的簡單平移。力的平移，對力矩和扭矩的數值有較大的影響。
隨著生產的日益擴大，壓力容器的設計日益大型化、高參數化。對壓力容器設計而言，不僅要注重介質壓力對殼體厚度的影響，同時也要關注內壓與外部載荷聯合作用下對殼體強度的影響，保證設計的本質安全。當接管承受較大外載荷時，可以從如下幾點考慮:(1)減少兩連接件的剛度差;(2)接管根部角焊縫圓滑過渡，避免結構突變;(3)適用補強圈的場合，盡量設置補強圈。對于小接管，外伸較長時，建議設置加強筋;(4)設計文件中對角焊縫提出必要的無損檢測要求;(5)如管道外載荷過大，將條件返回給配管專業，調整管道走向，或增加支吊架和撓性元件，降低管道所傳遞的載荷。
