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压力容器不断被遍及运用于火油、化工、机器、核产业、航天等各个行业。由于压力容器在承压形态下做事,并且所管教的介质多为高温或易燃易爆,一旦产闯祸故,将会对人们的性命和家当孕育不成猜想的损失。
而跟着火油化工及其余行业的快捷进展,很多压力容器要担当交变载荷,比如屡次开罢工、压力摇动、温度变动等,使得容器中应力跟着工夫成周期性或无规定变动。临盆范围的大型化和高参数(高压、高温、低温)也使得高强度材料遍及运用于压力容器,这些要素的组合孕育了压力容器产生疲顿生效的变乱增添。
一、轮回的根本特征以单向应力形态为例,主应力随工夫的变动规律见图1,标识σmax和σmin暗示轮回的最大应力和最小应力,轮回特征用r=σmin/σmax暗示。任何一个应力轮回均能够看做由稳定的均匀应力σm=0.5(σmax+σmin)和应力幅σa=0.5(σmax-σmin)按对称轮回变动的应力叠加的完毕。
图1轮回特征
表1几中榜样的交变应力变动规律
二、安排疲顿弧线JB-(年确认)《钢制压力容器—剖析安排准则》供应的安排疲顿弧线(S-N弧线)是基于滑腻试件疲顿数据,思量了均匀应力、温度、处境等影响,对应力幅取2的平安系数,疲顿寿命取20(数据散开度2×尺寸要素2.5×表面粗劣度及处境要素4)的平安系数获得的。
安排疲顿弧线需求提防:
连系疲顿强度松开系数后,可对焊接件或其余缺口实行疲顿评定;
平安裕度是经过平安系数肯定的,是不变的,并非按统计学法子肯定,即生效几率未知;
S-N弧线是基于材料的,每一类材料对应一条弧线。
(b)温度不超越℃和Sa>MPa
图2奥氏体不锈钢的安排疲顿弧线
三、影响疲顿寿命的要素均匀应力的影响:疲顿弧线是在轮回特征r=-1的情状下得出的,而本质做事中的压力容器很少在对称轮回载荷下做事,于是就存在一个均匀应力对疲顿寿命的影响题目。
均匀应力到底对疲顿寿命带来甚么样的影响,这是一个特别繁杂的题目。个别定性说:在给定的加载幅值下,拉伸均匀应力使寿命收缩,而收缩均匀应力能够使寿命增进。
准则中供应应安排者的S-N疲顿弧线都是曾经计及了均匀应力的影响。在疲顿剖析中,停止的应力何如思量?
准则中明了“只要思量由规章的行动轮回所引发的应力,而无需思量在轮回中稳定动的任何载荷或温度形态所孕育的应力,由于它们是均匀应力,而均匀应力的最大或许影响已包罗在疲顿安排弧线中”。于是,在操纵S-N弧线时,只要要用应力的摇动部份和许用应力幅相对照,而不用去思量在轮回中稳定的应力。
容器机关:应力的巨细对压力容器的疲顿寿命起决计性的影响。机关中有或许引发应力齐集的部位,城市影响容器的疲顿寿命。应力齐集致使容器疲顿承载手腕下降的水平可用疲顿强度松开系数Kf来暗示,Kf的界说为:
Kf和应力齐集系数Kt不同样,Kt仅响应机关部分不连气儿的特征,并且仅指机关一块处于弹性形态时的特征;而Kf的巨细不但与Kt相关,并且还与应力梯度、材料、载荷范例相关。
容器表面机能:疲顿裂纹个别在容器表面上形核,容器表面形态对疲顿寿命有显著影响。粗劣表面上的沟痕会引发应力齐集,改革材料对疲顿裂纹形核的手腕。残剩应力会改革均匀应力和容器的疲顿寿命。收缩残剩应力能够抬高疲顿寿命,拉伸残剩应力会下降疲顿寿命。抬高容器的表面品质、在表面引入收缩残剩应力都是抬高压力容器疲顿寿命的有用门路。
处境要素:温度会影响容器疲顿寿命。在低于材料蠕变温度的局限内,温度抬高,容器的疲顿寿命降落,但不严峻,能够经过温度对材料弹性模量的影响来响应。假若温度超越蠕变温度,容器受蠕变和交变载荷联配合用,情状会变得特别繁杂,暂时尚缺少充足的实验数据。剖析安排准则请求安排温度低于适才蠕变温度。
侵蚀性介质对容器的侵蚀体此刻使容器表面的粗劣度增添、下降材料抗疲顿机能以及减小容器有用承载截面、抬高本质做事应力,进而使得容器的疲顿寿命大大下降。侵蚀与交变载荷联配合用所引发的侵蚀疲顿是压力容器最危险的生效情势之一,但由于侵蚀介质的百般化,使得侵蚀和交变载荷共通影响下的探索变得特别繁杂,尚未形陈范例,于是剖析安排准则中未思量侵蚀对钢材抗疲顿机能的影响。
四、疲顿剖析案例图3机关尺寸示用意
某立式容器,机关尺寸示用意见图3,做事载荷为内压0-1.2MPa加压、卸压轮回,每小时4次,年职掌工夫为h,摆设瞻望安排寿命为10年,做事温度80-℃。
1前提剖析静强度安排前提:安排压力取1.3MPa,安排温度取℃。
轮回载荷前提:每15min做事压力由0-1.2MPa摇动一次,祈望压力取1.3MPa,安排温度℃。
连系工艺物料及温度、压力,选材S,材料特征参数见下表:
2剖析安排初算(1)疲顿剖析罢职的断定
采用3.10.2.1组推断前提判定,对常温抗拉强度Rm≤MPa的钢材,Σn<0次可罢职疲顿剖析。包罗启动和泊车在内的全局限压力轮回的瞻望次数:
于是部份的轮回次数已超越0次,估生气足罢职前提,容器应实行疲顿剖析。
(2)筒体厚度祈望
(3)椭圆封头厚度祈望
采取准则椭圆封头r/Di=0.17,Pc/KSm=1.3/=0.(纵坐标)
综上祈望,取筒体和椭圆封头的壁厚初始值为5mm。
3剖析祈望(1)建模及网格区分
下列中心剖析封头与接受毗连的部分地域,并依照容器的特征对机关简化,取1/4模子(粗心法兰的),用于有限元剖析的模子见图4,网格区分完毕见图5。本模子首要采取六面体主宰网格区分法子。单位范例是Solid和Solid单位。此中节点数,单位数为。
图4有限元剖析模子
图5网格区分
(2)界限及载荷前提
配置A、B平面为对称面,束缚筒体C面X向位移,在内壁面施加压力1.3MPa,在接受端面施加等效接受力,如图6所示。
图6界限及载荷前提暗示
(3)完毕及评定
有限元剖析完毕见图7所示,最大应力强度为.53MPa,接受与封头毗连的部分地域。
图7应力散布云图
依照剖析获得的应力散布云图以及本身机关特征,在模子上采用4条门路,如图8所示。详细评定命据下列表所示。线性化门路采用准则为:
经过等效应力最大节点,并沿壁厚方位的最短间隔设定门路。
关于相对高应力地域,门路沿壁厚方位采用。
图8线性化管教门路
应力评定表
(4)疲顿剖析评定
在安排载荷前提下,从应力剖析看来,封头与接受毗连处四周的应力强度值最大,最大应力值为.53MPa,故对此应力最大地位实行疲顿评定。
在周全应力轮回(安排载荷P=1.3MPa)中最大应力强度值为.53MPa。在做事压力轮回(0~1.2MPa)中的应力幅Sr=.53MPa,交变应力强度幅为Sa=.53/2=69.MPa。
本主容器的安排温度为℃小于℃,且Sa≤MPa,查图2得疲顿寿命为,大于容器安排寿命3.2×。于是,摆设的运转寿命餍足需求,疲顿校核经过。
滥觞:豪爽化工手艺
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