再谈压力容器标准的应用_丁伯民.pdf
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1、第 50 卷第 3 期化工设备与登道V o1.50N o.320 13 年 6 月PR O C E SS E Q U IPM EN T&PIPIN GJu n.2 0 13#刀 厄才 灌 攀 寻 导#再谈压力容器标准的应用丁 伯 民(华东理工大学,上海200237)摘要:从基本原理和安全系数!材料的线算图等出发,轴向失稳!外压球壳失稳计算结果之间的区别及其原因关键词:外压圆筒;外压球壳:安全系数;失稳计算中图分类号:TQ 05 3:TH 1 2 1文献标识码:A分析并讨论了有关标准和规范对外压圆筒周向和文章编号:1009一 328一(2013)03一 0016一 006针对业内在应用标准!规范
2、中有关强度计算提出的意见和疑问,笔者谈了一些看法.,其中提及:不同的规范都有各 自的体系和适用范围,对同一元件在同样设计条件时得到略为不同的结果是正常的 由于标准!规范都各 自引人了自成体系的工程因素,对同一元件按不同标准!规范所得的结果进行讨论时,首先要注意其基本原理及配套的工程因素之间的区别,不能笼统地讨论其保守或冒进 近日见文=2 1 对外压球壳设计中采用不同的中外标准所得的结果进行分析,使笔者又联想起在讨论这一问题时除了应考虑上述因素外,可能还应联系起不同标准!规范在基本原理!安全系数之间的区别,甚至包括在同样原理的情况下可能存在疏忽而引起的差别 文=2 用计算结果表示,对同样尺寸 的
3、外压球壳,可得 G B 150一201 1 的许用外压为 0.2 0M Pa,而A SM E 姗 一 l一2010 仅为 0.12 M Pa,并对其他标准如JB 4732一 1995(2005 确认)!A SM E 姗 一 2一2010!EN13445一2009!rO C T 14249 等等的所得结果进行比较 因 JB 4732!A SM E姗 一 2!EN13445!FO CT 14249等和 G B 15 0!A SM E 皿 一 1 属于不同的体系,对同一元件的计算结果进行简单 比较所引起 的问题已在文=l 中作了分析;但 G B 巧!A SM E 姗 一 1则属同一体系,且笔者一直指
4、出,G B 150 相 当多的内容(包括外压元件设计)实际上引 自A SM E 姗 一 1,之所以有些出人,或因所考虑工程因素不同(如材料类别和安全系数等),或可能在引用中的其他原因所致 对照了这两个标准,发现 了一些新的情况,为此撰文供业内参考 A SM E 诵一 种!对外压元件设计的总体思路A SM E 姗 一 1对圆筒仅考虑在横向外压!横向和轴向同时受相同外压时所引起的周向失稳(规范并未区分二者失稳压力的略有区别,都按相同的周向失稳计算),以及仅轴向外压(或压缩载荷)时的轴向失稳:对球壳则为在均匀外压下的失稳 并未考虑圆筒在横向和轴向受不同压力作用!或另作用有轴向弯矩!横向推力等,以及这
5、些载荷的组合作用等情况 A SM E娜 一 2 则全面地考虑了这些 1.,外压圆筒的周 向稳定性设计对圆筒的周向失稳,A SM E 姗 一 l 由小挠度理论推导得失稳压力为:2.59 E t ZP c r=乞 万 硕万万(l)工 程 上 称 为 用 于 短 圆 筒 的 M i seS 公 式 或B.M.P a m m 公式,失稳时的波数随 L/D 值 的减小而增加 当 L/D很大时,失稳时出现 2 个波,此时二 _一:.2:习.-一又 D 夕工程上称为用于长圆筒的 B r e s S 公式 对式(l)和式(2),可统一表示为(2)二 _一 K E 引.(3)c,一 又 D)!一.收稿 日期:2
6、013一 02一 05作者简介:一J一 伯民(1935一),男,江苏无锡人,教授主要从事压力容器!化 r一 设备的教学!设 计和研 究 l _作 20 13 年 6 月丁伯民.再谈压力容器标准的应用其中K 为表征长!短圆筒的特征系数,和结构尺寸 L/D!D/t有关 E 为材料 的弹性模量,在 比例限以下时为常数,可由材料性能表查取:在比例限以上则和其应力 一 应变关系曲线有关,并非常数 为避开 E 值为变量这一麻烦问题,规范采用失稳时的周向应变 凡:而并非压力P c r或应力 S c,为表征失稳时的特征 不论长!短圆筒,在失稳时的周向应变 乓,为求得许用外压 沙l即:刀=ie r_ S c r
7、 _ P c rD _ m P DEZI EZt E将上式改写并引人符号 B 而得:B 二 1 三 2 卫 _兰E A不脚A SM E 姗 一 1 在 1977 年版以前对圆筒周向失稳取稳定性安全系数 m=4f 4 ,所以可得:_ s 7_ P c 7 D_ K 厂,!.,_ _/!-7一 气 丁一 二二丁石厂 一下二 l 下丁=I戈L 月夕.2少/I 少二:二乙甲 少B _ 土E A2(4)规范将失稳时的周向应变 e c 用符号 A 表示,并根据长圆筒!短圆筒的失稳压力P c 7和圆筒结构尺寸L/D!D/t 的关系,用 L/D作为纵坐标!A 为横坐标!D/l为参变量作图,即外压或压缩载荷时元
8、件的几何参数图 于是,可由该图由圆筒 的L/D!D/t值查取圆筒在失稳时的周向应变A,然后由应变和应力的关系求取失稳应力 S c r,以及应力和压力的关系求取失稳压力P c 7,并从设计角度引入稳定性安全系数 m 而由上式可知,符号 B 的物理意义实际上表示圆筒在周向失稳时(已引人稳定性安全系数 m 二 4)许用周向压缩应力的一半 因此,符号 A 和符号 B 的关系,实质上是圆筒周向失稳时许用周 向应力的一半和失稳时实际周 向应变之间的关 系,所以可以用材料的拉伸 曲线,即应力 一 应变之间的关系,并将应力坐标按 1/2 比例缩小后以表示应力 的一半和应变之间的关系,其示意见图 1 川d 睡叱
9、勺受勺山c 舀S V0 0 5 5 乃l 石巧巧9 0 7 5 6 7 6 0 5 2 4 5 1 3 1 2 3 7 1 03026 322 一5d.蟾叱芝砧巴国O2 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 4 0 1 8 0 1 6 0 1 0 0 5 0 3 5 3 0 1 4 0 1 2 0 门门 曰曰1 111一一7 7!一一日丁丁1 1 1厂厂 厂厂门厂厂 l日 l川 日日l一一门门 门门 !111ll l ll一一门门 l m m m7 7 门门 门门门门 ll 7 7!n T T T T T户户厂厂汀汀l !川川川门门日日 11 111 1 1l l l门门1 1 1 m m
10、m7 7 一 门门 门门 门门11!7 7!盯盯盯口口7 7吓吓 1 门门门门l!1 111 =r c.卫山山 叫15 0 e 趁趁门门门 门门 口口川川E E E汪汪 叮叮叮厂厂厂厂 江江 l!门门日日比助共共共州26 0 e-州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州 37 0 e-厂,25 仁仁州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州州叨 币-曰曰曰日日 口口 日日 团团 网网网日日7 7压压!1 !日日 曰曰日日 日日 和 2 训拼拼碑 口 口 口口 门门门7 7,门门 口口1 1 1
11、 1 幻幻 团团 田田田 口口 7 7 庄庄 烈-(日 l l l 门门 口口 研 叶 叮 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 洲 洲洲 曰曰曰厂厂一一门门厂厂 l 7 7 可可 盯盯盯7 7 厂厂吓吓吓州 l洲洲团团门门 日 斗 盯 1 7洲洲曰曰曰厂厂-门门厂厂 7 7 汀汀 盯盯盯厂厂广广汀汀 1 州州 价 11 洲 门门口口叶们 l姗打打 洲洲日日日i 刁刁 二二 丁丁 厂二二 已已.1 1(l l l1 1 1r一一r门广广l 曰引引l 洲 曰 l 曰 洲洲,门门 t山 冲 叮11日l 沙幸幸幸l e e 州州 门门 rT 曰曰 门门(厂 二二 口口1 11(l l l口口口,丁
12、丁r二 二二 l阳阳 11111妇妇沪 尸 1 1 1 厂 刃刃J J J户 丫1!l幼甲 1犷 曰曰曰厂,门门 r 尸尸口口!一一厂,曰曰!l=l!l l l 7 7 7丁 厂厂l 甘 y 1 1 以 咋!训训户 州州 门门 1 1奋 了 I t日l11 l一一厂甲甲 门门 门-n n n泣泣二二口口口口!l11 1 1 1 17 玉玉l 创龙龙 州 11 州州尸 尸尸 门门 曰曰盯 11川I)I I I I I曰曰 门门门,门门巨巨 二二口口 口口11!11 1 1 1 1产产 二 厂厂l 别 l8 8 11 州 汽!洲洲门门 门门1 11!川 l日日 门门 门门=下下 口口厂厂下下 曰曰
13、口口 11!日日围围 认川川m 洲洲 r r r门门 !l 门门门门团团 门门厂厂 二二 门门口口 川川川介介圈圈 阿!日日 朋 日日日门门门门 川 日 日 门门门门可可 门门口口口 门门 口口日 口口 哪哪陌1,日!门门门门!日 日 !川 日日日日 印印口口口口口口口 口口川川 一叭,么么 理理 川川川门门 门门 日 !1!日日 日日 印印日日口口口口口 口口川川 1 ,田田一 喇喇团团 团团 8 川川川 口口 口口!1 口口 日日 团团 日日18名l5q j 八曰2,q0乃000 14 5 6 78 90.000 14 5 6 7 8 90乃0 14 5 6 7 890乃14 5 67 8
14、 90.1系数咬图,确定外压壳体厚度的线算图F ig.l C h ar t f o r deten ni n i n g sh ell t h i ek ness of c o呷 o nen t s U nde r ex t em a lpr e ssu r e由A 查得B 值后,即可由符号B 的表示式按 沙1=B知求 得 许 用 外 压回戈上 2 夕回 偏念 计 算 许 用 外 压!A SM E 珊 一 1 从 19 7 7 年版起对圆筒周 向失稳取稳定性安全系数 m 科 改为 3 .,但此图仍沿用以前版,.2受轴向压缩时圆筒的轴向稳定性设计鉴 于 由小 挠 度 理 论 所 得 的 轴 向
15、失 稳 应 力S er=本 的 原 图,并 未 调 整,故 将 许 用 外 压 1 司 乘 以丫 3(l 一,2.一 一 兰 二 一阵!_了,-,二 2!沐)和实测结果差别很大,偏大达4一 5 倍之多,所以 A SM E 珊 一 1采用大挠度理论所得4/3 予 以放大调整,所 以 1977 年以后版本的 A SM E姗 一 l,都表示为 沙8 二4 B3(D/t),即指此意 如明确处的 轴 向 失 稳 应 力 s c r=0.2 5:目,并 和 周 向 稳 定 性 设 八/于 线 性 弹 J 性 范 围,贝 可 根 据 一 粤 E A 的 关 系 直 接 按-计相同,也引入 m=4 的稳定性安
16、全系数,因此可得其轴向压缩许用应力为:化工设奋与臼通第 5()卷第3 期!一 鲁一 令一 0.06 25:1 封但 也 有 资 料 表 示 系 按 s c r一#6 0 E 周或 s c r一#6 3 E 令)(5)并引人近似于 1 0 的稳定性安全系数而导得和式相同结果的 协 一 61为解决非线性弹性时的 E 值,规范根据其所列材料线算 图,定义 B=S,于是,由规范 已经作就了的 二 冬 E A 关 系 而 得:乙0.125(R/r)(6)止 匕 处 系 数/-又 表 示 在0 一/条 件 下,由 0 一 合 E A的一个符号,并无物理意义 据此,可由式(6)由圆筒尺寸求得A 值,然后按图
17、 l 由A 查 B,B 即为许用轴向压缩应力 S 如明/0 于 纷 胜 弹 性 范 围,啊/接 按 赓 O#0 6,i周计算轴向许用压缩应力S 值 要指 出的是,1977 年版以后 的 A SM E 娜 一 1 仍然采用式(6)表示的 A 值,并用此 A 值查 B,B 即为许用轴 向压缩应力 S,并 未像周向失稳那样对稳定性 安全系数 m 由4 到 3 进行调整,这到底是仍然维持 m 二 4 还是由于疏忽,未对 月或 B 值乘以 4/3 所致,笔者无法查到依据,.3外压球壳的稳定性设计和 受 轴 向 压 缩 时 圆 筒 的轴 向 稳 定 性 设 计相 似,由小挠 度 理 论所 得 外压 球 壳
18、 的失 稳压 力ZE厂t!,P c9=.声访七 方 少/实 测 结 果 0 另/很 大,所 以A SM E 珊 一 1采用大挠度理论所得的外压球壳失稳应力;r 一 0.,2 5:曰.,即 失 稳 压 力 为:c r 一 0.2 5:周2 5,.一/.-一 戈 R)0.-一/甲 一/I.c r-.-一 忆 R)并和周 向稳定性设计相同,也引人 m=4 的稳定性安全系数,因此可得其许用外压为:0=合 E A 白 勺 一 个 符 号,并 无 物 理 意 义 据此,可由式(8)l 牛 1球壳 J泛 寸求得 月位,然后由 图 由,查,再 按,白 勺 定 义 由 川 一/青 求 得 许用外压 沙 如明确处
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