內(nèi)壓力容器筒體的橢圓度控制

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1、內(nèi)壓力容器筒體的橢圓度控制侯蓮香???摘要：從壓力容器橢圓度引起周向附加彎曲應(yīng)力出發(fā)，推導(dǎo)出檢測(cè)和控制橢圓度值的方法，使其達(dá)到安全工作的目的，為工業(yè)生產(chǎn)及檢測(cè)部門(mén)提供依據(jù)。???關(guān)鍵詞：壓力容器；彎曲應(yīng)力；橢圓度???1．引言???壓力容器在工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，它的安全運(yùn)行與人民生命財(cái)產(chǎn)的安全休戚相關(guān)，因此對(duì)壓力容器的誤差檢測(cè)與控制顯得尤為重要。對(duì)于內(nèi)壓力容器，制造完工以后的筒體應(yīng)該是真正的圓形。筒體由于存在橢圓度(Dmax—Dmin)，在內(nèi)壓作用下會(huì)引起周向的附加彎曲應(yīng)力，所以應(yīng)嚴(yán)加控制。由于正負(fù)偏差值和筒體橢

2、圓度值之間有一定聯(lián)系，所以從限制周向附加彎曲應(yīng)力的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，控制筒體的橢圓度值已能起到控制筒體周向附加彎曲應(yīng)力的作用。本文主要探討對(duì)于內(nèi)壓力容器的筒體，如何通過(guò)控制筒體橢圓度值來(lái)控制其附加彎曲應(yīng)力的問(wèn)題。???內(nèi)壓力容器筒體在內(nèi)壓作用下總是使筒體趨向正圓形，但由于橢圓度值的存在，會(huì)引起周向附加彎曲應(yīng)力。該周向附加彎曲應(yīng)力與內(nèi)壓在筒體上直接引起的周向薄膜應(yīng)力共同作用，使筒體的周向拉伸總應(yīng)力趨于增大，從應(yīng)力分析角度考慮，為保證筒體的安全，應(yīng)將此周向總應(yīng)力限于材料的屈服強(qiáng)度磯以下。因此，根據(jù)這一觀(guān)點(diǎn)，可以對(duì)內(nèi)壓力容器橢圓

3、度的允許值進(jìn)行確定。???2．圓筒初始橢圓度值所引起的周向附加彎曲應(yīng)力???當(dāng)長(zhǎng)圓筒存在初始橢圓度值而導(dǎo)致圓筒的徑向偏差值為W0時(shí)（如圖1所示），由圓筒在周向失穩(wěn)時(shí)的撓曲微分方程，得到在外壓F作用下圓筒上的最大周向彎矩Mmax按下式求值??????Fcr為當(dāng)圓筒具有真正圓形時(shí)的臨界壓力??????相應(yīng)的在圓筒上所引起的周向附加彎曲應(yīng)力為??????圓筒上的周向壓縮總應(yīng)力可由周向附加彎曲應(yīng)力以及由F引起的周向壓縮應(yīng)力相疊加而得，即??????為保證圓筒不發(fā)生屈服，應(yīng)把周向壓縮總應(yīng)力限于材料的屈服強(qiáng)度σS之下，即???

4、???如圖2所示，當(dāng)圓筒制成如圖2a所示的橢圓形時(shí)圓筒的初始徑向偏差??????如制成圖2b所示的形狀，即發(fā)生局部凹陷或外凸時(shí)，圓筒的初始偏差??????因此對(duì)于一般情況，可取???W0=(0.25~0.5)(Dmax—Dmin)???????????(8)???從而得到圓筒所能承受的最大壓力值。只要控制該壓力值，從工程設(shè)計(jì)角度分析應(yīng)該是安全的。???3．圓筒實(shí)際形狀與真正圓形之間正負(fù)偏差e的最大允許值???當(dāng)圓筒在周向失穩(wěn)時(shí)，可形成如圖3失穩(wěn)波形，即n=2，3，4，……的波形。失穩(wěn)時(shí)的軸向斷面可看成為2n根首尾相

5、銜接的周向受壓而失穩(wěn)的“壓桿”，因此“壓桿”的長(zhǎng)度為???式中：l——圓筒在周向失穩(wěn)時(shí)的半波長(zhǎng)。???該“壓桿”的長(zhǎng)細(xì)比可表示為l/r，其中r為“壓桿”的回轉(zhuǎn)半徑，對(duì)于壁厚為δe的圓筒，可看成半徑為r=δe/，則??????若e表示每根“壓桿”的初始偏心距，并假設(shè)偏心度e/r對(duì)“壓桿”穩(wěn)定性的影響和長(zhǎng)細(xì)比1/r對(duì)“壓桿”穩(wěn)定性的影響相當(dāng)，即e/r∝l/r，則??????實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)圓筒的δe/D0為定值時(shí)，周向失穩(wěn)時(shí)的e／δe值隨著圓筒長(zhǎng)徑比l/D0的增大而增大。隨著圓筒一民徑比l/D0值由中等長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，l/

6、D0對(duì)e／δe值并無(wú)影響，而隨著l/D0的減小，e／δe值略為提高，因此應(yīng)對(duì)公式（11）進(jìn)行修正，即??????所以在確定圓筒實(shí)際形狀與正圓形之間的最大允許正負(fù)偏差e值時(shí)，可根據(jù)公式（12）決定。最大允許e值和圓筒周向失穩(wěn)時(shí)的波數(shù)n，亦即和圓筒的結(jié)構(gòu)尺寸1/D0、D0/δe有關(guān)。圖3所示給出n=4的圓筒周向失穩(wěn)波形。???因此現(xiàn)行壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)內(nèi)壓力容器只控制其橢圓度就能保證安全要求，以圓弧半徑相當(dāng)于筒節(jié)內(nèi)半徑，弦長(zhǎng)等于1/6Dg且不少于300mm的弓形樣板進(jìn)行測(cè)量，并規(guī)定許用棱角值為E≤(0.1δ+2)mm且

7、不大于5mm。限制內(nèi)壓圓筒的周向附加彎曲應(yīng)力和失穩(wěn)壓力的下降，要求對(duì)內(nèi)壓筒體控制其橢圓度≤1%Dg且不大于25mm。參考文獻(xiàn)：[1]JawadMH，F(xiàn)arrJR.StructuralanalysisanddesignofProcessequipment[J]．IEEETransactionsonReliabihty，1998，7(3)：451-456.[2]賀匡國(guó)．壓力容器分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.