外載荷引起的局部應力對容器使用壽命的影響

摘 要:以往在石油、化工、機械等眾多領域里廣泛使用的壓力容器設計往往忽略附件對筒體產生局部應力的校核，這些局部應力的存在將成為容器發生強度或穩定性失效的主要原因。近年來不斷出現的一些局部連接處的破壞而導致容器整體報廢的事故，引起了工程和科學研究人員的廣泛重視。SW6計算軟件中的WRC107/297局部應力計算程序在很大程度上可以代替復雜的有限元分析并安全可靠。

關鍵詞:局部應力 強度失效 WRC107/297

中圖分類號:TB121文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)12(b)-0073-02

1 引言

容器除了受內壓或外壓等均勻載荷之外，在局部地區還會受到另外一些外應力，如局部薄膜應力和彎曲應力，以及在截面尺寸突變的轉角處的應力集中。因為容器在其制造、安裝和使用過程中還受到許多來自其附件的外載荷，這些附件包括支座，托架，吊耳和接管等，通過附件傳過來的載荷對殼體的影響通常僅限于附件與殼體連接處附近的局部地區，因此稱為局部應力。

1.1 局部應力的產生原因

引起局部應力產生的局部載荷包括設備的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的約束反力、溫度變化引起的載荷等。這些外載荷在壓力容器材料或結構不連續的局部區域，如截面尺寸、幾何形狀突變的區域、兩種不同材料的連接處等必然產生較高的不連續應力。

1.2 局部應力的危害性

局部應力的危害性與材料韌性的大小、載荷形式、及載荷作用處的局部結構形狀和尺寸有關。過大的局部應力使結構處于不安定狀態，在交變載荷下，易產生裂紋，可能導致疲勞失效。

1.3 局部應力的特點

局部應力的特點是非對稱性和局部性，所以整體計算非常復雜，工程上確實沒有必要針對每一項都引用有限元去建模設計。但又因其本身的危害性很大，基礎的應力分析設計也是必不可少的。

1.4 局部應力的類型

吊耳連接處局部應力:在吊裝過程中由于設備自重在壓力容器臨時吊耳處會產生明顯的局部應力集中。除了按照HGT21574-2008T《化工設備吊耳及工程技術要求》進行吊耳本身的能力計算外，還應該對墊板與容器殼體之間的焊縫進行局部應力校核。

耳式支座連接處局部應力:對用于支承立式容器的懸掛式支座亦稱耳式支座，支座對支撐處殼體會產生相應的約束反力，這些支座的反力作用在容器被支承的部位，容器便承受了局部載荷，將產生局部應力。我們在設計立式容器支撐時，可以用JB/T2712.3-2007《耳式支座》里面標準里的立式容器在風載、地震作用下的耳式支座的計算方法去計算載荷和彎矩，再校核一下支座處筒體的局部應力。

接管連接處局部應力:壓力容器的開孔接管形式，使筒體幾何不連續性加劇，引起開孔附近區域產生明顯的應力集中，且應力集中系數隨接管與筒體連接處距離的增大而快速降低，在筒體上造成局部高應力，從而嚴重影響筒體的承載能力，該部位很有可能成為設備的破壞源。因此對開孔接管部位作局部應力校核是確保壓力容器安全運行必不可少的內容。

2 附件局部應力計算方法

在工程設計的過程中通常是應用強度計算軟件SW6中的局部應力部分-WRC107/297來校核殼體與附件連接處的受力狀況。WRC107/297計算程序實際上是應用應力分析法ANSYS方法中常用的應力集中系數法。在對話框中輸入局部幾何尺寸和各項許用應力值，通過薄膜應力、彎曲應力分析理論公式計算出應力集中系數，在一系列實驗測定的數值勾畫出應力集中系數曲線圖中查得實際各項最大應力，與前面輸入許用應力值進行比較，各項最大應力值小于許用應力值為合格。WRC107/297采用實驗測定的曲線和基于理論推導出來的公式，本身就是一種應力分析設計方法，可靠度高，很大程度上不需要有限元計算。由于載荷或幾何形狀和載荷的非對稱性，對局部應力作完整分析過于復雜，有限元計算往往不便于應用。超出這些公式應用范圍的東西就有必要進行有限元計算了。

2.1 局部應力計算輸入數據

計算中殼體形狀可以是圓柱殼或球殼，連接附件的殼體處可以開孔也可以不開孔，附件本身可是圓柱體也可以是長方體，其他復雜形式的附件也可簡化成圓柱體或長方體。如圖1。

通過附件傳到殼體上的外載荷包括下列幾種載荷的不同組合:

P為徑向載荷，單位:N;

由于管道推力引起的徑向載荷與殼體所受內壓方向相反，所以在計算中輸入負值，由管道專業提供。由于支座反力、容器吊裝引起的徑向載荷與殼體所受內壓方向相同，所以在計算中輸入正值，可以通過支座和吊耳的標準中計算方法來取得。

VC(V1)為周向切向載荷，單位:N;

VL(V2)為經向切向載荷，單位:N;

ML(M2)為周向外力矩;單位:N;

MC(M1)為經向外力矩，單位:N;

MT為扭轉力矩，單位:N;

2.2 局部應力計算過程

2.2.1 SW6中WRC297計算程序是針對殼體不開孔的狀態，具體計算公式如下:

其中:

Kt為應力集中系數;

薄膜(彎曲)內力所引起的、過渡圓角表面點處的應力集中系數，而非“薄膜(彎曲)應力的集中系數”。

max為受內壓殼體與附件連接處的最大彈性應力，單位:N/mm;

為該殼體不開孔時的環向薄膜應力，單位:N/mm;

通過應力集中系數曲線圖查得實際設計狀態下最大應力。

2.2.1 對于接管，由于在殼體上開孔對應力集中系數有一定的影響，所以要應用SW6中WRC107計算程序做如下附加計算:

為開孔系數:表示開孔大小和殼體局部應力衰減長度的比值。

r為接管平均半徑，

R為殼體平均半徑，

T為殼體壁厚

為邊緣效應的衰減長度。

Kt隨著開孔系數的增大而增大;隨壁厚比t/T的增大而減小;內伸式接管的應力集中系數較小，即:增大接管和殼體的壁厚，減小接管半徑，有利于降低應力集中系數。

2．2.2 接管連接處應力集中系數曲線使用范圍

r為接管平均半徑，

R為殼體平均半徑，

T為殼體壁厚

橢圓形封頭上接管連接處的局部應力，只要將橢圓曲率半徑折算成球的半(R=K1DO)就可采用球殼上接管連接處局部應力的計算方法。

3 降低附件局部應力的措施

由于容器附件結構設計和強度設計的不合理，在實際使用中已多次發生爆炸，不得不使數百臺同類設備報廢，因此必須要考慮如何從應力與強度上減小局部應力。若容器的容積愈大，壓力愈高，在結構設計中對減小局部應力的考慮應愈仔細，否則局部應力過高將導致結構在局部區域發生過度變形失效，甚至使整個設備毀壞。3．1工程上常用的降低局部應力的措施如下:

3.1 減少兩連接件的剛度差

兩連接件變形不協調會引起邊緣應力。殼體的剛度與材料的彈性模量、曲率半徑、壁厚等因素有關。設法減少兩連件的剛度差，是降低邊緣應力的有效措施之一。如盡量保證接管壁厚與殼體壁厚相近，且不要將接管，吊耳，耳座等容易產生不連續應力的附件設置在焊縫處，尤其不要設置在封頭的直邊段。在直邊段之外不連續應力已得到一定的衰減，這樣焊縫中即使存在一些小的缺陷以及焊接殘余應力，也不致對安全有太大的影響。

3.2 盡量采用圓弧過渡

幾何形狀或尺寸的突然改變是產生應力集中的主要原因之一。在結構不連續處應盡可能采用圓弧或經形狀優化的特殊曲線過渡。所以接管與筒體角焊縫連接部位必須考慮圓滑過渡的問題，通常要對焊縫進行打磨并保證R6的弧度。

3.3 局部區域補強

在有局部載荷作用的殼體處，適當給以補強。例如，殼體與吊耳的連接處、臥式容器與鞍式支座連接處，在殼體與附件之間加一塊墊板，可以有效地降低局部應力。如果局部應力不滿足要求，一般不增加殼體厚度，可以用補強圈或殼體局部加厚。增加了補強圈就相當于本身筒體厚度變為(筒體厚度+補強圈的厚度)，同時還要校核補強圈周邊筒體處局部應力的應力。

對于較小較輕容器的耳式支座，如果容器本身已有足夠的厚度，則可不加墊板。如果設備很重，例如重達數百噸的大型固定床反應器，則應在支座與容器之間焊上墊板，以減小殼體中的局部應力。

3.4 選擇合適的開孔方位

根據載荷的情況，選擇適當的開孔位置、方向和形狀。如橢圓孔的長軸應與開孔處的最大應力方向平行，孔盡量開在原來應力水平比較低的部位，以降低局部應力。

3.5 減少附件傳遞的局部載荷

如果對與殼體相連的附件采取一定的措施，就可以減少附件所傳遞的局部載荷對殼體的影響，從而降低局部應力。例如:對管道、閥門等設備附件設置支撐或支架，可降低這些附件的重量對殼體的影響;對接管等附件加設熱補償元件可降低因熱脹冷縮所產生的熱載荷。

總之，在工程設計過程中，無論是使用單位還是設計單位都應該對附件外載荷所產生的局部應力進行校核，提高重視程度，并采取上述一系列措施去降低局部載荷的影響，減少事故的發生，提高容器的使用壽命！