應變準則在承壓設備分析設計中的應用

秦嗣釗

摘要：本文中介紹了分析設計中的應力分類方法和彈塑性應力分析方法（直接法）。應力分類方法只適用于簡單結構在簡單荷載作用下的分析、設計和標定。以某核電站伸縮縫為例，根據應力分級準則確定結構的極限荷載，根據應變準則計算塑性失穩荷載。在實例研究中，直接法計算的C_L比應力分類法高75%以上；最大應變0.5%準則法簡便易行，結果與零曲率點法一致；采用5%應變判據法計算，結構的極限荷載可提高97.3%。

關鍵詞：應力分類法；彈塑性應力分析方法；應變準則；有限元分析；膨脹節

前言

目前，世界上主要的核級裝備設計規范大多基于“分析設計”方法“分析設計”，這不僅擴大了“按規定設計”的范圍，而且減少了設計中的過度保守，提高了裝備的設計水平。經濟上的。法國和美國規范中的“分析設計”包括彈塑性應力分析方法（RCC-M和ASME規范直接對不同的失效模式進行彈塑性分析，即歐盟EN13445標準中的“直接方法”和應力分類。

1法規簡介

應力分類方法是基于線性彈性理論的。應力分為一次應力、二次應力和峰值應力。根據不同的失效模式，應力組合進行了分析，和一定的評定系數設置。相比之下，標準雙斜率的直接方法，應變準則避免了潛在的人為錯誤引起的選擇變形點的位置畫出載荷變形曲線，和國家標準也傾向于使用應變準則的準則。然而，應力分類方法只適用于簡單荷載作用下的簡單結構的分析設計和驗證，如軸對稱荷載作用下薄壁結構的計算。在復雜載荷、復雜結構和有缺陷設備的設計校核中，一次應力和二次應力的分類一直比較模糊。

直接法以材料的真實應力一應變曲線為基礎進行有限元分析、確定結構的極限荷載和塑性失穩荷載，獲得更符合實際的結果且更加真實地反映荷載作用下承壓設備的失效過程，使得承壓設備設計更經濟安全。直接法首先借助有限元軟件對結構進行彈塑性分析，繼而依據計算結果確定結構的極限荷載（CL）和塑性失穩荷載。常用的確定C：的方法有兩倍彈性斜率法、雙切線交點法、零曲率點法和應變準則法。前三種方法均需繪制結構的荷載一應變/位移曲線，對于一些復雜結構或含缺陷設備，選取不同位置計算的極限荷載有一定差異，而且結構某些位置的荷載-位移/應變曲線無法確定極限荷載[v]。ASME規范NB篇規定C，為荷載未增加而發生無限制塑性變形的荷載，即有限元計算不收斂時所對應的荷載，該方法計算耗時且結果受網格劃分質量和收斂容差影響，存在一定的人因影響。而應變準則法通過應變確定結構的極限承載能力，該方法不受結構形式影響，得到的C：和C，不受變形參數、網格劃分質量和有限元軟件收斂容差影響，諸多規范和研究組織正在大力推廣這一準則。

本文介紹承壓設備分析設計校核的應力分類法和直接法，以及直接法中確定極限荷載的應變準則法；以某核一級膨脹節為例，應用應變準則法計算結構的C：和Cl，以期得出一些具有參考價值的結論。

1.1應力分類法

核級承壓設備設計規范ASME法規NB3200和RCC一M法規B3200等多數是采用應力分類法，僅允許出現局部的小塑性變形。在設計工況下，為保證設備不會發生過度變形，對結構的總體一次薄膜應力強度尸。或局部一次薄膜應力強度

外載達到C后可以繼續加載，直至結構發生塑性失穩，即極限荷載和塑性失穩荷載之間仍有一定的裕度，但應力分類法基于彈性分析結果無法進行塑性失穩評估。

1.2直接法

直接法基于材料的真實應力一應變曲線計算結構的變形和應力分布，允許結構出現塑性變形，根據兩倍彈性斜率法、雙切線交點法、零曲率點法和應變準則法等方法確定結構的極限荷載Coo在該方法中如果結構所承受的荷載不超過C：的2/3，則在某些特定部位上無需滿足局部一次薄膜應力強度和一次薄膜加一次彎曲應力強度的限制。

以應變為準則的計算方法簡單、易操作，且不受結構形式、荷載一變形曲線、計算軟件收斂容差等影響，諸多組織和法規均在推廣這一準則。世界核協會（WNA）對比了兩倍彈性斜率法和應變準則法，指出當結構的最大應變達到0.5%時所對應的荷載為C；當結構的最大應變達到5%或10%時所對應的荷載為。指出，根據0.5%應變準則計算的C：與兩倍斜率法計算結果基本一致；建議將5%應變處的點作為塑性段切線的切點，結構應變超過5%時即會發生總體塑性變形。歐洲設計規范EN13445附錄B指出，承壓設備及其部件中主結構應變最大值在正常運行工況下小于5%，則可以通過總體塑性變形設計校核，總體塑性變形與塑性失穩之間仍有一定安全裕度。

2齒嚙式快開壓力容器整體有限元塑性載荷分析

齒嚙式快開壓力容器廣泛應用于化工、建材、食品、紡織、航空航天、造紙等工業領域，如用于生產硅酸鹽制品的蒸壓釜在建材行業；硫化罐用于化工生產橡膠制品。食品工業中的膨脹壺；紡織工業中的蒸汽定形鍋。根據設計壓力和氣缸直徑的不同，齒嚙式快開裝置的具體結構略有不同，但工作原理是相同的，即在齒嚙式快開裝置的圓周方向上加工均勻的齒。通過齒間的嚙合和錯動，達到了快速開閉的目的。

齒嚙式快開容器需要頻繁啟閉，承受關閉、升壓、升溫，降溫、降壓、開啟的過程，這就對容器的強度和疲勞提出了較高的要求。但由于設計、選材、制造、使用等方面的原因，此類容器的事故頻繁發生，齒嚙式快開容器事故率占我國壓力容器爆炸的三分之一，且后果相當嚴重，齒嚙式快開容器大致可分為兩類：一類是帶平封頭的，主要用于高壓或超高壓場合；另一類是帶凸形封頭的，主要用于中、低壓壓力容器，工作壓力一般在0.8-6.4MPa之間。對于第一類齒嚙合式快開裝置，日本制定了高壓和超高壓快速啟閉密封裝置的設計標準[（我國也頒布了相一致的化工行業標準。但是到目前為止，帶凸形封頭的齒嚙式快開裝置仍沒有設計標準。

為此，國內外開展了大量的研究工作。這些研究的共同特點是：假設已知齒與齒之間之間的接觸邊界條件，容器與齒分開，上下法蘭分別受力分析；或者通過閉塞點分析上下法蘭（假設上下法蘭在嚙合點上位移相等）。確定接觸面邊界條件的方法是采用接觸面應力分布的形式，然后利用軸向力平衡關系計算出具體值。在對上翼緣和凸頭的分析中，為了防止軸向剛體位移，常假定頭部頂部軸向位移為零。

實際上，齒與齒之間的接觸面上不僅有相互擠壓，而且有相對滑動；凸形封頭頂部的軸向位移也不等于零。因此，必須要考慮齒間的接觸摩擦問題更符合容器的實際狀況。

3結束語

以含凹坑膨脹節為例，利用材料的真應力-應變曲線進行有限元分析。它由應力分類法、雙彈性斜率法、雙切線交點法、零曲率點法和應變判據法確定。對結構的極限荷載進行了比較，得出如下結論。與基于彈性應力分析結果的應力分類方法相比，直接法能充分利用材料的性能，大大提高材料的荷載極限。在這種情況下，直接法計算的比應力分類方法比5%以上。

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（作者單位：河北省特種設備監督檢驗研究院唐山分院）