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石油化工用承壓設(shè)備的大型化以及國(guó)外石油化工裝置在PMC和EPC過(guò)程中，壓力容器設(shè)計(jì)工程規(guī)定通常以ASME規(guī)范為主，再在其基礎(chǔ)上增加工程慣例。本文主要介紹ASME壓力容器建造規(guī)則中的基本受壓元件的強(qiáng)度有限元分析并與GB 150作對(duì)比。
ASME包括壓力容器建造規(guī)則和壓力容器建造另一規(guī)則，其中材料的許用應(yīng)力S和許用應(yīng)力強(qiáng)度S。由于分析設(shè)計(jì)使設(shè)備不同部位的應(yīng)力得到控制和合理分配，而且在材料、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)以及質(zhì)量保證等方面都要比常規(guī)設(shè)計(jì)嚴(yán)格，因此分析設(shè)計(jì)采用較低材料設(shè)計(jì)系數(shù)。
ASME V-1規(guī)范在1999年的增補(bǔ)中將抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)系數(shù)由4.0改為3.5，由于煉鋼技術(shù)、無(wú)損檢測(cè)和斷裂韌性評(píng)價(jià)技術(shù)的進(jìn)步，使這種調(diào)整并未降低壓力容器的安全性。無(wú)論壓力容器的組成如何，其基本受壓元件都可以分解為板(平封頭)和殼(圓筒體、球殼、橢圓形封頭、碟形封頭、錐形封頭)元件�；臼軌涸加邢鄳�(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，了解這些方法的推導(dǎo)過(guò)程和力學(xué)意義不但可以加深對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的理解，而且能提高自身的設(shè)計(jì)水平。
基本受壓元件中最重要的是圓筒體和球殼，其不但是壓力容器的常用元件，而且也是錐形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭的理論基礎(chǔ)，因此對(duì)圓筒體和球殼進(jìn)行受力分析有助于對(duì)其他元件的理解。
壓力容器所受載荷有壓力、溫度、地震等，其中在ASME的UG單元中列舉了承壓設(shè)備。設(shè)備所受的各種載荷產(chǎn)生的應(yīng)力可分為：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力是結(jié)構(gòu)為了平衡壓力等機(jī)械載荷作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，當(dāng)一次應(yīng)力超過(guò)極限時(shí)，即引起設(shè)備的破壞，一般稱為靜力強(qiáng)度失效。二次應(yīng)力是為了滿足相鄰元件間變形協(xié)調(diào)引起的自平衡力系產(chǎn)生的應(yīng)力，其基本特征是具有自限性。峰值應(yīng)力是由局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性造成的應(yīng)力集中加到一次和二次應(yīng)力上的分量。由于橢球部分和直邊段在內(nèi)壓下的變形不同，因此連接處存在邊緣應(yīng)力，在ASME中給出了三種應(yīng)力的分析方法。
在內(nèi)壓P的作用下，圓筒體和球殼中的應(yīng)力可以用Lame公式進(jìn)行計(jì)算。
由Lame公式可以看出，在相同壓力下，圓筒體(球殼)越厚，其應(yīng)力沿壁厚分布越不均勻，因此ASME根據(jù)徑比K(外徑與內(nèi)徑的比值)將圓筒體(球殼)分為薄壁和厚壁兩種。ASME中薄壁、厚壁圓筒體(球殼)的計(jì)算公式差別很大，但均以Lame公式為理論基礎(chǔ)，其他一些文獻(xiàn)也給出了薄壁和厚壁殼體的設(shè)計(jì)方法。
ASME規(guī)范將徑比K>1.5的圓筒體劃為厚壁圓筒，圓筒劃為薄壁圓筒，為便于應(yīng)用ASME規(guī)范對(duì)Lame公式進(jìn)行調(diào)整簡(jiǎn)化得到圓筒體設(shè)計(jì)公式。
環(huán)向接頭厚壁圓筒的接頭處一般為薄弱環(huán)節(jié)，可用軸向應(yīng)力，對(duì)環(huán)向接頭進(jìn)行評(píng)價(jià)。
ASME規(guī)范以徑比K=1.356為界限劃分厚壁球殼和薄壁球殼。與圓筒體類(lèi)似，ASME規(guī)范對(duì)Lame公式進(jìn)行調(diào)整簡(jiǎn)化得到球殼設(shè)計(jì)公式。
對(duì)厚壁球殼(K>1.356)，控制厚壁球殼內(nèi)壁處周向應(yīng)力，采用彈性失效準(zhǔn)則，即得ASME規(guī)范厚壁球殼的計(jì)算式。
橢圓形封頭由半橢球體和直邊段組成，在橢球部分由于曲率半徑變化是連續(xù)的，故封頭中的應(yīng)力分布較為均勻，受力情況好于除半球形封頭外的其他形式封頭。
碟形封頭由半徑為G的球面部分、半徑為：的過(guò)渡區(qū)和直邊段三部分組成，在這三部分的連接處曲率半徑發(fā)生突變，在連接處產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。
橢圓形封頭和碟形封頭的最大應(yīng)力均位于封頭的過(guò)渡折邊附近，橢圓封頭和碟形封頭的計(jì)算公式。
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