EN压力容器标准与ASME标准和我国标准的对比– 基于公式的设计和疲劳设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,EN压力容器标准与ASME标准和我国标准的比照,基于公式的设计和疲劳设计,秦叔经,2006.8,EN13445,的地位,可不做任何修改而成为欧盟成员国的国家标准,符合该标准即被认为已满足标准中,涉及,的,97/23/,EC,中的基,本要求条款,在EN13445-Part 3“Design的Annex ZA中声明,标准所对应 97/23/EC 中的根本要求为其 Annex I 的条款2.2 和条款7有关设计强度、设计计算方法、材料性能和许用应力、焊接接头系数、压力试验、平安泄放装置等方面的根本要求,采用其他标准设计、制造的承压设备要进入欧洲市场，必须,证明符合97/23/EC的有关条款要求，如设计计算需考虑的因,素包括：,载荷 失效模式 材料强度 计算方法 平安裕度,需考虑的根本失效模式,1)总体塑性变形,2)塑性破坏爆破,3)累积塑性变形(棘轮现象和正、反向反复屈服),4)弹、塑性失稳,5)疲劳破坏,注：1.失效模式 2包括在失效模式 1中；,2.当量循环次数不大于500，可不考虑疲劳破坏。,3.设计人员还需考虑可能发生的其他失效模式,EN13445 的根本思想是针对结构可能出现的失效模式，采用适宜的设计计算方法，使结构具备足够的强度以防止失效,EN标准中按公式设计DBF、按分析方法,设计DBA和疲劳设计之间的关系,97/23/EC 规定可采用的设计计算方法包括,1)按公式设计DBF,2)按分析方法设计DBA,3)按断裂力学方法设计,注:在满足 97/23/EC根本要求的前提下,以上三个方法可相互替代;,疲劳设计方法应是分析设计方法的一种，但它是唯一的，不能用其他方法替代,可以在以下情况下考虑采用分析方法设计：,1)对于某一结构，标准中没有给出公式设计方法,2)不能满足一般制造要求的特定情况,3)叠加了环境效应如风、雪、地震，等等的载荷工况，,作为一种补充设计方法。,EN13445,中按公式设计方法的特点,较多的采用了经典板壳理论推导的结果,在构造力学模型时，对各受压元件的受载条件和结构特点考虑较为全面,一般,同时考虑了总体塑性变形和累积塑性变形的失效模式,在某些公式设计方法中直接采用了分析设计方法得到的结果,比较适合利用计算机进行辅助设计,一些实例,1),碟形封头,球冠局部防止塑性破坏所需的壁厚,折边局部防止发生轴对称屈服所需壁厚,折边局部防止发生塑性失稳所需壁厚,注：,1),当,e,y,大于,0.5%,D,i,时，不需计算,e,b,;,2),为,e,/,R,和,r,/,D,i,的函数。,椭圆封头按碟形封头计算，折边半径和球冠局部半径按以下确定：,注：,K,为长短轴之比，,1.7,K,2.2,ASME,标准和我国标准对椭圆封头的计算方法,2),锥形封头计算,适用范围为半锥角不大于,75;,对是否采用折边没有限制条件,;,按有力矩理论及,3,f,强度条件,(,安定性条件,),推得锥形封头与筒体连接处,所需的加强壁厚和加强长度,3)外压筒体计算,直接采用 Mises 公式计算得到理论许用外压 Pm,取材料正好发生屈服时的外压力为Py，那么Pm/Py=/y,实际许用外压为Pr，那么Pr/Py=/y,两个比值的关系曲线与弹性模量和屈服点无关,在弹性阶段，该曲线可适用于任何材料;在塑性阶段，EN13445 假定所有,的材料取相同的本构关系,4),圆筒体上接管作用有外力和外力矩时的校核计算,按总体塑性变形失效模式计算组合许用载荷,按累积塑性变形失效模式即 3f 强度条件校核应力,应力集中系数按 S.S.Gill 所编 The Stress Analysis of Pressure Vessel and Pressure Vessel Components 一书中的曲线取值,注：,T,为温差应力,5),卧式容器设计,双鞍座布置可为相对跨中截面对称和非对称；多鞍座要求布置成各鞍座的受力相等，即每个鞍座反力为,采用梁模型求得各计算截面的弯矩与 Zick 法根本相同,鞍座截面的强度采用圆筒体上承受线载荷的计算方法进行校核与 Zick 法,完全不同,a)Zick法假定了鞍座与筒体的接触力分布是非线形的，而EN13445假定的线载荷分布是均布的,b)Zick 法要求计算校核鞍座与筒体接触的最低点和边角处的压应力，而EN13445 是从线载荷引起薄膜应力和弯曲应力的角度，通过计算最大允许鞍座反力来对鞍座所受反力进行校核,c)Zick法考虑了鞍座与筒体接触处存在的周向压应力对该截面承受轴向弯曲能力的影响，即“扁塌效应，而EN13445没有考虑这个因素,鞍座本身的强度没有给出校核计算公式并不表示不需校核,没有给出在风、地震等环境因素产生的载荷作用下，设备的校核计算公式,6)换热器设计,EN13445 与 ASME VIII-1 采用根本相同的力学模型，在细节上存在差异,对固定管板换热器的管板计算,考虑了膨胀节推力对管板应力的影响,见公式,对于管板与筒体连接处壳体中的应力,EN13445,以第三强度理论得到的,当量应力进行校核,而,ASME VIII-1,以薄膜应力加弯曲应力进行校核,EN13445 提供了管板兼作法兰局部的计算方法(包括宽面法兰连接结构),但,ASME VIII-1没有提供,都要求考虑所有可能工况的计算,如对固定管板换热器要求计算所有,7,种工况,ASME VIII-1,对浮头式换热器还要求考虑管板和筒体径向热膨胀不同的效应,各种标准标准给出的设计方法的比较,工程设计方法的第一要求是保证平安；,在保证平安的前提下满足以下要求：,-使用方便；,-经济性好，即设备造价低；,疲劳分析,当只有压力载荷时，可以采用简化的疲劳分析方法,应力范围,虚拟应力范围,a 定义为 Pmax 作用下计算得到的最大结构应力与计算温度下名义设计应力 f 的比值，实际取值按结构形式、焊接方法、焊接缺陷、焊接接头系数、壳体成形缺陷等因素确定。,bCe 为厚度修正系数；Ct 为温度修正系数；Kf 缺口效应系数，在焊接部位取1.0。,c疲劳曲线与焊接结构、试验分组材料、焊缝探伤有关。,详细的疲劳设计,a)对设备上每一个可能发生疲劳裂纹扩展的区域都进行分析，并对焊接接头处和无焊接区域分别进行分析,b)对焊接接头处只考虑结构应力，不需计及峰值应力。应力修正系数fw只需包括厚度修正系数few和温度修正系数ft*:,但疲劳曲线与焊接结构、试验分组材料、焊缝探伤有关,c)无焊接区域需计及峰值应力。应力修正系数fu由外表质量修正系数fs、厚度修正系数fe、平均应力修正系数fm和温度修正系数ft*等系数组成:,疲劳曲线仅与材料的拉伸强度有关,焊接结构疲劳曲线,无焊接结构疲劳曲线,