壓力容器設備設計系列問題(十三)——解讀JB4732-1995圖C-4 高強度鋼螺柱的設計疲勞曲線中的最大名義應力指的是什么?

1、螺柱疲勞曲線中的最大名義應力指的是什么?

因為GB150及JB4732對這個名詞沒有解釋,因此在此給予明確。

最大名義應力指螺柱壽期內所能出現的螺柱表面最大的膜加彎應力值,不計應力集中。

螺柱承受兩種應力,一種是垂直拉伸應力,在此稱作膜應力或者叫平均應力,另一種是彎曲應力,是螺柱承受彎曲時螺柱沿形心承受的線性分布的彎曲應力。上述兩種應力在螺柱表面應力的疊加得到的最大值就是JB4732-1995(2005確認)中圖C-4中的最大名義應力值。

既然在壽期內,所有工況都包括在內,操作工況的預緊,水壓時的預緊(如果參與疲勞評估的話,僅幾次的水壓試驗可以免參與疲勞評估),以及所有操作工況可能引起的螺柱表面的膜加彎的最大值。

2、ASM規范E VIII-II 2010版 5.7.3.1  b)2)有下面的敘述:

ASME上面敘述告訴我們,是膜加彎不包括應力集中。

3、螺柱的疲勞評定時最大名義應力怎么獲得?

下面出現的字母含義同GB150相同。

最大的預緊力,或者是操作工況下的最大的垂直拉伸力很容易獲得,關鍵是彎曲應力如何獲得?

下面以整體法蘭用的螺柱為例,如果是單純的平板連接的話就沒有彎曲應力了,也就不用在此討論了。

整體法蘭連接用螺柱,在預緊力作用下,法蘭有個轉角(貝塔)當加載內壓時又發生了一個轉角(代爾塔貝塔)見圖3-1。

   圖3-1 螺柱用于法蘭連接結構圖

螺柱的預緊載荷已知F,單位是N(牛頓),如果介質是液體最多取法蘭設計載荷Fd(Mo/LG)的1.2倍,如果介質是氣體,最多取法蘭的設計載荷Fd(Mo/LG)的1.5倍。

螺柱設計載荷為:

螺柱的預緊力F為1.2或者是1.5倍的Fd。

法蘭的預緊力矩為:

螺柱預緊時法蘭的轉角(貝塔)(單位:度):

螺柱預緊狀態下的彎曲應力為:

db——螺柱根經;

Lb——法蘭連接螺柱,兩法蘭環外輪廓之間距離的一半,見圖3-1;

值得注意的是由(3-4)得到的角度單位是度,而在(3-5)要用弧度單位代入。

螺柱預緊狀態下的膜應力(平均應力)為:

n——該法蘭螺柱個數;

假設操作工況的壓力波動為Pw(可以是水壓工況),

波動力矩為:

上面(3-7)式中的壓力輸入為PW;

螺柱操作狀態下的法蘭轉角(代爾塔貝塔)為:

因操作壓力波動致法蘭轉角造成螺柱縮短的距離為:

因操作壓力波動致法蘭轉角造成螺柱縮短,螺柱的膜應力減少量為:

因操作壓力波動致法蘭轉角造成螺柱彎曲應力的增加值為:

式(3-11)中的轉角變量值輸入單位是弧度。

預緊狀態下螺柱的膜加彎曲應力強度最大值為:

操作狀態下螺柱的膜加彎曲應力強度為:

上面(3-12)和(3-13)的大者就是我們想獲得的名義應力的最大值,用這個名義應力與【2】疲勞曲線的比對,選擇查哪條曲線值。

說明:上述的分析是基于沒有溫度瞬態的前提下,如果設備有溫度瞬態,最大名義應力則要考慮溫度的影響。

4、參考資料

【1】G B150-2011

【2】JB4732-1995

【3】《受壓元件和臥式容器設計方法》秦叔經

【4】《帶頸法蘭轉角的計算方法》王立業 王景超

【5】ASME VIII-I,2010版

【6】ASME VIII-II,2010版

【7】ASME III-I,附錄XII ,2010版

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