圆柱形容器接管塑性极限弯矩

    圆柱形壳体开孔接管是压力容器及管道连接中最常见的结构之一。这种结构中接管承受的载荷可能为内压或接管外载荷,例如接管轴向推力,接管平面内(纵向)弯矩及接管平面外(横向)弯矩等,或由以上载荷的组合。

    美国焊接研究委员会公报WRC107[1]介绍了容器上由局部外载荷引起的容器中局部应力的计算方法,公报WRC297[2]补充了接管中局部应力的计算方法,目前已被广泛采用。自从Symonds[3]提出理想的极限载荷与工程塑性破坏载荷的差异以后,对结构的极限分析越来越受到工程界的重视,美国压力容器研究委员会PVRC成立了专门的研究小组从事这一问题的研究,如Ellyin[4]等对5个三通接管进行了弹-塑性特征和塑性极限载荷的研究。在大量试验研究的基础上,ASME锅炉压力容器规范提出设计载荷不得超过极限载荷下限值的2/3。因此在极限设计中,如何确定结构的极限载荷对工程设计而言是非常重要的。国内许多学者对容器接管的极限分析也做了不少工作[5~7]。

    本文采用试验法及三维有限元数值模拟对两台具有不同d/D的带接管容器进行了极限分析,依据载荷-应变及载荷-位移曲线,确定了其接管的极限弯矩。

    1　试验研究

    1.1　试验模型

    试验研究了两台具有不同d/D的圆柱形容器。试验模型由筒体,封头,接管及用于固定的法兰等部件组成。两台试验用模型的具体结构及尺寸见表1,其主要部件的材料及其性能详见表2。为了增加开孔接管的极限承载能力,接管采用了具有内侧填角焊缝的内伸式接管,其局部结构如图1所示。

    1.2　试验方法及过程

    对于1#试验设备,试验时采用两种方法:

    (1)电阻应变测量法。测量接管与筒体连接区的弹-塑性应变值,然后由载荷-应变曲线,按双切线及两倍弹性模量法确定其极限载荷。

    (2)采用位移测量法。测量接管最外端的位移值,再由载荷-位移曲线,采用与上述同样方法确定其极限载荷。

　　对于2#试验设备,仅采用上述第二种方法,即测量接管外端位移的方法。

    电阻应变测量中,因涉及较大的塑性变形,因而采用了TA120-5AAC15%大应变电阻片,粘接剂为AAA超能胶。根据载荷及试验设备的结构特点,分别在筒体的内外表面及接管外表面布置电阻应变片,并采用0-90°直角应变花。1#设备接管部位的电阻片布置见图2。

    接管端部的位移值采用南京传感器厂生产的LVDT-5型差动式位移传感器进行测量。

    加载时将试验模型安装在专制的加载架上,载荷采用30 t分离式液压千斤顶施加,力的测量采用BLR-1型15 t拉压传感器并由PZ266型直流数字电压表显示,具体加载情况如图3所示。