ASME压力容器建造规范研讨会设计部分问题解答(摘要)
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第六部分2007版ASME Ⅷ-2介绍


Reply to the Questions about Design Arose from the Seminar for ASME BPVC Section VIII
Part 6-The Introduction of 2007 ASME -2


丁伯民Ding Bomin
华东理工大学East China University of Science and Technology

本文就2009年在上海举行的ASME压力容器建造规范研讨会中学员所提的与设计有关的问题进行汇总答复。
In this Paper, reply to the trainee’ questions about design disquisition in Shanghai seminar for ASME BPVC Section Ⅷ briefly in 2009.

按规则设计,按分析设计,弹性应力分析,极限载荷分析,弹-塑性应力分析
Design by Rule, Design by Analysis, Elastic Stress Analysis, Limit Load Analysis, Elastic-Plastic Stress Analysis

CACI于2009年4月所组织的ASME规范Ⅷ(与设计有关)研讨会期间,与会者在会前和研讨中提出了不少问题,CACI要求归纳整理后公布。初步考虑,拟对研讨会中以书面或口头提及的低温操作和防脆断措施,焊接接头分类和焊接接头系数,压力试验及其限制条件,开孔及其补强,元件的形状和尺寸允差,換热器设计,全部改写ASME Ⅷ-2的背景和主要修改内容等几个方面陆续整理,在整理中不拟以和讨论者一问一答的方式简单处理,而是根据规范的具体规定,从原理并规范的条文上系统说明。本文是其中的第六篇。

1. ASME Ⅷ-2在2007版全部改写的背景

1.1 ASME Ⅷ-2的发展过程

早期的ASME Ⅷ压力容器建造规则采用最大主应力理论,将由板壳理论所求得的元件最大应力限于材料许用应力以下而得出元件厚度。逐渐发现,对于压力容器元件,在某些地区其最大应力即使不满足应力校核条件也可安全运行。所以ASME锅炉及压力容器规范委员会在1955年成立了一个“评述规范应力基准特别委员会”[1][2],其主要任务是根据当时在材料、设计、制造、检测方法的水平,对采用较高许用应力的同时能否保证容器安全运行进行评价,并为此而推荐合理的设计准则。终于在1958年提出了“反应堆压力容器和直接有关部件的暂行设计基础”,并于1965年以ASME Ⅲ《核能容器》的形式提出了一个全新的设计规范,在此基础上,于1968年公布了第一版的ASME Ⅷ-2《压力容器建造另一规则》,全面引入了应力分类及其限制的先进思想。当时,有限元方法尚在起步阶段,其应用和技术远未发展到现有水平,所以该规范直至2004版期间的应力计算方法总体上都采用板壳理论,虽陆续在疲劳分析中求解总应力时在2处引用了有限元方法,但在涉及应力分类及其限制的部分都未提及有限元,更未提及由弹性有限元所得总应力的分解和分类问题。

ASME Ⅷ-2在发展中所提出的问题

在板壳理论和弹性力学(三维有限元采用了弹性力学原理,仅将弹性力学中的微元体dx、dy、dz改成由有限元的△x、△y、△z代替)计算应力时所采用的假设条件略有不同,所得计算结果也略有不同,例如对同样结构的平板,前者所得弯曲应力沿板厚按线性规律分布,上下表面应力大小相等,方向相反,中间面为中性面,应力为零;后者所得弯曲应力沿板厚并非严格按线性规律分布,且中间面上也有一定值。此外,由板壳理论求解如封头和圆筒连接处的总体结构不连续时需要分两步走,先按无力矩理论求解,再按有力矩理论求解,由此两步所得应力的叠加才得该处的总应力,规范的应力分类对此两步所得应力各划分为不同类别并用不同的条件予以限制,且板壳理论的求解结果并不包括峰值应力;而由以弹性力学为基础的三维有限元则一次性地求出其包括各类应力在内的总应力,所以欲进行以板壳理论为出发点的应力分类及其评定,就必须将总应力进行分解并分类,但是涉及到总应力中包含了各类应力且难以辨别的难题,尽管多年来国外的研究者提出了种种方法,但始终未得到公认并用于规范[3][4][5]。

另外,在设计中所关注的总是元件的高应力地区,这些地区总是已进入屈服,而提出应力分类及其评定的应力计算方法是在弹性范围内的板壳理论方法,元件的高应力区在进入屈服后会由于应力(载荷)的再分布而改变了结构形状,由始终认为处于弹性状态的板壳理论方法所得的应力结果和实际上已局部屈服元件的应力分布必然不同。

由于这些问题,所以ASME Ⅷ-2从1968年公布起直至2004年版为止,在其核心内容方面基本上未作多大修改,在需要采用应力分类及其评定之处也从未提及有限元方法。

各国标准对此的研究和解决措施

我国的分析设标准JB 4732总体上引自ASME Ⅷ-2,但在其标准释义中将ASME Ⅷ-2对各类应力沿壁厚分布特征作了不同于该规范的阐述,提出峰值应力的分布仅是沿壁厚方向的尺寸小于1/4壁厚的非线性应力,沿壁厚按线性分布的弯曲应力和均匀分布的薄膜应力都不能归入峰值应力,在此基础上,由弹性三维有限元所得总应力可以方便地由等效线性化处理而划分各类应力,该释义列出了应力分类的框图,见图1。但这一方法在国内一直存在争议。

3. 一些看法

2007版ASME Ⅷ-2为解决在分析设计中要对元件应力逐一分类并逐一评定的麻烦,更重要的是,为解决由数值解所得总应力分解并正确分类的难题,所以对压力容器设计中的常用元件,采用了应力分类及其评定的思想,以比较简单的表示方式在第4篇按规则设计中列出了设计公式。只有对那些结构和载荷都比较复杂、难以用简单的解析式表示其应力的元件,或形状允差超标的元件,才需要用数值解方法求解,或在此基础上列出了资料性的应力线性化及其分类,或直接求出能表示其最终失效的载荷,将这些内容列在第5篇按分析设计中。所以可理解为只有结构和载荷都比较复杂的或形状允差超标的元件,也就是用于研究或新产品开发的元件才需要用到分析设计,对于一般工程设计,所包括的元件种类已和Ⅷ-1内容相同,且包括疲劳设计在内,虽然应用了应力分类及其评定的思想,全可由第4篇的按规则设计解决,EN 13445也是如此,这是和国内分析设计标准JB 4732是有较大区别的。

2007版ASME Ⅷ-2在第5篇的分析设计中,虽然同时列出了弹性分析、极限载荷分析和弹-塑性分析,但多次提及:应力分类需要特殊的知识和识别能力,这点对三维应力场尤其确切。对应力分类方法可以产生模棱两可结果的情况,分别推荐极限载荷法或弾-塑性分析方法。可見其倾向性观点十分鲜明: 不推荐采用以弹性分析为基础的应力分类法,而且更推荐采用弹-塑性分析方法。应力分类法有趋势正在逐步被更严谨、精确的极限载荷法和弹-塑性分析方法所替代,虽然在进行弹-塑性分析方法中要求很高的技术水平,一般工程技术人员较难实施,但对量大面广的工程设计,在贯彻广为各国所接受的应力分类和评定这一理念时,全可由规范第4篇所列的按规则设计解决。

虽然2007版ASME Ⅷ-2多次提及不推荐采用以弹性分析为基础的应力分类法,而是推荐采用极限载荷分析和弹-塑性分析,但国内对2007版ASME Ⅷ-2是否不推荐采用以弹性分析为基础的应力分类法仍然存在争议[8][9]。

[1] Criteria of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code for Design by Analysis in Section Ⅲ and Ⅷ, Division 2. ASME, New York.1969.

[2] Martin D. Bernstein. Design Criteria for Boilers and Pressure Vessels in the U.S.A., Trans. Of the ASME, Journal of Pressure Vessel Technology. Vol.110, 1998.

[3] 丁伯民. 对美国“锅炉及压力容器规范Ⅷ-2”的分析与理解之三——有限元的使用和所引起的问题[J]. 化工设备设计,1995,(5):1-6

[4] G. L. Hollinger. Three-Dimensional Stress Criteria——A Weak Link in Vessel Design and Analysis[J].PVP-Vol.109, ASME, 1986.

[5] G. L. Hollinger. Summary of Three Dimensional Stress Classification [J].7 ICPVT, Vol.1, 1992.

[6] EN 13445 Unfired pressure vessels[S].2009.

[7] ASME Ⅷ-2 Alternative rules for construction of pressure vessels[S].2007.

[8] 陆明万,寿比南,杨国义.压力容器应力分析设计方法的进展和评述[A].第七届全国压力容器学术会议论文集[C],2009,340-346.[J].压力容器,2009,26(10):34-40.

[9] 丁伯民.学习EN 13445和ASME Ⅷ-2的再次体会[J].[拟刊于化工设备与管道2010,47(3).]

 

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