Общие требования к процессу анализа и проектирования сосудов под давлением

Thread Content

Как мы проектируем структуру или устройство, когда с ними сталкиваемся. В данной статье рассматриваются такие аспекты, как объем проектирования с учетом напряжений, допустимое давление, температура, определение нагрузок, параметры характеристик материалов, создание механической модели, оценка прочности при напряжениях, оценка усталостной прочности, особые требования к контролю качества в процессе производства, а также составление отчетов по анализу напряжений. Цель состоит в том, чтобы предоставить общие правила для процесса проектирования с учетом напряжений. 1. Какие конструкции требуют анализа напряжений? Когда конструкция или сосуд под давлением соответствует одному из следующих условий, его можно проектировать с использованием стандарта JB/T4732-1995 «Стальные сосуды под давлением — Стандарты аналитического проектирования» (подтвержден в 2005 году) или приложения D к стандарту GB/T12337-2014 «Стальные сферические резервуары»: а) Сосуды под давлением и их элементы, подвергаемые циклическим нагрузкам, в случае если условия их эксплуатации не соответствуют положениям раздела 3.10 стандарта JB/T4732, должны подвергаться анализу на усталость и оценке в соответствии с приложением C к стандарту JB/T4732 ； б) Для сосудов под давлением или компонентов, находящихся под давлением, размеры конструкции которых невозможно определить согласно стандарту GB/T150, необходимо использовать методы анализа напряжений, включая метод элементов конечных разностей, для проектирования ； C) После комплексной оценки на основе условий проектирования сосудов под давлением, характеристик материалов, сложности производства и экономической целесообразности, необходимо применять метод аналитического проектирования для таких сосудов под давлением, как, например: крупные высокодавленные реакторы, высокодавленные сосуды ； d) Для сферических резервуаров с большим диаметром или высоким давлением, с учетом таких факторов, как экономичность, при проектировании с использованием анализа напряжений необходимо проводить расчеты в соответствии с приложением D стандарта GB/T12337 ； е) Резервуары, по которым владелец предлагает провести проектирование с учетом анализа напряжений. 2. Как определить температуру, давление и нагрузку проектирования? (1) Расчетные давление, температура и нагрузка определяются в соответствии с пунктами 3.6.3.1, 3.6.3.2 и 3.6.3.3 стандарта JB/T4732, а также стандартами GB/T12337, GB/T151, NB/T47041, NB/T47042 и другими. Если какая-либо нагрузка изменяется со временем, то необходимо составить кривую частоты нагрузки, которая будет отражать изменения каждой конкретной нагрузки в зависимости от времени. Кривая частоты нагрузки должна включать количество циклов или временные интервалы, соответствующие всем температурам работы, давлению, дополнительным нагрузкам, а также всем значимым процессам, воздействующим на данный элемент. (2) К проектным нагрузкам относятся: внутреннее давление, внешнее давление, гидростатическое давление жидкости, собственный вес контейнера (включая нагрузку от веса находящегося внутри материала), дополнительные нагрузки (нагрузки от вспомогательного оборудования, трубопроводов, вес внешних комплектующих и т. д.), циклические нагрузки, силы, возникающие из-за опорных элементов, нагрузки, связанные с неоднородностью температуры, ветровые нагрузки, сейсмические нагрузки, снежные нагрузки и т. д. 3. Как получить параметры характеристик материала? (1) Эластический модуль материала, коэффициент Пуассона, коэффициент теплового расширения, теплопроводность, теплопроницаемость, плотность и удельная теплоемкость должны выбираться в соответствии с стандартами GB/T150, GB/T151, разделом D книги II ASME, а также другими соответствующими стандартами. (2) Метод определения допустимого напряжения: а) Для элементов, находящихся под сжатием и спроектированных с использованием метода аналитического проектирования, допустимое напряжение материала определяется в соответствии с требованиями стандарта GB/T150.2 ； б) Для материалов компонентов, находящихся под давлением, чья общая конструкция спроектирована с использованием метода аналитического проектирования, значение предельной прочности материала определяется в соответствии с требованиями стандарта JB/T4732 ； в) При проектировании сферических резервуаров с использованием «метода аналитического проектирования» значения предельной прочности определяются в соответствии с положениями приложения D стандарта GB/T12337 ； д) При использовании материалов иностранных марок допускаемое напряжение или напряжение прочности, рассчитываемое согласно методам аналитического проектирования, должно соответствовать требованиям стандарта GB/T150.1 (для локальных конструкций) или стандарта JB/T4732 (для целостных конструкций). Это значение не должно превышать допускаемое напряжение для соответствующих материалов, указанное в соответствующих иностранных стандартах на сосуды под давлением. (3) Кривые напряжение-деформация могут выбираться с учетом положений приложения 3.D к стандарту ASME VIII-2; это касается как эластических и идеально пластичных кривых, так и реальных кривых напряжение-деформация с учетом эффекта упрочнения под действием деформации, циклических кривых напряжение-деформация, а также стабильных кривых амплитуды напряжения-деформации. 4. Как создать механическую модель? На основе таких фундаментальных принципов, как теория упругости, теория пластин и коробок, теория пластичности, метод конечных элементов, а также с учетом характеристик конструкции и условий нагрузки, формируется механическая модель конструкции. Для определения характера анализируемой проблемы можно следовать следующему подходу: а) если в уравнениях равновесия, соотношениях между напряжениями и деформациями, соотношениях между деформациями и смещениями, граничных условиях и условиях соединения существуют линейные члены между переменными, то проблема считается линейной. Однако, если в каком-либо из этих соотношений присутствуют нелинейные члены, то проблема считается нелинейной ； б) Проблему можно считать статической только тогда, когда все переменные и соотношения не зависят от времени ； в) При наличии значительной температурной градиентности в структуре (включая пространственную и временную градиентности температуры) необходимо проводить анализ теплопроводности и анализ тепловых напряжений. Когда тепловые напряжения незначительны или не являются основными по сравнению с другими напряжениями, их можно не учитывать ； д) Когда материал подвергается локальной пластической деформации, проектирование может осуществляться с учетом эластичных свойств материала ； Когда материал подвергается значительной пластической деформации, его следует рассматривать как материал, подверженный пластическим или упруго-пластическим процессам. 5. Как упростить модель? Сложные конструкции сокращаются до типичных элементов, таких как стержни, балки, пластины, оболочки и блоки, с учетом геометрических характеристик их составляющих частей, а также распределения нагрузок ； Когда структура трехмерной модели, подлежащая анализу, и нагрузки полностью симметричны, её можно упростить до двумерной плоскостной структуры ； Когда структура удовлетворяет условию периодической симметрии, можно создать модель 1/n (где n — число периодов) и т. д. Принцип упрощения модели заключается в максимальном сохранении достоверности результатов анализа в рассматриваемой области. 6. Как выбрать ячейку? Для численного моделирования с использованием ANSYS Mechanical APDL следует в первую очередь использовать элементы с промежуточными узлами. Для анализа напряжений, усталости и т. п. в первую очередь рекомендуется использовать высокоуровневые элементы трехмерных солидов Solid186 (соответствующими элементами для анализа температуры являются Solid90); при большом количестве элементов сетки также можно использовать низкоуровневые элементы Solid185 (соответствующими элементами для анализа температуры являются Solid70) ； Для анализа изгиба, анализа предельной нагрузки, анализа модов и т. д. в первую очередь рекомендуется использовать элементы-оболочки Shell181 ； Для двумерных плоских структур предпочтительно использовать плоские элементы Plane82 ； Для балочных конструкций предпочтительно использовать элемент Beam189 ； При анализе контактов в качестве основных используются элементы контакта Conta173 и элементы цели Targe170 ； В качестве прокладок предпочтительно использовать прокладочные единицы Inter195 ； Для единиц качества предпочтительно использовать Mass21 ； Выбор остальных элементов можно найти в руководстве ANSYS 14.5. Исходя из структурных особенностей, также можно использовать различные элементы для их комбинирования. Для других программ моделирования с использованием элементов конечных разностей типы элементов выбираются в соответствии с вышеуказанными принципами. 7. Как производить разбиение на сетку? (1) Для трехмерных твердотельных структур в первую очередь используется гексаэдрическая сетка ； Для коробчатых или двумерных плоских структур предпочтительно использовать сетку из четырехугольников. Соотношение сторон идеального элемента составляет 1, а для приемлемых элементов оно должно находиться в диапазоне: для линейных элементов — менее 3, а для квадратичных элементов — менее 10. (2) При сетчатой разбивке модели необходимо обеспечить, чтобы грани смежных элементов многотелесной модели имели общие узлы ； Если степени свободы элементов, используемых в соседних элементах конструкции, отличаются, то их можно согласовать с помощью метода уравнений ограничений, метода множественных ограничений (MPC), метода суммирования жесткостей, метода композитных элементов, метода коплинга ортогональных корпусов и других подходов. Для сборки обычно необходимо определить пары контактов. (3) При учете экономичности сети необходимо обеспечить надежность результатов вычислений в сетевой среде. Обычно применяется метод удвоения плотности исходной сетки; если разница между результатами двух вычислений составляет менее 3%, это свидетельствует о надежности плотности исходной сетки ； В противном случае необходимо заново изменить плотность сетки и повторить вышеописанные действия, пока плотность сетки не будет соответствовать требованиям надежности. 8. Как приложить нагрузки и задать граничные условия? Условия комбинаций проектных и испытательных нагрузок определяются в соответствии с таблицей 3-3 стандарта JB/T4732. Анализ напряжений для проектных условий нагрузки на сферические резервуары выполняется в соответствии с разделом D.4.3 приложения к стандарту GB/T12337. Комбинации нагрузок, подлежащие анализу, также определяются в зависимости от конкретных условий. Если в процессе работы возникают различные режимы работы, их необходимо анализировать по отдельности. Установка граничных условий должна соответствовать реальным ограничениям конструкции: а) Условия нагрузки: определение места, направления и величины нагрузок на узлы модели, на ребра элементов, а также сил, действующих на поверхности и внутри конструкции, и температурных нагрузок ； б) Тепловые граничные условия: определение местоположения, величины или законов действия температуры узлов в модели, а также процессов теплопередачи посредством конвекции и излучения ； в) Условия ограничения смещений: определение того, что смещения узлов и степеней свободы узлов в модели подчиняются определенным ограничениям, а также тип и величина этих ограничений ； д) Другие граничные условия: определение основных и вспомогательных степеней свободы в модели, степеней свободы соединений или движения и других граничных условий, используемых для анализа. 9. Как проводить оценку напряженно-напряженного состояния? а) После завершения анализа напряжений с использованием метода конечных элементов, пользовательский путь должен быть перпендикулярен линиям равномерности напряжений с наивысшими значениями. Кроме того, этот путь должен быть перпендикулярен средней плоскости сечения, чтобы достичь аналогичной точности. Линейизация напряжений вдоль этого пути позволяет определить напряжения в пленке, напряжения изгиба, суммарные напряжения, а также максимальные значения напряжений. б) Классификация напряжений осуществляется на основе таблиц 4-1 и 5-3 стандарта JB/T4732. Дизайнеры определяют характер напряжений в пленке (первичные общие напряжения в пленке или первичные локальные напряжения) и напряжений изгиба (первичные напряжения изгиба или вторичные напряжения), учитывая такие факторы, как степень влияния напряжений на прочность контейнера, зона действия напряжений и их распределение, причины возникновения напряжений, а также их воздействие на процесс разрушения. в) Значение предела прочности на сжатие определяется в соответствии с разделами 5.2 и 5.3, а также таблицей 5-1 стандарта JB/T4732; коэффициенты комбинации нагрузок — в соответствии с таблицей 3-3 того же стандарта. д) Для локальных напряжений в тонкой оболочке у малого конца конуса в качестве контрольного значения следует использовать значение, равное 1,1 разу проектной прочности на сжатие ； Для больших отверстий в точке, где угол между основанием переходника и продольной осью корпуса составляет 90 градусов, напряжение изгиба следует учитывать как основное напряжение. 10. Как проводить оценку прочности при усталости? а) Расчет амплитуды интенсивности переменных напряжений Salt производится в двух случаях: когда направления основных напряжений в рассматриваемой точке остаются неизменными в течение цикла, и когда они меняются. Расчет выполняется согласно разделу C.2.1 приложения C стандарта JB/T4732. При этом необходимо учитывать только те напряжения, которые возникают в результате заданного цикла работы; напряжения, обусловленные постоянными нагрузками или условиями температуры, не учитываются. б) Применение для построения кривой усталости в соответствии с пунктом C.2.2 приложения C к стандарту JB/T4732. в) Накопленные повреждения: при наличии двух или более значимых циклов напряжений необходимо рассчитать эффект накопленных повреждений от усталости согласно методике, указанной в разделе C.2.4 приложения C к стандарту JB/T4732. д) Прочность штифтов на усталость согласно пункту C.5 приложения C к стандарту JB/T4732. е) Проверка прочности на усталость проводится в соответствии с пунктом C.2.2 c) приложения C к стандарту JB/T4732; если срок службы заменяемых элементов, таких как штифты, отличается от срока службы резервуара, в проектных чертежах должен быть четко указан срок службы штифтов. 11. Какие особые требования к производственной проверке необходимы при проектировании конструкций и резервуаров с учетом анализа напряжений? При изготовлении и контроле контейнеров необходимо соблюдать требования стандартов JB/T4732, GB/T12337 и других соответствующих стандартов. Кроме того, в проектной документации должны быть четко указаны следующие требования; это не полный список: а) в случае контейнеров, разрабатываемых с учетом фактора усталости (при наличии циклических нагрузок), поверхности швов сварных соединений категорий A и B должны быть на одном уровне с поверхностью основного материала; допускается наличие лишнего слоя металла только в ограниченных количествах. б) Для сосудов под давлением, спроектированных с учетом фактора усталости (при наличии циклических нагрузок), размещение печати сварщика не допускается; производитель должен определить другой способ подтверждения идентификации сварщика. в) Сварные соединения категорий А и В должны подвергаться 100%-ной дефектоскопии с использованием рентгеновских или ультразвуковых методов в соответствии с требованиями чертежей; при проектировании конструкции необходимо учитывать возможность проведения такой дефектоскопии. d) Штифты с диаметром более M36 должны подвергаться контролю с помощью магнитопорошкового или флюоресцентного методов. 12. Как составлять отчет по анализу напряжений? Полный отчет о анализе напряжений должен включать следующее: а) анализ нагрузок: параметры проектирования, схема оборудования, данные о свойствах материалов ； б) Расчет прочности основных компонентов ； в) Анализ конструкции и механическая модель: геометрические параметры конструкции, модель с элементами конечных разностей, нагрузки и граничные условия ； д) Результаты анализа напряжений ； е) Оценка прочности на напряжения ； f) Оценка прочности при усталости (для сосудов под давлением, подверженных усталостным нагрузкам): сосуды под давлением (за исключением болтов), болты ； g) Заключение ； h) Основные технические характеристики ； i) Приложения: данные о линеаризации напряжений на траектории, расчёты креплений или расчёты деталей, спроектированных согласно «методу проектирования по правилам» и т. д. ​ Выше изложены некоторые личные мысли автора; в них неизбежно могут быть ошибки. Приглашаем всех к обсуждению!