CN110083922A - 一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力容器领域，旨在提供一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法。包括：根据工艺要求确定初步选择的椭圆形封头的内直径、内高度和厚度，以及封头所用材料的屈服强度；如计算所得封头的屈曲压力小于工艺条件下的封头所受内压，则对封头尺寸或材料进行调整后再次进行计算，直至计算所得屈曲压力大于工艺条件下的封头所受内压。本发明具有理论基础，并且公式格式简单，便于计算；在准确度、工程实用性和计算方便性等方面具有综合优势，不仅覆盖了工程常用的标准椭圆形封头，而且可适用于其它径高比的椭圆形封头，工程实用性相对更强。

Description

一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法

技术领域

本发明是关于压力容器领域，特别涉及一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法。

背景技术

凸形封头是压力容器的一个重要元件，广泛应用于石油、化工、核电等行业。相比于半球形封头，椭圆形封头高度较低，易于成形；相比于碟形封头，椭圆形封头应力分布较均匀；因此，椭圆形封头是目前中、低压容器中应用较多的凸形封头之一。同时，工程中内压容器的使用数量远大于外压容器，所以内压椭圆形封头的失效模式和承载能力更值得关注。

由于在内压作用下椭圆形封头过渡区承受环向压缩应力，椭圆形封头可能发生屈曲失效，特别是超大超薄椭圆形封头。屈曲失效是内压椭圆形封头需要预防的一种重要失效模式。为预防内压椭圆形封头的屈曲失效，需要预测椭圆形封头的内压屈曲压力。因此，建立内压椭圆形封头的屈曲压力预测公式，对预防椭圆形封头屈曲失效具有重要意义。

目前，预测内压钢制椭圆形封头屈曲压力的公式主要有Tovstik理论公式、Gallety弹性屈曲压力预测公式、Gallety塑性屈曲压力预测公式、Roche&Alix弹性屈曲压力预测公式和Roche&Alix经验公式。

(1)Tovstik理论公式

Tovstik给出了计算内压椭圆形封头弹性屈曲压力的理论公式：

式中：D_i为椭圆形封头内直径，单位为mm；E为弹性模量，单位为MPa；h_i为椭圆形封头内高度，单位为mm；P_b为屈曲压力，单位为MPa；t为椭圆形封头厚度，单位为mm；v为泊松比。但，该公式仅适用于高度较小的椭圆形封头(D_i/2h_i≥3.3)，尤其不能预测工程常用的标准椭圆形封头(径高比)屈曲压力。

(2)Gallety弹性屈曲压力预测公式

Gallety利用数值分析程序进行了标准椭圆形封头弹性屈曲压力的计算，并经参数化分析，拟合得到了标准椭圆形封头弹性屈曲压力的预测公式：

P_b＝455E(D_i/t)^-2.5

该公式的径厚比适用范围为750＜D_i/t＜1500，但，该径厚比适用范围并不宽泛。另外一大缺点是，该公式仅适用于标准椭圆形封头，不能预测其它径高比的椭圆形封头。

(3)Gallety塑性屈曲预测公式

Gallety利用数值分析程序进行了标准椭圆形封头塑性屈曲压力的计算，并经参数化分析，拟合得到了标准椭圆形封头塑性屈曲压力的预测公式：

P_b＝10.4S_y(D_i/t)^-1.25

式中：S_y为屈服强度，单位为MPa。该公式的径厚比适用范围为600＜D_i/t＜1500，但，该径厚比适用范围也不宽泛。另外，该公式也仅适用于标准椭圆形封头，不能预测其它径高比的椭圆形封头。

(4)Roche&Alix弹性屈曲计算公式

Roche R.L.和Alix M.基于数值计算结果，给出了内压椭圆形封头弹性屈曲压力的预测公式：

式中：K_e为与径高比相关的系数。当时，K_e＝1。

研究表明，常用尺寸的钢制椭圆形封头，其内压屈曲在材料进入塑性区后发生，属于塑性屈曲，故弹性屈曲压力的预测公式(Tovstik理论公式、Gallety弹性屈曲压力预测公式和Roche&Alix弹性屈曲压力计算公式)不能准确预测内压钢制椭圆形封头的屈曲压力。

(5)Roche&Alix经验公式

Roche R.L.和Alix M.基于17个椭圆形封头的内压屈曲试验结果，给出了预测内压椭圆形封头屈曲压力的经验公式：

式中：S_f＝(S_y+S_u)/2；S_u为抗拉强度，单位为MPa。

该公式是基于试验结果而得到，缺少理论基础，且计算较为繁琐。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法，包括下述步骤：

(1)根据工艺要求确定初步选择的椭圆形封头的内直径D_i、内高度h_i和厚度t，以及封头所用材料的屈服强度S_y；

(2)按下述公式计算内压钢制椭圆形封头的屈曲压力：

式中：

S_y为封头所用材料的屈服强度，单位MPa；t为椭圆形封头厚度，单位mm；D_i为椭圆形封头内直径，单位mm；h_i为椭圆形封头内高度，单位mm；P_b为封头的屈曲压力P_b，单位MPa；

(3)如计算所得封头的屈曲压力P_b小于工艺条件下的封头所受内压，则对封头尺寸或材料进行调整，然后利用步骤(2)所述公式再次进行计算；

(4)重复步骤(3)，直至计算所得屈曲压力P_b大于工艺条件下的封头所受内压。

本发明中，所述椭圆形封头的径厚比应满足：

本发明中，所述椭圆形封头的径高比应满足：

本发明中，所述椭圆形封头的材料的屈服强度S_y应满足：100≤S_y≤600。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所使用的内压椭圆形封头塑性屈曲压力计算方法，比现有的弹性屈曲压力计算公式的准确度更高；在准确度、工程实用性和计算方便性等方面具有综合优势。

2、本发明适用范围不仅覆盖了工程常用的标准椭圆形封头，而且可适用于其它径高比的椭圆形封头，工程实用性相对更强。

3、现有技术的经验公式多是基于试验结果而得到，缺少理论基础，且计算较为繁琐，而本发明提出的预测公式是基于非线性屈曲分析方法的数值计算结果拟合、并经试验结果修正而得到，具有理论基础，并且公式格式简单，便于计算。

附图说明

图1为椭圆形封头的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，对本发明的实现过程进行描述：

以图1中的内压钢制标准椭圆形封头为例，预防封头产品内压屈曲失效的方法，包括下述步骤：

(1)根据工艺要求确定初步选择的椭圆形封头的内直径D_i、内高度h_i和厚度t，以及封头所用材料的屈服强度S_y；

作为更优选的方案，椭圆形封头的径厚比满足：椭圆形封头的径高比满足：椭圆形封头的材料的屈服强度S_y满足：100≤S_y≤600。

(2)按下述公式计算内压钢制椭圆形封头的屈曲压力：

式中：

S_y为封头所用材料的屈服强度，单位MPa；t为椭圆形封头厚度，单位mm；D_i为椭圆形封头内直径，单位mm；h_i为椭圆形封头内高度，单位mm；P_b为封头的屈曲压力P_b，单位MPa；

(3)如计算所得封头的屈曲压力P_b小于工艺条件下的封头所受内压，则对封头尺寸或材料进行调整，然后利用步骤(2)所述公式再次进行计算；

(4)重复步骤(3)，直至计算所得屈曲压力P_b大于工艺条件下的封头所受内压。

具体应用实例：

(1)工艺条件下的封头所受内压0.80MPa，确定初步选择的椭圆形封头的内直径D_i＝1800mm、内高度h_i＝450mm和厚度t＝3mm。初步选择时的产品相关数据可根据封头产品制造的经验数据进行选择，以避免后续重复计算次数过多。其中，径厚比满足径高比满足此外，该椭圆形封头所用材料为不锈钢S30408，通过预先进行的拉伸试验获得该材料的屈服强度S_y＝385MPa，满足100≤S_y≤600。

(2)按下述公式计算内压钢制椭圆形封头的屈曲压力：

式中：D_i为椭圆形封头内直径，单位为mm；h_i为椭圆形封头内高度，单位为mm；P_b为屈曲压力，单位为MPa；t为椭圆形封头厚度，单位为mm。

(3)经计算得到该椭圆形封头的屈曲压力预测值P_b＝0.92MPa；该数值大于工艺条件下的封头所受内压0.80MPa。

(4)根据计算所使用的参数进行钢制椭圆形封头的制造。针对制得的封头产品进行内压屈曲试验，获得该椭圆形封头的屈曲压力试验值为1.30MPa。由此可以看出，当该封头预先计算得到的屈曲压力预测值P_b大于工艺条件下的封头所受内压时，实际制得的封头产品不会发生屈曲失效。

Claims (4)

1.一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据工艺要求确定初步选择的椭圆形封头的内直径D_i、内高度h_i和厚度t，以及封头所用材料的屈服强度S_y；

(2)按下述公式计算内压钢制椭圆形封头的屈曲压力：

式中：

S_y为封头所用材料的屈服强度，单位MPa；t为椭圆形封头厚度，单位mm；D_i为椭圆形封头内直径，单位mm；h_i为椭圆形封头内高度，单位mm；P_b为封头的屈曲压力P_b，单位MPa；

(3)如计算所得封头的屈曲压力P_b小于工艺条件下的封头所受内压，则对封头尺寸或材料进行调整，然后利用步骤(2)所述公式再次进行计算；

(4)重复步骤(3)，直至计算所得屈曲压力P_b大于工艺条件下的封头所受内压。

2.根据权利要求1所述的方法，所述椭圆形封头的径厚比满足：

3.根据权利要求1所述的方法，所述椭圆形封头的径高比满足：

4.根据权利要求1所述的方法，所述椭圆形封头的材料的屈服强度S_y满足：100≤S_y≤600。