内压无折边锥壳的拯救

Es前缘

                                                                                                    缘起

运输在即，锥壳不够，木已成舟，覆水难收，如何拯救？
一位朋友给我发过来一台内压无折边锥壳的计算书截图：
锥壳名义厚度    20mm大端锥壳无需加强小端锥壳加强厚度    28mm小端筒体加强厚度    28mm输入厚度：    25mm结论：合格
设备已经做完了，锥壳，大端筒体，小端筒体均用的25mm制作的。
业主审查的时，不了解GB的规范，虽然看到了“合格”的结论，但是不理解，为什么突兀的出现28mm，需要合理解释。

朋友问：

“这个锥壳计算安全吗？”
规范要求
这个问题经常遇到，小端需要加厚，但是计算书是合格的，2017年的时候发过类似的文章。所以搜索了一下，把链接发给了朋友：
回到一开始的问题，SW6说是合格，那么到底合格还是不合格呢？这时应该分两种情况：
1.如果锥壳是一个厚度（大多数情况），那么取整个锥体8mm是不安全的。
2.如果锥壳是由3段拼接，大端10mm，长度110mm，小端厚度8mm，长度25mm，其余的锥壳8mm，并且相应的筒体符合计算书要求。那么计算书说的8mm是合格的。VCAD，公众号：压力容器唯心不易内压无折边锥体计算的困惑
朋友看了文章，又道：

“要早点看到就好了，应该取28mm，可是我们已经用了25mm，设备水压都做了，准备运输了，这可怎么办？”。
“不可能割下来重新买料加工啊，几个锥壳筒节90多吨，工期也来不及啊。”
难道没有回天之术吗？




为何小端要加强

在实际的计算中，经常会发现小端需要加强，按照GB150.3的图5-13，锥角大于5.2度左右，锥壳小端都需要加强。




锥壳小端和大端连接处的最大应力为周向薄膜应力，虽然是不连续区域的薄膜应力，但是一次应力的成分占主要部分，所以规范的控制值设定在了1.1S（S为许用应力），不是 1.5S。
如下图所示，锥壳小端处所受压力，除了法向压力外，还有A区域的压力，基本上都由锥壳小端和小端筒体共同承担。为了平衡A区域的压力所产生的应力，属于一次应力。






《压力容器分析设计的一些问题-李建国》一文中对锥壳的大小端应力限制做了解读，有兴趣的可以参考一下。

分析能否拯救
朋友问：
常规的公式计算需要28mm，会不会分析下来25mm就够了？
这也是一种误解，其实对于回转体的计算模型，理论解已经是比较精确的了。常规公式计算不通过，分析也大概率的不会通过。如果判定能够通过，很可能是设计者对规范理解有问题。

那么对于上文的结构，分析会不会有奇迹出现呢？不妨一试。

建立模型，划分网格


施加载荷

计算结果：



线性化，重点关注锥壳小端的路径1,2,3



结果表：
路径PL分析值许用1.1S判别路径1232.9228.063不合格路径2227.4228.063合格路径3231.8228.063不合格
如果按照1.1S评定薄膜应力的话，分析的结果也是不合格的，不过分析值超出许用值不大，危险性应该不是太大。
如果将来可以按照第四强度理论做评定，甚至可以直接评定过。

加强圈的效果

一般来说，对于小端附近增加一个加强圈，对于小端降低应力值是很有用的。在GB150.3中，可以通过设置加强圈对小端筒体进行加强。
不过由于规范只在内压和轴向载荷共同作用时使用加强圈，且要求必须先满足锥壳厚度，再考虑加强结构，使得在SW6中，即使输入加强圈尺寸，也无法参与锥壳本体计算，降低锥壳厚度。



不过在分析中，可以考虑加强圈对于锥壳和筒体连接处的影响。
在距离小端焊缝50mm处加上250*25mm的加强圈。


上部加上加强圈后，上部加上加强圈后，应力值明显下降。


小端的最大应力由293.275降低到230.3Mpa，下降明显。



仍旧按照上次的位置进行线性化，得到如下结果

路径PL分析值许用1.1S判别路径1189.2228.063合格路径2186.4228.063合格路径3190.1228.063合格
小端局部薄膜应力由最大232.9MPa，下降到190.1MPa，下降的非常明显，而且根据GB150.3的1.1S来评定，也是合格的。
考虑到设备本体已无法更改成28mm，如果小端能够焊接一个加强圈，那么锥壳，大小端筒体都可以采用25mm即可，既降低了成本，又满足了规范。

它山之石
那么这个锥壳按照经验是安全的吗？
个人认为这个锥壳实质安全，但是不符合GB150.3的规范。
实质安全原因有2：
分析结果按照1.1S评定合格。因为用ASME VIII I的方法来计算此锥壳，相同许用应力，不用加加强圈就可以计算通过。
ASME里对于锥壳小端是否需要加强，用的是GB150.3的5.6.4条。完全不考虑1.1S和锥壳半顶角5.2°的限制。所以小端计算特别容易通过，如果不通过，加锥壳厚度或者加强圈都可以，两者并没有必须要优先加厚前者。



ASME的锥壳，即使评定，也不会用1.1S来评定，和分析一样，局部薄膜应力用的是1.5S。




GB150.3的一条，“任何情况下，过渡段不得小于与其连接的锥壳厚度”，使得很多时候，不得不加厚锥壳大小端的筒体，或者做个小短节筒体，在某些情况下会造成浪费。




ASME也不会要求过渡段不得小于与其连接的锥壳厚度，各段的厚度设置更为灵活。
GB计算锥体，需要各种要求和限制，像不像正牌女朋友，交往需要买车买房彩礼一大堆条件。
在ASME里只保留了简单的几条，无需过多限制，简单清纯，温柔体贴：我只会心疼哥哥，魔性的声音在耳边回荡。



同样一个锥，在美国放心用，按理来说，运到中国，也不会出现强度的问题。
其实对于内压有折边，无折边的锥壳的计算，GB150.3的算法是ASME，EN三种方法中计算出来最厚的。
安全系数比GB高或低的规范，锥壳计算的结果都比GB要薄，GB的计算方法和判定规则，是否可以商榷一下。

当然在目前规范没有修改的情况下，一切应该以规范为准。
往期精彩：夹套锥壳需要用锥壳模型计算吗（续）
半顶角大于60°的锥壳的设计
锥壳厚度不小于连接筒体厚度？
外压锥壳与筒体连接处需不需要做支撑线？
锥体的参数化画图


以上内容转载自公众号：压力容器唯心不易