锅炉、与压力容器安全对策(10)

  仪器信息网 ·  2007-04-26 21:40  ·  20043 次点击
(46)热应力(Thermalstress)
热应力,或称温差应力,是结构部件内因温度分布不均匀或温度变化时的自然膨胀或收缩受到约束所引起的应力。在锅炉和压力容器中,能引起热应力的主要有以下三种情况:
(1)部件内部的温度虽是均匀分布,但其温度变化引起的热胀冷缩受到外部的约束。例如两个鞍式支座都是刚性固定的卧式容器,在器壁温度升高或降低时,整个筒体的轴向伸长或收缩,受到固定支座的限制而不能自由变形,因而在筒体的横截面上便产生轴向压缩应力或拉伸应力。
(2)部件内部温度分布不均匀。例如厚壁容器,因没有隔热层而使内外壁存在较大的温度差。当内壁温度高于外壁时,内层材料的膨胀量即大于外层,因而受到外层的限制,结果即在内层产生压缩应力,外层产生拉伸应力。
(3)两个部件组成的构件,因温度变化不同或材料线膨胀系数不同而致两相连的部件产生不同的膨胀量,结果相互牵制而产生热应力。例如两端管板固定的列管式换热器,由于壳体与列管的操作温度不同因而伸长量也不同。若列管的伸长量大于壳体,则相互限制的结果,将是壳体受拉伸而产生轴向拉伸应力;列管受压缩而引起轴向压缩应力。这些都是热应力
(47)一次应力(Primarystress)
一次应力,或称基本应力,是由外载荷(包括内压、外压、重力、风力或其外加力或力矩)的作用而在容器部件中产生的正应力或剪应力。一次应力的特征是:它必须满足外载荷与构件内力之间的平衡关系,也就是一次应力可由静力平衡条件加以确定。它属非自限性的,只要外载荷存在,应力就会继续保持,而且随载荷的增大而增大,不会因材料的屈服变形自行限止。一次应力还可以分为:
(1)一次总体薄膜应力,即均匀分布于整个壳体及其截面上的薄膜应力。如薄壁圆筒、球体、封头等在内压作用下产生经向、环向应力;厚壁圆筒承受内压时的轴向应力等。一次总体薄膜应力对壳体强度的影响最大,当它达到材料的屈服极限时,整个容器即膨胀变形,如果材料没有明显的应变强化,容器可以因过度变形而破裂。
(2)一次弯曲应力,即沿壳壁厚度方向成线性分布的弯曲应力。如平板封头中央部分在内压作用下产生的应力。这类应力对强度的影响较一次总体薄膜应力稍轻一些,因为当壳壁表面上的最大应力达到材料屈服极限而进入塑性状态时,其它部分仍处于弹性状态,可以继续承受载荷,并引起应力的重新分布。
(3)局部薄膜应力即在局部范围内由压力或机械载荷引起的薄膜应力。这种应力也是沿壁厚均匀分布,但是局限在较小的区域范围内。局部薄膜应力按其特征属于二次应力,但出自保守角度,仍划属一次应力。
(48)二次应力(Secondarystress)
二次应力是由于结构部件自身约束或受相邻部件的约束而产生的正应力或剪应力。二次应力的特征是:它不是为了满足和外力的平衡,而是为了满足变形协调条件所引起的应力,所以只根据静力平衡条件无法确定此类应力。它是自限性的,局部区域内的材料产生屈服或小量变形,相邻部件的相互约束更得到缓解,使变形趋向协调而不再继续发展,应力就自动地限制在一定范围而不能继续增大。所以二次应力不会直接导致容器的破坏。二次应力包括:
(1)总体结构不连续处的弯曲应力。例如圆筒形容器的筒体与封头、筒体与法兰等连接处的弯曲应力。
(2)总体热应力。例如圆筒体上由于轴向温度梯度产生和应力,接管与筒体间的温度差产生的应力。
(49)峰值应力(Peakstress)
峰值应力是由于局部结构的不连续(如开孔、小转角半径、焊缝咬边等)引起的应力集中而加到一次或二次应力上的应力增量。峰值应力的基本特征是:应力分布区域很小,其范围约与容器的壁厚同一数量级;它不会引起整个结构产生任何明显的变形,而只可能是导致容器产生疲劳破坏和脆性断裂的根源。峰值应力包括:
(1)局部结构不连续处的总应力扣除一次与二次应力后的剩余部分。
(2)碳钢与奥氏体复合层中由于二者的线膨胀系数不同而引起的热应力;
(3)局部热应力。例如容器通往蛇管加热器时,蛇管进入器壁处的局部高温点等。
(50)残余应力(Residualstress)
残余应力是构件在机械加工(冷加工或热加工)过程中残留在它内部的应力。锅炉与压力容器部件中的残余应力,有的是有目的地施加或者是加以利用的。例如承压部件的铆接或胀接,就是利用残余应力来保证连接的紧密性;厚壁组合圆筒可以通过工艺手段使其内层产生残余应力,以改善筒体承受内压时的应力分布不均匀状态等。但必须是有目的地选择,即对残余应力的部位、大小和方向都要加以控制。有一些在非选择性的部位和方向上存在的残余应力则大多是有害的,它可以降低容器的疲劳强度,甚至会导致容器的直接破坏。例如焊接残余应力,它是一种分布杂乱的残余拉应力。这样的非选择残余应力会对容器的强度或疲劳寿命产生较大的影响,应该通过合理的工艺(预热、热处理等)和在结构上采取措施加以消除,或控制在允许的范围以内。

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