压力容器焊接接头疲劳评定方法研究

发布时间：2017-04-23 17:07

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【摘要】：疲劳设计是压力容器设计方法研究的一个重要领域。近年来,EN13445-3及ASME Ⅷ-2在疲劳设计中逐渐区分焊接区域与非焊接区域,先后单独给出了焊接接头疲劳评定方法,但国内鲜见有关介绍及研究。同时,我国JB4732标准仍沿用传统的疲劳减弱系数来考虑焊接疲劳影响,设计人员进行疲劳评定时也很少关注焊接区域。JB4732的修订工作已经启动,焊接接头疲劳评定问题则是关注的重点之一。为探讨我国是否应提出新的焊接疲劳评定方法以及具体采用何种方法,有必要首先对EN 13445、ASME Ⅷ-2及JB4732中各方法的关键技术、安全裕度、评定差异等进行系统研究。为对JB4732修订工作提供支撑,本文围绕压力容器焊接接头疲劳评定这一主题,开展了以下基础性研究工作：1)通过调研大量标准释义及原始文献,首次对ASME Ⅷ-2及JB4732疲劳强度减弱系数法、EN 13445热点应力法、ASME Ⅷ-2主S-N法进行全面回顾,对各方法的理论来源、应力参量选取、疲劳曲线、厚度及平均应力修正、安全系数等关键问题进行了清晰梳理,整理出实施流程图,并从疲劳驱动力和疲劳抗力角度进行综合比较。分析认为,三种方法本质上都属结构应力法,其中疲劳减弱系数法最便于工程普及,但疲劳减弱系数的使用缺乏理论依据；EN13445使用真实焊接疲劳曲线,且区分焊趾与焊根失效,评定体系最为完善；基于断裂力学的主S-N法考虑了厚度和载荷模式影响,理论严谨。2)对焊接疲劳评定中的关键问题—应力参量计算进行研究。以存在应力奇异的角接接头模型为例,考察基于不同方法的结构应力和一次加二次应力强度计算结果对有限元网格的敏感性。分析表明,应用应力积分法时节点应力平均导致结构应力偏小,应选取焊趾前侧的单元应力进行计算,并选用高阶缩减积分单元以降低网格敏感性；节点力法对单元类型及网格大小均不敏感,即使沿壁厚划分一层仍能得到正确的结构应力结果；外推公式对热点应力计算结果影响不大,但单元类型及尺寸的影响较大；应力奇异时某些应力分量不满足平衡条件,应通过“有效线性化区域”外推得到一次加二次应力强度。在上述结论基础上,针对有限元建模及应力计算给出相关建议。3)对搜集的数百个真实容器焊接接头疲劳数据进行重新处理及统计分析,利用试验数据对各评定方法的评定差异、安全裕度及寿命预测准确性几方面进行分析评价,并对各方法可能存在的问题做尝试性探讨。分析结果表明,ASME疲劳减弱系数法在低周疲劳阶段安全裕度充足,但其疲劳曲线高周部分不适用于焊接接头,疲劳减弱系数值存疑；EN13445对接头失效的预测最为准确,但0.4%的失效概率表明EN13445仅考虑与数据分散性相关的安全裕度对于压力容器的安全运行稍显不足,且其疲劳极限偏高；主S-N法疲劳曲线的回归标准差偏小,评定结果十分不安全,对厚度效应的定量分析表明其厚度修正项可能高估了薄板焊接接头的疲劳强度。4)给出了我国JB4732标准中焊接接头疲劳评定方法的若干修订建议。
【关键词】：焊接疲劳评定 应力参量计算 网格敏感性 疲劳曲线 安全裕度
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG457.5;TG407
【目录】：

• 致谢5-7
• 符号说明7-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-18
• 1 绪论18-26
• 1.1 研究背景18-19
• 1.1.1 容器的疲劳破坏18
• 1.1.2 焊接对疲劳强度的影响18-19
• 1.2 焊接结构疲劳强度研究现状19-23
• 1.2.1 名义应力法19-20
• 1.2.2 结构应力法20-21
• 1.2.3 有效缺口应力法21-22
• 1.2.4 断裂力学法22
• 1.2.5 局部法22-23
• 1.3 本文研究内容23-25
• 1.3.1 研究意义23-24
• 1.3.2 研究内容及方法24-25
• 1.4 技术路线图25-26
• 2 压力容器规范中的焊接接头疲劳评定方法26-40
• 2.1 ASM Ⅷ-2及JB4732疲劳强度减弱系数法26-29
• 2.1.1 概述26-27
• 2.1.2 疲劳强度减弱系数27-28
• 2.1.3 疲劳设计曲线28
• 2.1.4 实施步骤28
• 2.1.5 优势和局限28-29
• 2.2 EN13445焊接疲劳评定29-33
• 2.2.1 应力参量的选取30
• 2.2.2 疲劳设计曲线30-32
• 2.2.3 实施步骤32
• 2.2.4 优势和局限32-33
• 2.3 ASME Ⅷ-2等效结构应力法33-39
• 2.3.1 基本原理34-35
• 2.3.2 主S-N曲线35-37
• 2.3.3 ASME规范对等效结构应力法的调整37
• 2.3.4 实施步骤37
• 2.3.5 优势和局限37-39
• 2.4 各标准中焊接疲劳评定方法的总结比较39-40
• 3. 疲劳分析中应力参量的计算40-58
• 3.1 引言40
• 3.2 应力参量计算方法40-43
• 3.2.1 基于应力积分的结构应力40
• 3.2.2 表面外推热点应力40-41
• 3.2.3 基于节点力的结构应力41-43
• 3.3 应力参量对有限元网格划分的敏感性分析43-56
• 3.3.1 分析模型43-45
• 3.3.2 模型的应力奇异性45-46
• 3.3.3 基于应力积分与基于节点力的结构应力法比较46-52
• 3.3.4 外推方法及网格划分对外推热点应力的影响52-53
• 3.3.5 应力强度P_L+P_b+Q的网格敏感性探讨53-56
• 3.4 本章小结56-58
• 4. 焊接接头疲劳评定方法安全裕度分析58-86
• 4.1 引言58
• 4.2 平封头与筒体角接接头的疲劳安全裕度58-71
• 4.2.1 试验描述59-60
• 4.2.2 有限元分析模型60-61
• 4.2.3 应力及疲劳寿命计算61-65
• 4.2.4 安全裕度分析65-69
• 4.2.5 焊接接头疲劳的厚度效应探讨69-71
• 4.3 对接接头的疲劳安全裕度71-81
• 4.3.1 试验数据来源71-73
• 4.3.2 试验数据处理73-76
• 4.3.3 安全裕度分析76-81
• 4.4 不同标准中的焊接疲劳曲线比较81-84
• 4.4.1 ASME与EN1344582-83
• 4.4.2 主S-N法与EN1344583-84
• 4.5 本章小结84-86
• 5 总结与展望86-90
• 5.1 总结86-87
• 5.2 展望87-90
• 参考文献90-96
• 附表96-102
• 作者简介及在读期间科研成果102

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本文编号：322725