圆筒与椭圆形封头联接处的边缘应力分析

　　圆筒与椭圆形封头是两种不同的几何形体,在两者的接合处,必将出现弯曲现象,产生边缘应力(也称二次应力),但由于边缘应力具有局部性和有限性,故大多数由塑性好的材料所制成的容器,当受静载时,除结构上作某些局部处理以外,一般并不对边缘应力做特殊考虑。

　　但是,根据资料[1]、[2]介绍,低温下铁素体制的压力容器应对边缘应力进行计算,并按应力分类的设计规范作验算。否则边缘高应力区有可能导致脆性破坏。

　　抚顺石油机械厂研制开发的产品液化石油气储罐,其主体材料为16MnR,当其在-20~40℃环境温度下工作时,属低温铁素体制压力容器。

　　因此,有必要对液化石油气储罐的圆筒与椭圆形封头联接处的边缘应力进行分析计算,以加深对这部分区域所处应力状态的认识,为设计和制造提供理论依据。下面就以规格1600×5417×12为例,进行分析计算。

　　1　设计参数

　　(1)设计压力P=18 kg/cm2;

　　(2)主体材料16MnR;

　　(3)封头壁厚S2=1.2 cm;

　　(4)圆筒壁厚S1=1.2 cm;

　　(5)封头长短半轴比a/b=2;

　　(6)圆筒中半径r=80.6 cm。

　　2　边缘应力计算

　　2.1　确定边缘力Po和边缘弯矩Mo

　　根据[1],表3~5得:

　　Po=P/2R1;Mo=0

　　其方向如图1所示。

　　2.2　计算内力素

　　根据[1],表3-1得:

　　各力和弯矩的位置和方向如图2所示。

　　2.3　计算边缘应力

　　(1)圆筒轴向边缘应力(σ⁰_x)

    (2)圆筒周向边缘应力

　　3　结　论

　　(1)圆筒轴向应力

　　此式表明圆筒轴向最大应力为周向薄膜应力的1.085倍,其位置距离边缘6.0 cm处的圆筒的外表面。

　　(2)圆筒周向应力

　　此式表明圆筒周向最大应力为周向薄膜应力的1.257倍,其位置距离边缘14.2 cm处的圆筒外表面。

　　(3)据资料[2]介绍,椭圆形封头内的综合应力比直边部分要小,一般可不必进行计算,可见高边缘应力主要集中在圆筒上。

　　参考文献

　　1　余国琮主编.化工容器及设备[M].北京:化学工业出版社, 1983

　　2　赵正修编.石油化工压力容器设计[M].北京:石油工业出版社, 1985

　　本文作者：赵东显,王　维