圆柱形容器环缝错边的安全性评

范文一：圆柱形容器环缝错边的安全性评价

圆柱形容器环缝错边的安全性评价

梁政工程师 ,实验师

()南华大学建筑工程与资源环境学院 ,衡阳 421001

学科分类与代码 :620 . 50中图分类号 :X933 . 4文献标识码 :A 【摘要】环焊缝就是一锥形环 ,可以建立其数学模型 ,进而证明了焊缝错边缺陷是可以修复的。

( ) 通过应力计算分析和实验验证可以得出 : 当 b/ s 较小 b/ s < 0="" .="" 2时="" ,错边可以用磨削方法进行修="" 复="" ;当="" b/="" s="" 较大时="" ,可用堆焊方法进行修复="" ,且堆焊宽度="" h="" 不超过="" 100="" mm="" 。同时="" ,在控制应力水平不="">

σ超过 1 . 5 ]时 ,错边量和角变形量的和可以允许在不超过 0 . 7 s 的范围内。研究及安全性评价表明 ASME , GB150 等标准对环焊缝的控制过于严格 , 也给压力容器制造企业增加了成本。因此 , 建议 GB150 放宽对 B 类焊缝错边量的控制要求。

【关键词】圆柱形容器 ; 环焊缝 ; 错边量 ; 安全性评价 ; 堆焊

Safety Assessment on Cylindrical Vessel’s Girth Welding Disalignment

L IANG Zheng , Engineer , Technician

(Architectural Engineering & Environmental Resources Engineering Institute ,

)Nanhua University , Hengyang 421001 , China

Abstract : Girth welding is simply cone2shaped welding ; its disalignment can be restored by establishing mathe2 matical model . With stress calculation analysis and experimental verification , it could be concluded that when

( ) b/ s is small < 0.="" 2,="" the="" disalignment="" could="" be="" restored="" by="" polishing.="" when="" greater="" ,="" by="" repair="" welding="" with="">

( ) σwidth Hno more than 100 mm. Meanwhile , when controlling stress level is < 1.="" 5="" ,="" allowable="" value="" of="" dis="" 2="" alignment="" and="" angle="" deformation="" could="" be="">< 0.="" 7="" s.="" all="" these="" indicates="" that="" the="" standards="" stipulated="" in="" asme="" and="" gb150="" are="" too="" strict="" for="" girth="" welding="" control="" ,="" and="" the="" cost="" of="" pressure="" vessel="" manufacturers="" will="" consequently="" rise="" .="" it="" suggests="" that="" the="" restriction="" on="" type="" b="" girth="" welding="" disalignment="" in="" gb150="" should="" be="" revised.="" key="" words="" :="" cylindrical="" vessel="" ;="" girth="" welding="" ;="" disalignment="" ;="" safety="" assessment="" ;="" repair="" welding="">

百万 ,报废 ,也真可惜 ! 不报废 ,又存在安全隐患出

1 前言了意外事故 ,又该谁负责 ? 怎么办 ? 笔者认为 ,只有

再对设备进行安全性评价 ! 给出一个科学、可靠而设备在制造过程中 ,由于各种原因 ,难免会出现

合理的方案 ! 一些质量问题 ,如焊缝错边。当错边量超过国家标

某制造厂生产的一台价值 12 万元的反应罐准规定的范围时 ,就认为“质量不合格”。应当怎么

(Φ) 1 200,就因为错边量超过 GB150 —1998《钢制压办 ,是报废 ,是降级使用 ,还是出厂入市 ? 不论是作 1 力容器》的规定而判废。这样合理吗 ,科学吗 ? 笔出什么样的决策 ,都得有科学依据。按国标报废 ,应

者持有不同见解 ,一般认为错边缺陷是不可修复的 , 该是有理有据的 ! 但一台大型设备 ,动辄数十万、上

Ξ () 文章编号 :1003 - 3033 200605 - 0106 - 05 ; 收稿日期 :2006 - 01 - 20 ; 修稿日期 :2006 - 04 - 06

第 5 期梁政 : 圆柱形容器环缝错边的安全性评价〃107 〃

(; r, r, r 分别为筒体壁中心线处及形中心线的距离所以 ASME American Society of Mechanical Engineers , 1 2 2 —3 ) ( ) 美国机械工程师协会也好 ,我国标准 GB150 也心o 处的半径见图 2。焊缝段与筒体连接处的边

好 ,对错边量的控制都比较严格。缘力 , 可按变形协调

条件求得 , 并有 : 笔者试图通过对压力容器环焊缝错边建模 ,并

4ω= ω +θl 通过应力计算分析和实验验证 ,进行可靠性评估 1 1和安全性评价 ,提出当环焊缝错边量超过允许值时 ωω θ = - l2 2( )3 的安全性的一个评判标准 ,并试图寻找当环焊缝错 θθ= 1 边量超过允许值时的处理方案。 θθ= 2

ωθωθωθ式中 ,,,,,,分别为两筒体在连接面处及 1 1 2 2 2 焊缝模型 θω焊缝断面形心 o 处的水平位移与转角。其中 ,为环焊缝就是一锥形环 ,如图 1 、图 2 所示。 prr0 μ ω ()= 1 - Es 2 ()4 2 Mr θ= - EJ

式中 , J 为焊缝断面对通过形心 o 轴的惯性矩 , 如式

() 12所示。

设筒体 1 , 2 在边缘力作用下的微分方程的解为 - kt1 ω( ) = acos kt + bsin kt e 1 11 1 1 ()5 - kt2 ω( ) = acos kt + bsin kte 2 22 2 2

则图 1 焊接接头的力学模型 2M= 2 bu k1 1 1 1

2通过形心 o 的分布力 P 和分布力偶 M分 M= 2 buk 2 2 2 2 [5 —8 ]别为 3( ) Q= - 2 a+ buk 1 1 11 1 ( ) P = plr- Qr+ Qr/ r 0 1 1 2 23( ) Q= 2 a+ buk 2 2 22 2 ( M = Mr- Mr- Qlr- Qlr- ()1 1 2 2 1 1 1 2 2 2 1 2 pr μ 1 )(6 ω( ) = -1 - + a 1 ( ) )N er- 1 l/ 2 <1 1="" 1="" pl="" l-="" n="" er/="" r="" -="" 2=""><2 2="" 2es2="" 1="" 式中="" ,="" n="" ,="" n="" 为="" 2=""><1><2 pr="" μ="" 2="" ()="" ω1="" -="" +="" a="-" 2="" 2="" n="pr/" 2=""><1 1es2="" 2="" ()2="" n="p/" 2=""><2 r2(="" )="" θa+="" bk="-" 1="" 111="">

θ( ) = a+ bk 2 2 22

式中 ,

4 2( μ)3 1 - k= 1 2 2 rs 1 1

4 2( μ)3 1 - k= 2 2 2 rs2 2 ()7 2 Es 1 2 ( μ )u= 1 - 1 12

2 Es 2 2 (μ )u= 1 - 2 12

() () 图 2 焊缝截面的几何模型由式 1,式 7, 得 : l, l, e, e分别为截面形心 o 离两端面及其 1 2 1 2

中国安全科学学报第 1 6 卷〃108〃2 0 0 6 年China Safety Science Journal

r r plr plr 12 1 1 2 2 l2 )) ( ) ( ( ) ( - - v k 2 k l - 1- - pl l - 3 uv- vk- u v 1 2 11 2 2 1 2 2 2 2 rr 2 r 2 r 2 0M = 2 2 kk2 2 r 2 2 2 3 ) 1 + ( ulrk+ 2 u r ll k+ u l r - u lr k- u r 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 EJ kk1 1 2( ) M= 3 uv- vk 1 1 2 11

2 1 r 2 2 ( ) ) ( M= uv- vk+ 2 u l + kM2 2 2 12 2 2 ()kEJ 8 1

2 r θM= - EJ

2 r 2MQ= - 2 uk 1 1 1 EJ

2 r 1 3 3 () ) - v + 2 u k2 l + M( Q= 2 ukv 2 2 2 2 1 2 2 kMJ1

2 pr pr6 M i < i="" 2="" s="" s="" es2="" 1="" i="" )(()13="" 9="" 2="" μ="" n="" pr6m="" θ="" i="">

式中 , 23 几何计算 ω = 1 , 2 i ; M = 2 uk

根据 GB150 —1998《钢制压力容器》的规定 , 在 :为筒体壁厚。于是有

s ?40 mm的情况下 ,错边量 b 不得超过 5 mm ,故通 s e+ e2 b + s- 11 2 2 αtg= = ( l 2 l 过对 b = 5 mm , s = 4,40 mm , r = 150,1 600 mm s 按

) 2 s+ s 2 mm递增 , r 按 50 mm 递增共 19 ×30 = 570 种情况 1 2l l= × 1 3 s+ s 1 2( 的解析解进行分析和实验验证感谢衡阳市化工机 ()10 s+ 2 s 1 2) l 械厂为实验所做的一切工作 ,并对实验结果进行回 l= × 2 3 s+ s 1 2归归一化处理 ,可得到错边量大的一侧容器内、外壁

9 αe= ltg 1 1轴向及周向应力的解的又一表达式: αe= ltg 2 2 pr 0. 047 8 - 1. 028 1- kt σ) ()(= 1 ?2. 713 brs e

4 应力分析与实验 5 奇异性 () ( ) 由式 6,式 8可得筒体内、外壁轴向及周向 ( ) 由式 8 知 , 微分方程的奇异解存在的条件

应力的解析解的表达式 : 如下 :

第 5 期梁政 : 圆柱形容器环缝错边的安全性评价〃109 〃

ul u ul得 : EJ 2 2 1 1 = + - -2ssks 2 2 1 1( δ) ()24 b + ?0. 7 s (μ)2 r 3 1 -

( ) 式 24表明 GB150 —1998 对环焊缝错边量的控 ulk 2 ullk 2 2 22 2 2 ()16 - ssk 22 1制过于严格。为降低应力集中系数 ,可以通过打磨

() μ( ) μ() 或堆焊的方法作修复处理见图 3。将式 7中的 ,, 以及式 10中的 l, l, 以 1 2 1 2

() () ( ) 及式 11及式 12代入式 16 得 ,:

2 22 ( ) s+ 4s s + sl 1 1 2 2 22 3 = 3s s + 3s- 2s- 1 2 2 1 22(μ) (μ) 2 31 - 1 - r

2 rssrs1 1 2 1 1 2 2 3 ()ss2ss+ s+ - 1 2 1 2 24 2r s 2 2 (μ)31 - 图 3 环焊缝错边堆焊处理示意图 4 3 22 () (μ)2 l 2s+ s s31 - 2 1 2 ()17 对堆焊 H 宽度后的应力水平进行回归分析 ,堆 rs 2 2

焊后筒体错边低侧外壁应力分布为当 s= s= s 时 , 有 : 1 2

pr 0. 036 7 - 0. 811 5 - 0. 128 7 - kx ()r= r+ b/ 2 18 1 2 σ( )()e H 25 = 1 + 1. 849 br sx 2s 代入式 (17) , 得 : () 通过对式 25的计算分析 , 当 b/ s 较小时 , 如小 2r 13 l 于0. 2 时 , 错边也可以用打磨修复 , 但应保证薄膜应 += 3 - 323/ 2 r (μ) 2 1 - rs 力不超过许用应力。当 b/ s 较大时 , 错边可以用堆 4 2r/ s 1(μ) 6 3 1 - l 焊修复 , 而堆焊宽度 H 不超过 100 mm 。 ( )- 19 4 2s r( μ)2 3 1 -

7 结论 μ对钢材 , 取 = 0. 3 , 于是 , 有 :

2 r + b/ 4 l r + b/ 4 ) 一般认为错边缺陷是不可修复的。由上面 1+ 0. 777 961. 995 25 = 3 - 3-- b/ 4 r rs s (的计算知道 ,微分方程的解析式不存在奇异性这与 l ()7. 712 44 20 ) 分析计算是一致的。所以 , 焊缝错边是可以修 ( )s r - b/ 4 复的。通过对 ) 2当 b/ s < 0.="" 2="" 时="" ,可以用打磨的方法对焊缝="" (="" )s="4" +="" 2="" t="" t="0" ,1="" ,2="" ,="" ,18="" 进行修复="" ,修复只需保证圆滑过渡就可以了="" ,这时薄="" (="" )(="" )l="4" +="" 0.="" 5="" t="" t="0" ,1="" ,2="" ,="" ,56="" 21="" 膜应力不会超过许用应力="" ,也就是说这种处理是安="" (="" t="0" ,1="" ,2="" ,="" )77="" ,r="150" +="" 50="" t="" 全的="" 。="" 的计算分析="" ,="" 在="" b="" 时="" ,="" 微分方程的解析式不存在="" )="" 3当="" b/="" s="" 较大时="" ,可以用堆焊方法进行修复="" ,="" (="" )="" 奇异解="" 这与分析计算是一致的。所以="" ,="" 焊缝错边="" 且堆焊宽度="" h="" 不超过="" 100="" mm="" ,这时薄膜应力也不会="" 是可以修复的="" 。="" 超过许用应力="" 。采取这种方法处理也是安全的="" 。堆="">

() 焊 100 mm 工程量较大 ,实际中可先按式 25计算出 6 环焊缝错边的控制条件及控制 H 再堆焊。 () 由式 15,按总体薄膜应力加上局部应力小于 ) 4GB150 —1998《钢制压力容器》对环焊缝错边

1 . 5 倍许用应力 ,得环焊缝错边量的控制条件 : 要求过于严格。建议生产过程中应严格控制错边量 0. 047 8 - 1. 028 1 ( δ) σσ()[1 + 2. 713b +rt ]?1. 5[] 22 p 和角变形 ,按标准执行 ,但经一定返工次数后还超过

式中 ,σ———角变形量。取标准时可用打磨或堆焊进行修复。建议 GB150 将

σσ= [/ 2 p δ) ( 环焊缝错边、角变形的控制条件取 : b + ?0 . 7 s 。

()s ?40 mm 23

r ?4 000 mm

中国安全科学学报第 1 6 卷〃110〃China Safety Science Journal 2 0 0 6 年

参考文献

1 GB150 —1998 . 钢制压力容器 S ,1998

ASME Boiler and Pressure Vessel Code ,Section ?S ,Unfired Pressure Vessel ,Division1 ,2004 2

3 ASME Boiler and Pressure Vessel Code ,Section ?S ,Ruler for Construction of Pressure Vessel ,Division2 -

Alternativi Ruler ,2004

赵新伟 ,罗金恒 ,李鹤林等 . 油气输送用焊接钢管可靠性评估方法 J . 中国安全科学学报 ,2004 ,14 4

() 9:7,10

杨桂通 . 弹性力学 M . 北京 :高等教育出版社 ,2003 . 4 5

李建国 . 压力容器设计的力学基础及标准应用 M . 北京 :机械工业出版社 ,2004 . 1 6

丁伯民 , 蔡仁良. 压力容器设计 ———原理及工程应用 M . 北京 :中国石化出版社 ,1992 . 7 7

余国琮 . 化工机械工程手册 M . 北京 :化学工业出版社 ,2003 . 1 8

曾攀 . 有限元分析及应用 M . 北京 :清华大学出版社 ,2004 . 6 9

重大危险源信息监管系统建设暨重大危险源

监管工作现场会在深圳市召开

2006 年 4 月 21 日 ,全国重大危险源信息监管系统建设暨重大危险源监管工作现场会在深圳市召开。来自全国各省、自治区、直辖市和计划单列市等安监机构负责人 ,国家有关部委、部分中央企业的有关负责人 ,共 200 多人参加了会议。

国家安全生产监督管理总局副局长、国家应急救援指挥中心主任王德学部署了进一步加强重大危险源监管的具体任务 ,并在讲话中指出 ,当前我国安全生产面临前所未有的发展机遇 ,要抓住机遇 ,乘势而上 ;进一步统一思想 ,提高认识 ,克服困难 ,开拓进取 ,积极推动和促进重大危险源监督管理工作的深入开展。他强调 ,做好重大危险源监督管理工作是落实“安全第一、预防为主、综合治理”方针的具体体现 ,是落实《安全生产法》和“十一五”规划纲要的需要 ,是企业强化源头管理 ,夯实安全管理基础的重要手段 ,是安全监管部门依法履行安全生产监管职责的重要内容 ,同时也是坚持 “以人为本”,实现安全发展的必然要求。王德学提出了推动各地和中央企业重大危险源监管工作深入开展的 7 项具体要求 : ?要进一步坚强组织领导 ; ?抓紧完善规章制度 ; ?切实落实企业主体责任 ; ?依法实施有力监管 ; ?建立信息系统 ,创新监管手段 ; ?做好事故应急救援工作 ; ?强化培训教育工作。

重大危险源是指工业活动中危险物质或能量超过临界量的设备、设施或场所。实施重大危险源普查与监控 ,建立重大事故预防控制体系是安全生产监督和管理工作中的一项基础性工作。这次会议总结推广了深圳市等单位加强重大危险源监管体系建设 ,搞好重大危险源监控管理等方面的经验 ;分析和研究了如何创新监管思路、转变监管方式、加强体系建设、强化源头管理等有关问题。深圳市重大危险源监控管理工作始于 1997 年 ,当时作为全国六城市开展重大危险源普查监控试点城市之一 ,在重大危险源普查登记和监控试点方面做了大量工作。

高级工程师 , 1963 年高玉华江苏科技大学先进焊接潘游

技术省级重点实验室 ,材料学院教 5 月生。1984 年本科毕业于华南

师 ,高级工程师 ,注册安全工程师、理工大学化学工程专业 ,2000 年获

() 注册安全评价师 ,现从事安全管理该校工商管理学硕士学位 MBA。和化学工程方面的科研和教学工 1984 —2000 年在广东省劳动厅安

作。1964 年生 , 大学本科毕业。全监察处任职 ,2000 —2005 年任广

1986 —1996 年在江苏地质调查研东省安全科学技术研究所所长、省究院从事安全管理工作 ,1997 —1999 年到国外从事安全生产宣教中心主任、省劳动防护产品质检站站矿山安全、化工安全科学研究 , 2000 年到江苏科技长 ,后到广东省安全生产监督管理局危险化学品安大学工作。完成安全评价报告50 余份 ,为多家企业全管理处任处长 ,兼任广东省安全生产监督管理协制定了应急救援预案。已在国内外发表学术论文会秘书长。主要从事安全生产监督管理、企业安全 25 篇 ,参编教材 4 部。文化、生产事故调查分析技术及应急预案编制等相

关方面的研究。主持完成省部级科技项目3 项 , 获

国家安全生产监督管理局科技成果奖、广东省科学张乐乐副教授 , 博士。1973 年

技术奖等省部级三等奖 3 项。在国内外期刊上发表 12 月生 , 2001 年于燕山大学获工

中英文学术论文10 余篇。学博士学位 ,同年进入北京交通大

学博士后流动站从事研究工作 ,

讲师 , 硕士。江苏镇江2003 年留校 ,现于安全技术及工程张征

学科从事教学、科研工作。先后主人 , 1964 年 1 月生。1982 年 9 月 —

研国家自然科学资金项目“基于样 1986 年7 月 , 就读于江苏科技大学条有限条的柔性制管系统仿真技术研究”,河北省自管理系 ,并获学士学位。后留校任然科学基金项目“冷弯成型 CAD/ CAM 一体化和网教至 1991 年 7 月 , 1991 年 7 月 — 络化技术的研究”,且均已顺利结题。目前参与铁道 1994 年6 月就读于江苏大学工商学

( ) 部项目“铁路机车轨道车在城区限制鸣笛的办法院 ,并获硕士学位。1994 年 7 月 —

2003 年3 月 ,在中国农业银行镇江市京江支行工作。研究”和“机车单司机作业条件标准研究”。在国内

外发表论文10 余篇 ,其中被 EI 收录5 篇。 2003 年5 月至今 ,在江苏大学工商管理学院任教 ,为

本科生新开设《管理系统模拟》《、网上支付与电子银

行》等课程。1985 —1987 年 ,参加中国船舶工业总公助理研究员。1972 年张泽江

司“成组技术”课题 ,并获部级科技进步三等奖。生 ,1994 年本科毕业于南京理工大

学环境工程专业 ,1997 年硕士毕业

于该校应用化学专业 ,2005 年博士梁政南华大学建筑工程与资

毕业于中国科学院研究生院应用源环境学院工程师、实验师。

化学专业。目前于公安部四川消 1964 年生 ,1986 年毕业于湖南工学

防研究所科技处工作 ,主要从事建院安全工程专业。1986 —2002 年筑防火基础理论、防火保护新技术以及新型阻燃材任职于核工业部第六研究所 ,从事料研究。主持了2 项部级项目 , 担任国家科研院所辐射防护、通风除尘及安全与环境

影响评价科研和技术开发工作。公益性项目“古建筑物清洁防火保护技术研究”副组

长。参加国家“十五 ”滚动“地铁火灾场景特性研 2002 年至今任职于南华大学 ,主要从事安全与环境究”“、973”项目“高效清洁阻燃新技术原理”等课题评价的科研及实验教学工作。负责或参与多项省部

() 的研究工作。至今已在《中国科学 B 辑》“, Chinese 级科研项目 ,获核工业部科技进步二等奖1 项。多项

环境评价报告书通过省部级鉴定。在国内外期刊上 Chemical Letter”和《无机材料学报》等国内外相关刊

发表论文数篇。物上发表50 多篇专业技术文章。

范文二：圆柱形容器环缝错边量的讨论

圆柱形容器环缝错边量的讨论

2OOO年第3期(总85期)

【\

圆柱形容器环缝错边量的讨论

张永田王家斌丁H辞7

[提要]:本文对压力器制造中经常迂到的错边量进行了分析,给出了错边容限.

关键词:堕坌应力窒堡,雩

在压力容器的制造中经常遇到错边量的问题,用,是局部薄膜应.我们知道,这种应

力显然

尤其是封头与简节对接环焊缝的错边.厚壁封头的制造技术不高,难免出现错边.伊忮口?某厂生

球形封产的1800x6400x125mill高压分离器,

头与筒节的最大错边量为20.5mm.?~8OOx 15OOOxloomm高压换热器壳体,球形封头与简节的最大错边量是12mm.按当时JB741—80标准要求,错边量6?0,1黾I+1,且不大于6into,显然不合格.但这二台容器却运行了二年半,没有发现问题.按现行GB150—89标准A类焊缝为 6?8,且不大于10mm,B类焊缝为6?8l, 且不大于20mm.例1,封头无直边为A类不合

类,只差0.5mm就要不格.例2,封头有直边为B

合格了.为此本文来讨论错边量的容限,着重对高压厚壁容器错边进行分析.

1应力分析和评定

1.1环焊缝错边引起的附加弯曲应力

由错边量引起的应力只在局部范围内起作是具有二次应力的特征,但出自偏于保守的考

虑,仍将其戈为一次应力.

文献按简体—焊缝圆环一简体进行解析计算,并与有限元计算及实测应力数值相比较,三者基本吻合.解析回归得到错边引起的应力集中系数为?

f点=l+2.713bR蚪一?iK1+0,8384b尺8"'….."() 错边引起的附加弯曲应力值与错边量b呈线性关系,与壁厚8成负一次方关系,而半径R影响不大.

据文献,若局部最大错边量为b(图1—a】, 从安全考虑,将其简化成整圈错边(图1—b). 总体轴向薄膜应力为

婴……………………………………(2) 据文献11]将圆筒沿纵截面截出单元宽度的板条,即将轴对称错边问题简化成错边梁问题.文献锐错边量jl起的附加弯曲力矩慨=,是 7MP日以上时;

?当容器直径与壁厚比值较小如16以下或因厚度太厚难于制造时;

@当容器为多层结构或较复杂结构时; ?当容器尺寸较大需在现场建造时; ?当容器承受交变载荷C压力,温度)时. 7结语

参考文献

【I】GB150-89(锕翩压力容器)第一,三册,全国压力容器标准化技术委员会1989年3月.

[2】J84732-95(钢制压力容器—分析设计标准>及标准释

史,全国压力容器标准化委员会1995年6月. [3】吴{犟炜教授主编(化工容器设计)

_4j丁伯民:分

式比较及来谭".(化工设备设计)1989年4月一过2设计的觯性及………市局限性,分析设计能够解决常规设计难以解决的一

码:l634:1.:9i……一

问题,并具有科学性,安全性和经济性.

一t麓采)

局部最大错边b

圉1

(b)整圈错边b

不正确的,应为

眠=口.86………………………………"(3) 于是由文献附加弯曲应力为

訾……………………(4)

圉2

曲应力的影响

忽略不计,是不符合生产实际的,也不符合国内外规范的要求.据有关的国内外的规范要求,出现的错边应采取至少斜度l:3的过渡,即用打磨, 堆焊和其它方法达到.对高压厚壁容器,由错边引起的过渡宽度就比较大.由于采用了圆滑过渡的办法,将对由错边引起的附加弯曲应力有—个削弱作用.设0弱系数为,即

口r:旦生叮.……………,………f51 '5'

如果把焊接金属看成母材.现在的焊接技术和探伤技求是可以达至?的.只是控制焊接残余应力的数值不要过大就是了,且对错边量采取大于斜度1:3的圆滑过渡,过渡后不产生峰值应力就可以认为焊缝处壁厚加厚了,即由8变成了6舶. 过渡前簧

过渡后2P(丽R

过渡后对错边量产生的附加弯曲应力的削弱系数为

t;一

口.8"

田3

1.2球形封头与筒体在环傅缱处的遗?应力边缘应力都有一个其阿的特饲:.即影响范很小.这些应力鼠存在{一连接处附近的局部区域,离开连接处稍远一些.它们就沿着圆筒的轴线呈波形迅速衰减.,趋r零..边缘戍力确n限性.

由文献钿道球纠』简体也体结构,f: 连续弯矩为

刍……(7)

对于一般钢材肛,3,边缘应的彰响范剧为?2.5,.

设球形封头}_I勺d边戳为^.fiff;僻蛛骺封头与简体的结构不连续缝处5I起的鹰钮为一

蔷…一……

焊缝处的边缘应力为

?………….一.…(}0J

由文献知边缘处可能仃毳:曲膨7J壤-扣系数丘不超过1.3.则边缘f艇疗:的最夫鹰艘应力为

al_3%一…-.-………

口叮_(12)

1.3应力评定校核

由错边量引起的附加应力楚一出力壕硒瓤应力校核.局部应力为

一

j{一

2O00年第3期(总85期)

0-L=05…………………………,…,…,一…一…(13)

叽?1.5[]……………………………(14) 式中,1l,为焊缝减弱系数,[]为许用应力.

],则?[口] 令环向膜应力0-0=[口

[]=2一……………………一…(15) .

.口

乌堂?1.5x20-,p

6?…………………………..(16)3, 由此可见考虑削弱系数,后,错边量的容限可以放大.

球形封头与筒体环焊缝除错边量引起的应力

和边缘应力外,还有焊缝残余应力,按照压力容器缺陷评定规定,对焊后没有进行整体热处理的容器取叮]--0.60-,;对于进行焊后热处理的按实际情况取值.据文献振动法消除焊缝残余应力为50~54%,且热处理的方法比振动法要好,据实际情况热处理的方法消除焊缝残余力为60— 70%,但对于高压容器一般只采用热处理的方法.为了安全考虑取有消除应力处理的焊缝残余应力为

]_3……………………………-(17) 没有为

0-s=O.6……,…………………………(1s】对于?类高压容器一般都采用消除焊接残余应力的热处理,但残余应力有时效作用,随压力容器服役时间增JJnNNeJ,. 因此环焊缝所承受的轴向总应力为

0盯+盯6++a………………………一?(19) 据安全性概念得:

?3[口]………………………………(2o) .

[口],安全系数,叮|屈服极限,lll=|. 6,设0--1[口,0-,=1.6[0-] .

.or,=3.2o',p………………………………… (21)

没有焊后消除应力处理,没有考虑采取斜度大于l:3的圆滑过渡对由于错边引起的附加应力

的削弱得:

0-,~~-0-,~1t3o',p+O?6x三?3x2 .

6?8(0.617—0.32)………………………(22)

一

l2一

错边容限应同时满足0-L~<1.5l口J'和口?3l

得

r6?{8

一

,…………__…?

有斜度大于1:3的过渡,没有消除应力处理得:'

譬1.36x三?3咖

6?8×:!坐=:丝…………………c23) 0.3830+0.32

与公式(A)同理得错边容限为丢s1b?8::墼…………………(B) Lo-383o.32

有消除应力处理,没有过渡得: 等1-30-9+0_33x2 .

b?8(o.617一)………………………【24) 与上同理得:

?一0.16.

…………

有消除应力处理,有过渡得:

譬l-3吣3×?3咖

6?8×………………(25)0383 .

山+0.16,

与上同理得:

f6?18

融黜蛊等

由公式(A),(B),

列于表1.

(C),(D)得错边容限值

在压力容器的制造中,筒节与筒节,筒节与球形封头或椭圆封头间环缝错边量可采用表1的数值作为参考,如不满足时,需对它进行应力分析予以判断.

2错边的处理和实例

日本工业标准<压力容器构造——另一标准)规定,用A类及B类接头,焊接不等厚板的

《一重提采》

袅1

错边客限b

焊撞结构操伤比例焊缝系数

公式(A)公式佃)公式fc)公式(D)

双面焊10o%l_OO29'o8O.42258O33338oj8 双面悍?2O%n850240580.31678n33338058 双面悍00-700159980l9O380-33338056 带垫板单面焊1?%0900261480.3540813.333380.58 带垫板单面焊?2O%0.80啦!7080,277I80-33338n58 带垫扳单面焊00.650.I24780H2580333380.58 不带垫扳单面焊?20%n700.159980-l90380-33338058 不带垫板单面焊00-600D83780O91380-33338058 对接接头时,表面错边超过较薄一侧板厚的1/4

或3.2mm时,应按斜度大于1:3把厚板加工成斜

面.在这种情况下,可把焊缝金属的一部分或全

部作为斜面的一部分.可用堆焊方法堆焊成斜面

形状.

对于等厚板的双面锗边或不等厚板的单面或

双面错边都应采取母材或焊接金属的办法作成斜

度大于1:3的圆滑过渡.采用焊接金属过渡的,

应对堆焊金属作射线或超声波探伤,并且应根据

实际情况决定是否作消除应力的处理.

例1,ol800x6400x125高压分离器,球形

封头与筒节的过渡,如图4所示.

囤4

例2,0800x15000~100高压换热器壳体,

球形封头与筒节的整圈错边是12mm的处理.如

图5所示.

3结语

(1)本文分析了错边引起的附加弯曲应力, 球形封头与简体边缘应力和焊接残余应力对环焊囤5

缝的影响应同时满足?LS~r]和?3[?.

(2)给出了筒体间和简体与球形封头或椭圆形封头间的错边容限.

(3)本文对生产中出现的错边量的处理提出了理论依据和处理办法.但并不是放松对压力容器的质量要求,还应按GB150—89进行制造,只是对个别情况的处理提出了依据.

参考文献

【II"压力容器椭圆封头与简体环缝错边容艰的撵讨, (化工机械)1991年第1期.

【21'化工容器设计)华东化工学院,浙江大学台塘.吴泽埔主编,琚定一审两.

【3]振动法靖踪残余应力的应用实例",(压力容器) I991年第3期.

【4】"环缝错边的目柱形害器应力场分析和容限撵讨", '压力容器)1986年3月f回:16

些苎里塑i?墨旦

作者:大庆石油管理局甲醇厂工程师{黑芘扭省大庆市虾破蝙码:16341I话:0459—5691/)77) 一

13—

范文三：一底面积是125cm2的圆柱形容器水

一底面积是125cm2的圆柱形容器水，静止在水平桌面上，现将含有石块的冰块投入此容器中，恰好悬浮，此水位上升了4.8cm(没有水溢出)当冰块全部溶化后，容器底部所受的水的压强改变了44.8Pa，容器的质量和厚度不计，g=10N/kg,冰的密度=0.9*10?3?kg/m3，水的密度=1*10?3kg/m3 求:石块密度

物体进入水中，未融化时，V排=125*4.8 = 600 cm^3 F = ρgV排 = 1 * 10 * 600 * 0.001 = 6N(此处进行了单位换算) 此时，由受力分析，容器底增加压力为6N。

融化后，容器底部所增加的水的压力为: P= 125 * 0.0001 * 44.8 = 0.56N

压力的变化是由于冰融化后，体积减小造成的。

P = ρ水g(V冰-V水)

即 0.56 = 1 * 10 * (V冰-V水)*0.001

(V冰-V水)= 56cm^3

由质量守恒，ρ冰V冰 = ρ水V水

综合上面两式得到，V冰= 560cm^3

V石= V排 - V冰 = 40cm^3

又因为悬浮 F浮=G石+G冰

G石= 6 - 0.9*560*10*0.001 = 0.96N m石= 0.96*1000/10 = 96g

ρ = m/V = 96/40 = 24g/cm^3

范文四：偏心圆柱形电容器的电场

偏心圆柱形电容器的电场

第17卷第11期

1998年l1月

大学物理

C0U正GEPI删CS

偏心圆柱形电容器的电场

游荣义

(集美大学航海学鼯面三建厦门361021) Vd.17ND11

Nov.19蚺

0{f0

摘要利用复数坐标系=平面的分式线性变换,讨论了偏心圆柱形电容器内的电场

分布概括了平行圆柱

形电极间电场分布的一般性结论. 关t词偏心圆柱;线性变换;电场分布分类号ii1一——

平行板电容器其实可视为圆柱形电容器的一

种特例:一个外,内半径分别为R和R:,长

其电容为C=27reh/ 为h的圆柱形电容器,

tn(R./R2),由于(R.一R2)2—川一般总能满足,将ln(R.:)按级数展开为[(R.:)一1] 一

[(R./R2)一1]/2+[(R/R2)一1]/3一…, 取一级近似有C?2?,DhR2/(RI—R2)=,0S/ d.其中S为电容器极板面积,d为两极板间

距.C正是平行板电容器的电容.

1电容器内电场分布

设有"无限长"圆柱形电容器,外,内柱横截面半径分别为R和R,两柱的轴线平行,但偏心相距为L,且L<R一R2.内柱带电为平面

》

图l电容器横截面

收蔷日]蛆:1997—10一l0;謦回日]蛆:1998—05—19

Q,外柱带电为一Q如图1,C和c2分q是外柱和内柱的横截面圆.今取外圆C.的圆心为z 平面的坐标原点,两圆连心线为z轴,轴上4, b两点是两圆镜像对称点,其坐标分别是z.和 z2.由对称点的定义可得…

z1z2=R(1)

(z一L)(X2一L)=R;(2)

整理后有

[(L+R一R;)一

(L+R一R;)一4R]L]/2L(3) .

762:[(L+R一R;)+

~/(L+R—R;)一4R]L]12t(4) 其实式(1)和(2)也可用电轴法求得]. 由于分式线性变换具有保圆性和对称点不变性,故作分式线性变换

}:—(5)

Z—X2

则在f平面,两圆变为同心圆,见图2.

为了求电场,需求出r平面上两圆的半径 R.和R2.为此可在z平面上分别取图c.上一

点=一R(也可取=R),和取圆c2上一

点z=L+R2(也可取=一R2+L)代人式

大学物理第17卷

c平面

目2

并取

(L+

的

模

得

Rz,-~?…

尺-=瓦可

式中A=R+Ri—L,B=2R.R 筹y2(z—z1)+…

整理后得方程

一

卜22Y_[f,【—一—_i='J一l——j}r丁J

(12)

式(12)是一个圆方程,圆心坐标是

(c2/i丁--/2,.),1.自式

(6)(11),图1两_圆与z轴交点(场域的横向边界)计算.不难求ttl:K总是大于l,且有 (7)署?K?詈(7)?K?

由于两圆在平面是同心的,则电场分布具有轴对称性,故可用静电场的高斯定理求出两圆之间的场强为

E=『2E0P(8)

其中^是圆柱每单位长度电量,P是平面上的极坐标.回到z平面有

弊?专

式(9)即为电容器内的场强分布.为求电势分布,不妨假设外圆柱上的电势为零(接她),?4两柱间任意点P处的电势为

dp=警=ch一

InP)[InR1一Re(Ine)]

回到,平面

InR'x-ReIn羞)]=

矗[h+吾h]c

式(1O)便是偏心圆柱形电容器内电场的电势分布,其中R由式(6)确定.

2等势线方程

欲求等势线(其实是等势面)方程,可令式对应于等势线圆的圆心坐标在(O,0)和(L,0) 之间变化,而圆的半径在尺=尺一尺:间变化. 当K最小时,圆心在(0,0)处,半径尺=尺1;当

K最大时,圆心在(L,O)处,半径R=尺2.可见等势线是一系列沿+z方向偏心的圆.每一等势线圆对应一个K值.

3电场线方程

然而,在平面上,等势线是一系列同心圆,而电场线是一系列直射线.所以在}平面上电场线方程的极坐标形式是

常数(为辐角)(13)

则由式(5)有

l一'z—I1J+lyfe

求得

.retg-~m'etg若(14)

回到z平面,当=0时,有1=0和2= 两个解,代表横轴上仅有的两条直电场线.参见式(13),令

【zI—z2J—

(z—z1)(z—z2)+y2n

整理后得方程

[z一]+[一]=

第n期游荣义:偏心圆柱形电容器的电场兰2二!!?(15)

可见,电场线也是一系列的圆(实际是圆的一部分弧,直线是圆当半径为无限大时的极限).对电蛹线可作如讨论:

'1)由式(15)可以看出i圆心坐标是

l牮,兰l,说明4圆心都位于两对I1'l……,,'

称点0,6连线的中垂线上.注意是可正可负

的.每条电场线对应一个值.

2)由式(15),当Y=0时,可求得3;7的两

个解分别是3;7和3;7,这正是两对称点所在处,

可见每一个圆都必定要同时经过轴上0,6

两对称点(因是镜像点,实际是电场线的延长线

经过),这是可以预期得到的结果.

4结语

以上讨论具有一般性意义.实际上,上述结

论对所有平行长圆柱形电极的电场分布都是成

立的.不管两电极是同轴的,偏心的,还是远离

不相套的.由式(9),可方便地求得圆拄表面的

电荷分布以及该电容器的电容值….本倒电容

器内的电场分布参见图3,其中虚线为等势线,

实线为电场线.

/'J田3电窖器内电场分布圈.

5参考文献

1集昆森.数学物理方法第2版北京:^民教育出版杜

1978459

2冯慈璋.电磁厮.北京:人民教育出版社,197954 1?【EELECTRICnELDINsIDEABIASR0UND—p0IICAPAa?D喂 YouRongyi

(Naxugatk:~Institute,JimeiUniversity,Xiamen.nim,361021,Chi~)

Abstr~tUshlgthelinearconversioninthecomplexcoordinatesystem,thedistributionofthe

electricfieldinsideabiasround—poleca~citorisdiscussed.

Keywordsbiasround—pole~linearconversion;electricfielddistribution

(上接7页)

AtB-neans0ftheacti.nsL=s()afunc如nof小e删natesatthe

upperlimitofimegrationanditsuncertainty,thek~.algaugeinvariance一isequivalentto=

e-isderived.

KeywordsLagrangianfuntion|uncertainty;10calgaugeinvariance

范文五：成像法测定圆柱形、球形透明固体及透明液体的折射率

成像法测定圆柱形、球形透明固体及透明液

体的折射率

18物理与工程Vo1.13No.62003

成像法测定圆柱形,球形透明固体及透明液体的折射率

李耀宗

(成阳师范学院物理系,陕西成阳712000)

(收稿日期:200305—20)

摘要介绍了成像法测定圆柱形,球形透明固体及透明液体折射率的原理及方法,分析了测试结果的不确定度.

关键词移测显微镜;折射率;成像法

AMETHoDToMEASURINGTHEREFRACTIVE INDEXoFTRANSPARENToN

CYLINDERoRSPHERE

LiYaozong

(DepartmentofPhysics,XianYangTeacher'8College,Xianyang.Shaanxi.712000)

AbstractInthispaper,weintroducedthemethodandprincipletomeasurethe

refractiveindexoftransparentincylinderandsphere,andthenanalyzedtheerror

range.

KeyWordsremovedmicroscope;refractiveindex;methodwithproducingpicture

1引言

传统的透明固体及透明液体折射率的测

定,一般通过角度的测量来实现[3],且适于具

有某一平面的样品.而角度的测量一般较难

进行,测量过程往往很复杂,且测试范围窄.

利用折射成像原理可实现圆柱形,球形透明

固体及各种透明液体对各种颜色光折射率的

测定,且方法简便,精度较高,测试范围较宽.

2测试仪器,用具及测试样品

移测显微镜;薄壁玻璃管;单色细线;圆 ;

柱玻璃棒;毛细玻璃管;纯净水;乙醇

3测试原理

3.1圆柱形,球形透明固体的折射率

用移测显微镜先测出某一单色线的宽度 h物,再将透明圆柱或球平行正压在该线上,测出其像的宽度像.图1是圆柱形,球形透明固体对细线成像的光路图引,,,,,,,为主光轴,线作者简介:李耀宗(1964年出生),男,陕西礼泉人,讲师,咸阳师院物理系基础物理教

研室主任.主要从事基础物理教学及研究工作

物理与工程Vo1.13No.6200319 图1圆柱或球形透明体对刻痕成像的光路图位于A处,像成于B处.根据折射定律,近光轴成像时满足

+一,一—r(1)

其中为空气折射率;为透明球和圆

柱固体对该色光的折射率;r为圆柱或球的半径,U,分别为物距和像距;为第二焦距. 取作1,2取作,则

U+号一,一r(2)r一1

于是物宽与像宽满足

等一AP一f22r一2(3)^物一一…

于是

(4)^

像+^物…

3.2圆柱形毛细管玻璃的折射率

用移测显微镜从截面处先测出毛细管的内径h物,给毛细管内注入某种单一颜色的液体,再从侧面测出内径的像宽h像.其光路图如图2,此时U一一r,由(2)有—r则一

OM—

OF—

一一

^物ABAF2一r"

于是

一

^物

图2圆柱形玻璃毛细管对内管成像光路图 3.3透明液体的折射率

用移测显微镜先测出某一单色线的宽度 h物,再给圆柱形薄壁玻璃管(孔径3cm)内注入待测液体,用类似于测圆柱形透明固体折射率的原理可得到液体的折射率为 ,)L

液一(6)

凡像十凡物

不考虑薄玻璃管对近光轴成像的影响. 4测试检验

4.1测玻璃圆柱棒的折射率

先测出蓝色印刷线的宽度,再将圆柱玻璃棒平行正压在该线上,测出其像的宽度,转动玻璃棒重复测量,由式(4)可算出圆柱棒玻璃的折射率,如表1.玻璃球折射率的测定完

全类似,故略.

表1圆柱棒玻璃的折射率(蓝光)

4.2测毛细管玻璃的折射率

先从截面处测出毛细管的孔径,使其吸人蓝水,再从侧面测出毛细管的像宽,转动毛细管重复测量,由式(5)可算出毛细管玻璃的折射率,如表2.

表2毛细管玻璃的折射率(蓝光)

(5)4.3测水及乙醇(95%)的折射率

给圆柱形薄壁玻璃管内注入待测液体代替4.1中的圆柱玻璃棒进行测量,由式(6)可算出水及乙醇的折射率,如表3. 表3水及乙醇的折射率(蓝光)

20物理与工程Vo1.13No.62003 5分析

5.1公式【2)中两式不确定度[1的分析由于细线及毛细管孔径相对于棒和管的外径小得多,其比值小于0.1,而(2)中两式的一:一'

相对不确定度主要来源于和

II"1

—.其值约为2.7×10,很小,故可认II1Z2 为公式(2)对测量结果的不确定度无贡献. 5.2薄壁玻璃管成像对测试影响的分析比较线的宽度与空的薄玻璃管对线所成的像的宽度,其相对偏差小于0.1,小于相对不确定度,故可不考虑薄玻璃管成像对测试结果的影响.

5.3波长对折射率的影响

介质的折射率与光的波长有关,为提高测试的精度,可用某种单一颜色细线,例如蓝色的.毛细管内也可注入某种单一颜色的液体. 5.4测试结果的不确定度

由以上分析,测试结果的不确定度主要来源于细线及其像的宽度.在满足近光轴成像的条件下,细线越宽,精度越高.也可通过增加测试次数降低不确定度.圆柱棒及管的不规则性,对测试也有影响.可通过转动位置,多次测量,减小其影响.

6结论

用成像法测试圆柱形,球形透明固体及各种透明液体对各种颜色光的折射率,原理清晰,使用仪器少,操作方便.只需测量两个宽度,即可给出折射率,测试范围宽(1.0, 1.8),结果可靠.

参考文献

[1]杨述武.普通物理实验[M3.北京:高等教育出版社,

2000.1],18

E23胡新珉.医学物理学[M].北京:人民卫生出版社, 2001.228,230

[3]宋家鳌,王立.大学物理实验[M3西安:陕西人民出版

社,2002.131,135

(上接第11页)

E一一塑一一二!.r7c

R4-2RrcosO)…)(

一

)(.…

一一.一——一'

R4-2Rrcos0(12)( r.)().…

总电场强度的大小为

E—v,E+

2(Ul,U2)R+r+2R.r:CCs20 7c(R.一r.).4-(2Rrcosg). (13)

由(11),(12),(13)式可计算两半圆柱面电极内任一点的电场.

对于中心处,一=

妄,—o,E7cR',…0,0—0.E,一

如果7cR'….,

R不变,改变(L,一U:)的大小,可改变电场的大小.取R一1CFI],(Ul—U2)一10V,则E一 0.64×10V/m.

,一一娶时,计算了几个不同角度的E值见下表.

0(.)O153O4560759O F

r2(U1一U2),0

.800.820.870.971.111.251.33L

不R,

进一步的计算表明,尽管半圆柱面形电极内的电场大小不是均匀的,但基本上都在同一个数量级范围内,这对于既要能够适应生产工艺要求又要能够满足基本均匀的电场的条件,采用该电极应该说是可行的.

参考文献

[1]白亚乡,胡玉才,徐建萍.物理技术在食品贮藏与果蔬保鲜中的应用.物理,2003,32(3):171 E23包德修,罗耀煌.静电场的分析与解法.云南人民出版社,1984.205

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