考試試題

在審核人考試的時(shí)候，有個(gè)學(xué)員答辯出來(lái)后，悶悶不樂(lè)+憤憤不平，說(shuō)老師問(wèn)的問(wèn)題，都是書(shū)上沒(méi)有的，不知道答案在哪里，

2017年壓力容器設(shè)計(jì)審批人員培訓(xùn)考核班圖紙答辯試題

比如有一道問(wèn)題是：

為何GB150.4規(guī)定，熱處理的出爐溫度不得高于400度？

“標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的啊”，他說(shuō)

“那為什么不是500度，不是300度？”，老師追問(wèn)

“這.......”

他和我吐槽的時(shí)候，我也不清楚這個(gè)問(wèn)題的答案是什么，心里暗暗慶幸，老師沒(méi)有問(wèn)這么"刁鉆"的問(wèn)題。

當(dāng)時(shí)甚至和學(xué)友的感覺(jué)一樣，這算是什么問(wèn)題啊~

直到有人說(shuō)，壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程上有答案，是為了防止過(guò)大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊件變形或損壞，產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。

老師果然是水平高，教程翻了好幾遍，這行字真是沒(méi)有注意過(guò)。

熱應(yīng)力真有這么大的危害嗎？

厚壁圓筒的理論溫差應(yīng)力分布

對(duì)于無(wú)保溫層的高壓容器，若內(nèi)部有高溫介質(zhì)，內(nèi)外壁必然形成溫差，由于內(nèi)外壁材料的熱膨脹變形存在相互約束，變形不自由，就導(dǎo)致出現(xiàn)溫差應(yīng)力。

比如內(nèi)壁溫度高于外壁時(shí)，內(nèi)層材料的熱膨脹變形必然大于外層，而內(nèi)層變形又收到外層材料的限制，因此內(nèi)層材料出現(xiàn)了壓縮溫差應(yīng)力，外層材料出現(xiàn)了拉伸溫差應(yīng)力。

厚壁圓筒的溫差應(yīng)力是彈性力學(xué)中的典型問(wèn)題，其推導(dǎo)過(guò)程與拉美公式推導(dǎo)有許多相似之處。也必須應(yīng)用幾何方程，物理方程，微體平衡方程和邊界條件。

壓力容器設(shè)計(jì)的教材中有詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程，其結(jié)論見(jiàn)下表：

公式對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布圖如下：

獲得厚壁圓筒三向熱應(yīng)力分布圖

那么如何在ansys軟件中得到這張圖呢？

我們繼續(xù)在昨天的模型里參數(shù)，在筒體內(nèi)表面施加400°C的溫度，在外表面施加0°C的溫度，看一下應(yīng)力場(chǎng)分布是否和教科書(shū)上的理論解相似。

溫度場(chǎng)分布如下圖，內(nèi)表面400度，外表面0度。

米塞斯應(yīng)力分布如下圖：

徑向應(yīng)力如下圖所示：

周向應(yīng)力分布如下圖所示：

軸向熱應(yīng)力分布如下圖所示：

繪制沿壁厚方向的三向熱應(yīng)力圖：

在EXCEL中繪制理論解的圖示：

對(duì)比一下，是否圖形非常接近？

其使用的數(shù)據(jù)如下：

從圖中可以看出熱應(yīng)力分布的特點(diǎn)：

1. 熱應(yīng)力大小與內(nèi)外壁溫差成正比

2. 熱應(yīng)力沿壁厚方向是變化的，內(nèi)部受壓縮，外壁受拉伸。

熱應(yīng)力造成的危害

熱應(yīng)力竟然有那么高，那么很多設(shè)備豈不是很危險(xiǎn)？

其實(shí)也不是，本例子是強(qiáng)制在內(nèi)外壁設(shè)置了400度的溫差，實(shí)際上，由于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比較好，而且一般高溫時(shí)，設(shè)備有保溫，所以大多數(shù)時(shí)候，鋼件的溫度是均勻的，熱應(yīng)力可以忽略不計(jì)。

而沒(méi)有保溫的時(shí)候，由于溫差過(guò)大，造成熱應(yīng)力過(guò)大，甚至?xí)斐稍O(shè)備的損壞。

案例見(jiàn)：

走近科學(xué)-減壓塔加強(qiáng)圈斷裂之謎

減壓塔往事

那么什么時(shí)候可以忽略溫差應(yīng)力，教科書(shū)上的回答很全面：