压力容器常见结构的设计计算方法

第三章压力容器常见结构的设计计算方法常见结构的设计计算方法4.1圆筒4.2球壳4.3封头4.4开孔与开孔补强4.5法兰4.6检验中的强度校核4.1.1内压圆筒1）GB150中关于内压壳体的强度计算考虑的失效模式是结构在一次加载下的塑性破坏，即弹 性失效设计准则。2）壁厚设计釆用材料力学解（中径公式）计算应力，利用第一强度理论作为控制。 轴向应力：6常1）口= D - p24pD环向应力：（取单位轴向长度的半个圆环）盯= pR 甬 8= RpPRp-D校核：0=0 , 0=0,0 =0192z1009t96zp,o9oo22r +i22r0=00=0922 启= 0=0III13II1I13r=0 0=0 口号T x-=r -io =IVi 2=、pD2）弹性力学解（拉美公式）讨论：1）主应力方向？应力分布规律？径向、环向应力非线形分布（内壁应力绝对值最大），轴向应力均布; 2）K对应力分布的影响？越大分布越不均匀，说明材料的利用不充分； 例如，k=1.1时，R=1.1内外壁应力相差10%；K=1.3时，R=1.35内外壁应力相差35%；4常见结构的设计计算方法2）弹性力学解（拉美公式） 主应力：0 =0 屈服条件：1&十0 4竝1=0 0 对应的极限压力：疋亠1(0 +0 )23fy6K: : :X:K：K：K：C：K：K：K：-：-：X：X：-：M：=：3）GB15 0规定圆筒计算公式（中径公式）的使用范围为：p/。W0.4（即W1.5） 412外压圆筒1） GB150中关于外压壳体的计算所考虑的失效模式：弹性失效准则和失稳失效准则（结构在 横向外压作用下的横向端面失去原来的圆形，或轴向载荷下的轴向截面规则变化）圖筒形壳休失去稳是后的形狀2）失稳临界压力的计算长圆筒的失稳临界压力（按Bresse公式）：cr厂rS2长圆筒的失稳临界压力（按简化的Misse公式）：2.5Ep0定义外压应变系数6pcy=2AE 于是取稳定系数m = 3,有p_% 应变系数A的物理意义该系数仅与筒体的几何参数L、D、6e系数A是受外压筒体刚失稳时的环向应变, 有关，与材料性能无关 lE1 bbi-5:I I?:1 h I 1b Kr.lLltKsxi:舌i:曹 r 爺x5:曾 M 詐:a:rx:啤4h i11- JI J J J Lfti Lk I IstT l*L8.h-E-I-CHU-K4 ic 7f*:哥unk应力系数B的物理意义：与系数A之间反映了材料的应力和应变关系（应力），可将材料3）圆筒失稳设计稳定系数（m=3）的确定因素 计算公式的可靠性制造中能够达到的形状的精确度一圆度控制s _ tnax-man一 IC、C由试验确定，如考虑失稳压力20%裕量，可取:1 2C =0.018、C =0.0151 24.2球壳4.2.1内压球壳1）GB150中关于内压壳体的强度计算考虑的失效模式是结构在一次加载下的塑性破坏，即弹 性失效设计准则。壁厚设计采用材料力学解（中径公式）计算应力，利用第一强度理论作为控制。2 ） -p4石 4适用范围：p/。60锥壳大端允许无折边应有折边（r三10%D.且3 8 ）按平盖（或应力分析）锥壳小端允许无折边应有折边（r 5%D.且三3 8 ）3）内压锥形封头的设计计算按薄壳理论解，锥体部分的经向应力、周向应力:按第一强度理论，得到壁厚计算公式有折边锥壳壁厚计算公式:21?-蜡一 pCOS 3有折边锥壳壁厚计算公式：J- 0. 5jjf 7 .耳1 Cl- cosaD D f=3(fD =D /2)3coseic式中:臥1 afl无折边锥壳大端无折边锥壳结构的适用条件：aW30小端无折边锥壳结构的适用条件：aW45应考虑锥壳与圆筒连接处的边缘应力，在一定条件下，连接处的壁厚需进行加强，如Q p D-% = _锥壳大端与筒体连接处的加强厚度：2 2砂-卩一0.002注：a）当时，该比值取0. 002进行查图和计算。b）该公式没有考虑除压力外的其他轴向载荷。有折边锥壳适用范围：aW60。（当a60 ，应按平盖进行设计）K 尹兀百=j=_=j大端国度段厚度：_ii曲其中K=fMT Z? 册卩，兀占 =2 （? 曲一 0.2 b - 0. 5j?注：相当于将过渡段与锥壳的连接看成是蝶形封头过渡段与球冠部分的连接小端过渡段厚度：珂J曲-尸4.3.3平盖=仝maxf 21）按板壳理论，圆平板在均布载荷下的最大应力：其中，K为结构特征系数，反映了板边缘对板最大应力的影响。周边简支0.309/1.5 = 0 2060.1SS/1.5 = O.1252）平盖厚度计算平盖与筒体焊接，或与法兰焊接通过螺栓与圆筒连接，即结构介于简支和固支之间，因此结构 特征系数：0.188WKW0.309。对圆平盖的最大应力omax以1倍的许用应力进行限制，并考虑平板可能拼接而计及 焊接接头系数，则得到标准中的平盖厚度计算公式：4.4开孔与开孔补强4.4.1开孔1）开孔补强原因（目的）：弥补因开孔造成的壳体强度削弱；由于开孔引起的结构不连续，降低局部应力水平。2）GB150中关于开孔补强计算所考虑的失效模式是开孔接管结构在压力载荷作用下的高应力 水平而引起的开裂（没有考虑循环载荷引起的疲劳破坏）。3）GB150适用的开孔形状：圆形、长短径比小于2的椭圆形和长圆形；4）GB150适用的开孔范围：当圆筒内径Df1500mm时，开孔最大直径dopDi/2，且dop 1500mm时，开孔最大直径d VD/3，且d 1000mm；op rop凸形封头或球壳开孔的最大允许直径dopDi/2；锥形封头开孔的最大直径dopVDi/3 （Di为开孔中心处锥壳内直径）注：开孔最大直径dop对椭圆形或长圆形开孔指长轴尺寸。4.4.2开孔补强的结构型式及适用条件1）开孔补强结构型式1补强圏补强应遵循的条件低合金钢的标准抗拉强度下限值RmV540Mpa补强圈厚度小于或等于1.55n壳体名义厚度8n38mm若条件许可，推荐以厚壁接管代替补强圈进行补强。2）开孔补强结构型式1整体补强。采用整体补强的条件（之一）：设计压力大于4Mpa；设计温度大于350；疲劳容器；承装极度高度危害的容器；补强圈结构 不能满足。4.4.3开孔边缘的应力及其补强准则1）开孔边缘的应力2）补强准则局部薄膜应力匚保障开孔局部截面的静力强度或防止失稳弯曲应力安定性原理出发，防止结构垮塌峰值应力防止疲劳破坏3）等面积法的补强准则补强开孔局部截面的拉伸强度只涉及静力强度，不考虑峰值应力问题（不适用疲劳容器）对二次应力的安定性问题，通过限制开孔范围进行控制4.4.4等面积法开孔补强1）本质上是一种经验方法，无法在理论上证明其必然能保证开孔处结构满足强度要求。2） 内压壳体开孔所需补强面积:十（1 一叮式中一dop为开孔直径，其值为接管直径d加2倍接管壁厚附加量，d的取值：圆筒开孔，径 向a取d；斜向b取d1；切向c取do锥壳开孔同圆筒；凸形封头开孔，一律取长径。3）外压壳体开孔所需补强面积为内压的0.5倍。4）有效补强范围及补强面积一按图中矩形WXYZ范围确定iiiii iuliii月 e dei+dtart-jf)Al r 4ii + JhtAtl.典dm 上&iL吞-61A ? : Jsi -X -齡弐翻加；二血Al创尔；哲怡墟眩注口 A*i 筑M伍刊姑HI列申VhiFf&T卜强茴积；.Je Hj + H i i-H；心F体有散痺度减去计 It厚蛊之外曲器余茴稅 对安检式接管tl-0 屯一!客管有效库度减去计 算原度之外的务余简积 屯一烬绩金屢愷面积 若北眼则开孔不需勇 期补遍否则需补比4.4.5圆筒径向接管开孔补强设计的分析法a）适用范围1）适用于内压作用下具有单个径向接管的圆筒，当圆筒具有两个或两个以上开孔时，相邻两2）圆筒、接管或补强件的材料，其标准室温屈服强度与标准抗拉强度下限值之比R /R ，对于接管1，或整体加厚圆筒体；补强范围内的A、B类t嬙鯈接头不得有任鑌陷，必要时应对此提出无损检测要求；5）圆筒与接管之间角焊缝的焊脚尺寸应分别不小于J/2和5n/2，接管内壁与圆筒 内壁交线处圆角半径在6/8和6 /2之间；nnn9max 0.5, 26）本设计方法适用下列参数范围：4.5法兰4.5.1法兰的分类及标准法兰的选用1）法兰设计应考虑的主要失效模式是整个法兰接头的泄漏，还需顾及螺栓、垫片和法兰的强 度2）法兰的分类3）标准法兰的选用法兰标准主要是按工程使用经验进行编制，当选用标准法兰时，不必按Waters法进行强度校 核；标准容器法兰的公称压力是以板材16MnR在常温下的强度为依 据而制定； 标准容器法兰的最大允许工作压力应按JB/T4700的表6和表7确定。4.5.2基于Waters法的法兰设计方法1）法兰密封的影响因素：螺栓预紧力、垫片性能、法兰密封面的特征、法兰刚度、螺栓刚度、操作工况。2）螺栓法兰的设计内容确定垫片材料、型式、尺寸；确定螺栓材料、规格、数量；确定法兰材料、密封面型式、结构尺寸；进行应力校核；针对防止密封失效所提出的限定各种泄漏率的密封设计方法是非常有特色的。以致在世界压力 容器技术标准方面形成了美国ASME和欧盟13445两大体系的新格局。这些都非常值得重视和深入 研究。4.6检验中的强度校核1）例：内压圆筒体按壁厚校核按压力校核1原设计已明确所用强度设计标准的，可按该标准进行强度校核；2原设计没有注明所依据的强度设计标准或无强度计算的，原则上可根据用途（如石油、化工、 冶金、轻工、制冷等）或类型（如球罐、废热锅炉、搪玻璃设备、换热器、高压容器等），按当时 的有关标准进行校核；3进口的或按国外规范设计的，原则上仍按原设计规范进行强度校核。如设计规范不明，可参 照我国相应的规范；4材料牌号不明并且无特殊要求的压力容器，按照同类材料的最低强度值进行强度校核；5焊接接头系数应根据焊接接头的实际结构型式和检验结果，参照原设计规定选取；6剩余壁厚按实测最小值减去至下次检验期的腐蚀量，作为强度校核的壁厚；7校核用压力应当不小于压力容器允许（监控）使用压力；8强度校核时的壁温取设计温度或者操作温度，低温压力容器取常温；9壳体直径按实测最大值选取；10、塔、球罐等设备进行强度校核时，还应当考虑风载荷、地震载荷等附加载荷。 对不能以常规方法进行强度校核的，可以采用应力分析或者实验应力测试等方法校核。