《压力容器分析设计基础》课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,压力容器分析设计基础,压力容器规则设计与分析设计,应力分析设计方法概要,压力容器分析设计基础压力容器规则设计与分析设计,1,压力容器规则设计与分析设计,1、规则设计,2、分析设计,3、规则设计与分析设计的比较,压力容器规则设计与分析设计1、规则设计,2,1、,规则设计,设计准则,弹性失效准则容器只有完全处于弹性状态时才是安全的，一旦结构内某点计算的最大应力进入塑性范围，即达到或超过材料的屈服极限，就认为整个容器失效。,依据：静载构件、平均应力,1、规则设计,3,1、,规则设计,缺点与局限性,由于不考虑可变载荷对容器各个部位引起不同的应力与变形，故无法进行疲劳分析和预计寿命，亦不能推测失效起源于何处。,弹性失效并不表明容器的承载能力已经耗尽。不同性质的应力取同一应力评定判据是不合理的，这对设计复杂结构的大型容器很不经济。而有效利用结构的塑性行为已被证明是可行的。,取较高的安全系数无疑掩盖了失效的实质。其结果增加了材料消耗和制造成本，而对容器安全有时适得其反。,1、规则设计,4,2、分析设计,设计准则,塑性失效准则只有当结构沿厚度方向全部屈服时，结构才失效。,疲劳失效准则一定许循环应力幅作用下的构件，只有其循环次数超过允许的最大循环次数后，才会发生疲劳破坏。,2、分析设计,5,考虑了超出弹性范围以后结构的塑性行为，放弃传统的弹性失效准则。引入极限分析与安定分析概念，采用塑性失效设计准则。,应用电子计算机技术和实验测试技术，对复杂结构的容器整体，包括任何不连续区域都可以做详细的弹性应力分析与计算。,按不同性质的应力分类和失效形式给予不同的限制条件。机械应力以极限载荷为界限；不连续应力或热应力以安定载荷为界限。当反复受载需作疲劳分析时以疲劳试验应力幅为界限。,引用虚拟应力概念可以方便地对高应变区作弹性分析。,2、分析设计,先进性,考虑了超出弹性范围以后结构的塑性行为，放弃传统的弹性失效准则,6,比较项目,按规则设计,按分析设计,1,规范名称,GB150-1998钢制压力容器,JB4732-95钢制压力容器-分析设计标准,2,规范历史,（第一版或 前身出版年代）,1989年,1994年,3,设计压力,（最高）,35MPa,100MPa,4,设计温度,材料的许用温度,（可高于材料蠕变温度）,材料的蠕变温度以下,5,不适用工况,反复受载疲劳分析,高温蠕变,6,设计准则,弹性失效准则,塑性失效准则；疲劳失效准则,7,采用强度理论,最大主应力理论,最大切应力理论,8,应力分类,不分类,按应力性质不同分类,3.规则设计与常规设计的比较,比较项目按规则设计按分析设计1规范名称GB150-1998,7,9,应力分析方法,材料力学，板壳力学,弹性有限元法，弹性理论和板桥理论解析法，试验应力测试法,10,计算复杂性,以膜应力为基础计算，简单,各种应力均需全面计算，复杂,11,对热应力的考虑,通常与机械应力迭加,作为二次应力,12,应力评定判据,取相同判据,按应力分类取不同判据,13,基本安全系数,（最小）,n,b,=3,n,s,=1.6,n,b,=2.6,n,s,=1.5,14,材料控制（以钢板为例）,符合压力容器常规要求,比前者要求严格,许用应力分类,GB150-98,约27种,JB4732-95,约27种,15,制造与检验,按压力容器常规要求,比前者要求严格,制造资格,要有压力容器制造许可证,必须有相应的许可证，例如第三类压力容器许可证,16,综合经济性,一般结构的容器综合经济性好,大型、复杂结构的容器综合经济性好（用户需提供详细的设计任务书）,9应力分析方法材料力学，板壳力学弹性有限元法，弹性理论和板桥,8,关于材料的要求（钢板）,比较项目,GB150-98,JB4732-95,1,采用的钢板标准,GB,YB(T),冶金部推荐，技术要求较高；GB,钢板常温强度指标,高合金钢板 无,有,2,钢板超声波监测条件与合格级别(逐张),包扎容器内筒钢板 级 地合金钢板，25mm 级,16MnR,30mm 级,20R,38mm 级,包扎容器内筒钢板 级,调质钢板 级,不分材料，20mm 级,3,拉伸和冲击试验（逐张）,调质钢板,包扎容器内筒钢板,调质钢板,包扎容器内筒钢板,厚度50mm,4,最高使用温度(举例),20R,16MnR 475,15CrMoR 550,0Cr19Ni9 700,20R,16MnR 375,15CrMoR 475,0Cr19Ni9 425,使用温度下限,-20,0(低于0或10做冲击试验）,关于材料的要求（钢板）比较项目GB150-98JB4732-,9,低温用钢板最低使用温度,（最低冲击试验温度）,16MnR正火，6-25mm,-20,16MnDR正火，6-32mm,-40,09Mn2VDR正火,6-32mm,-70,06MnNbDR正火,6-16mm,-90,16MnR正火，6-100mm -20,16MnDR正火，6-32mm,-40,09Mn2VDR正火,6-20mm,-50,09MnNiDR正火,6-60mm,-70,5,钢板的韧性要求(以冲击功A,kv,表示),20R 18J,16MnR,15MnVR 20J,15MnVNR,18MnMoNbR,18MnNiMoNbR 27J,b,450MPa 20J,450-515MPa 24J,515-590MPa 27J,590-650MPa 31J,6,可否使用非压力容器用钢板,p 1.0MPa,t=0-350,16mm,可用A3或阿AY3,不可,7,可否使用沸腾钢板,p 0.6MPa,t=0-250,12mm,可用A3F或AY3F,不可,低温用钢板最低使用温度16MnR正火，6-25mm,-20,10,比较项目,GB150-98,JB4732-95,1,使用范围,单层压力容器,多层包扎压力容器,热套压力容器,单层压力容器,多层包扎压力容器,热套压力容器,锻焊压力容器,2,制造用材料应有确认标记,不明确,明确,并对使用硬印标记有限制,3,封头的形状偏差(封头内径为D,f,),检查用样板弦长不小于3/4D,f,封头深度不大于45%D,f,检查样板弦长等于D,f,封头深度大于45%D,f,一律按外压封头从严要求,封头直边纵向皱折深度不大于1.5mm,4,焊缝对口错边量,不考虑材料因素，按焊缝类别和厚度规定允许错边量。例如纵向焊缝，厚度,50mm,错边量允许3mm,增加考虑材料因素，且允许错边量从严，例如,b,540MPa,条件与GB150相同，允许错边量2.4mm,5,两板厚度不等，需要减薄的条件(薄板厚度为,2,),2,10mm，厚度差3mm;,2,10mm，厚度差30%,2,;或5mm,不分板厚，厚度差25%,2,或,3mm,制造和检验的要求,比较项目GB150-98JB4732-951使用范围单层压力,11,6,壳体直线度允差,长度 L20mm,允差2/1000;,20mmL30mm,允差1/1000,不分长短档次，允差1/1000,7,接管底部要求,没有规定,内表面转角半径r1/4壳厚，且不大于20mm,对于插入接管，r1/4管厚，且不大于10mm,8,对焊缝的接头余高,按施焊方法与焊缝深规定余高。例如手工焊，,25mm50mm,余高0-4mm,考虑材料因素与焊缝深度规定余高，例,b,540MPa,25mm50mm,余高3mm,9,焊接接头表面不应有的缺陷,裂纹、气孔、弧坑、夹渣；除规定材料不得咬边外，其他咬边深0.5mm，长100mm，两侧咬边总厂度不得超过焊缝长度的10%,裂纹、气孔、咬边、弧坑、夹渣,10,焊接引弧要求,不做具体规定,禁止在非焊接部位引弧,6壳体直线度允差长度 L20mm,允差2/1000;不分长,12,11,焊后热处理,规定需要进行热处理的材料厚度，不规定热处理方法,需要进行热处理的材料厚度同GB150,但明确规定焊后热处理方法，包括进出炉最高炉温，升降温速度和炉温均匀性的要求,12,焊接试板,规定有条件的每台容器应制备焊接试板，例如厚度,20mm的15MnVR容器，或,b,540MPa钢制容器等,每台容器至少制备一块焊接试板,13,焊缝探伤要求,规定以外的对接焊缝，允许局部探伤，检查长度,20%，且不少于250mm,合格级别；100%射线探伤、,级，,超声波探伤，级；局部射线探伤，级，超声波探伤，级,对接焊缝与厚度,65mm的角焊接头，应进行100%射线或超声波探伤。合格级别：射线探伤，,级；,超声波探伤，级,14,焊缝探伤人员资格,劳动部门颁发的资格证书,劳动部门颁发的,级探伤或级超声波探伤资格证书,15,焊接工艺规程，施焊与热处理记录等保存期,7年,10年,11焊后热处理规定需要进行热处理的材料厚度，不规定热处理方法,13,应力分析设计方法概要,一、应力性质,薄壁容器,厚壁容器,平板端盖,壳体不连续区,容器支座区,容器接管区,容器热应力,应力分析设计方法概要一、应力性质,14,一、应力性质,1.薄壁容器,应力特点：,沿壁厚均布；,平衡外载，无自限性；,外压时为压应力，需考虑失稳。,一、应力性质应力特点：,15,一、应力性质,厚壁容器,一、应力性质,16,一、应力性质,厚壁容器,为了分析应力的性质，将非线性分布的应力视为均匀分布、线性分布和非线性分布的三部分的叠加。,按合力等效原则确定,按净弯矩等效原则确定,一、应力性质 为了分析应力的性质，将非线性分布的应,17,合力等效原则均布部分,一、应力性质,厚壁容器,净弯矩等效原则线性部分,非线性部分,合力等效原则均布部分一、应力性质净弯矩等效原则线性部,18,应力的特点：,均匀分布的应力与薄壁容器中的薄膜应力具有相同的性质，来源于与内压力的平衡，遍及整个筒体，无自限性。,应力梯度实际上是由筒体内外各处变形不同引起的。源于变形协调，具有自限性。,非线性分布应力为应力梯度中的非线性部分。具有自限性，只出现在局部小范围。,一、应力性质,厚壁容器,一、应力性质,19,一、应力性质3、,平板端盖,环向应力,径向应力,应力主要特点：,应力沿板厚线性分布，最大值在板表面，中间面应力为零；,与外载荷相平衡，无自限性，随半径r不同而变化;,板的上下表面首先屈服，之后应力沿板厚重新分布。,一、应力性质3、平板端盖环向应力,20,一、应力性质4、,壳体不连续区,容器上不连续区的应力可以由薄膜应力与边缘应力叠加得出：,经向应力,周向应力,边缘应力需由壳体边缘的连续条件解出边缘剪力和边缘弯矩，然后按壳体的力矩理论得出。,圆筒形壳体边缘应力的形式为,一、应力性质4、壳体不连续区 容器上不连续区的应力可,21,