壓力容器強度計算課件

壓力容器強度計算壓力容器強度計算12主要內(nèi)容1、壓力容器設(shè)計方法2、壓力容器失效形式3、強度判據(jù)和強度理論4、圓筒的厚度計算5、封頭的厚度計算6、壓力容器開孔及補強設(shè)計2主要內(nèi)容1、壓力容器設(shè)計方法31.壓力容器設(shè)計方法常規(guī)設(shè)計：它以薄膜應(yīng)力分析和彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則為基礎(chǔ)進行壓力容器的強度設(shè)計，在開孔接管等局部應(yīng)力較復(fù)雜的部位采用經(jīng)驗設(shè)計的方法進行處理。只考慮單一載荷，不考慮交變載荷、容器的疲勞壽命。目前各國壓力容器設(shè)計中仍大量采用常規(guī)設(shè)計的方法

分析設(shè)計：必須先進行詳細的應(yīng)力分析，即通過解析法或數(shù)值方法，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計算出來，然后進行應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。分析設(shè)計可應(yīng)用于承受各種載荷、任意結(jié)構(gòu)形式的壓力容器設(shè)計，克服了常規(guī)設(shè)計的不足31.壓力容器設(shè)計方法常規(guī)設(shè)計：分析設(shè)計：42． 壓力容器失效形式1、失效的概念

壓力容器因機械載荷或溫度載荷過高而喪失正常工作能力。2、壓力容器及過程設(shè)備的失效形式強度失效剛度失效失穩(wěn)失效泄漏失效42． 壓力容器失效形式1、失效的概念壓力容器因52． 壓力容器失效形式1、強度失效因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強度失效。容器中某最大應(yīng)力點超過屈服點后就會出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。隨著載荷的增大，容器的朔性區(qū)不斷擴大，當(dāng)載荷大到某一極限時，朔性區(qū)就會擴展到一定的一定范圍，容器便會失去了承載能力。2、剛度失效由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效，稱為剛度失效。例如，露天立置的塔在風(fēng)載荷作用下，若發(fā)生過大的彎曲變形，會破壞塔的正常工作或塔體受到過大的彎曲應(yīng)力。52． 壓力容器失效形式1、強度失效因材料屈服或斷裂62． 壓力容器失效形式3、失穩(wěn)失效在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效稱為失穩(wěn)失效4、腐蝕失效是指與介質(zhì)接觸的器壁受到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕而受到的破壞。62． 壓力容器失效形式3、失穩(wěn)失效在壓應(yīng)力作73.強度判據(jù)和強度理論

以殼體主體的基本薄膜應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力值；而對于因總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的附加應(yīng)力，以應(yīng)力增強系數(shù)的形式引入壁厚計算公式。我國壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB150采用的強度判據(jù)是彈性失效準(zhǔn)則

認(rèn)為容器只有完全處于彈性狀態(tài)時，才是安全的，一旦結(jié)構(gòu)內(nèi)某點計算應(yīng)力進入朔性范圍，即達到或超過材料的屈服點，即認(rèn)為容器失效了。73.強度判據(jù)和強度理論以殼體主體的基本薄膜應(yīng)力83.第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）

材料無論在什么狀態(tài)下，當(dāng)三個主應(yīng)力中有一個在簡單拉伸或壓縮時發(fā)生的破壞的數(shù)值時，材料便認(rèn)為是已經(jīng)破壞了。對于內(nèi)壓薄壁容器的回轉(zhuǎn)殼體，周向應(yīng)力即為第一主應(yīng)力，經(jīng)向應(yīng)力為第二主應(yīng)力

經(jīng)向應(yīng)力另一個主應(yīng)力是徑向應(yīng)力

83.第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）材料無論在什么狀9無力矩理論（薄膜理論）

假定壁厚與直徑相比很小，認(rèn)為壁厚很薄幾乎像薄膜一樣，只承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，不承受彎矩，且認(rèn)為殼體內(nèi)的應(yīng)力沿厚度是均勻分布的。這種器壁應(yīng)力又稱為薄膜應(yīng)力。

薄壁殼體在內(nèi)壓作用下必產(chǎn)生應(yīng)力而向外變形，使其曲率半徑增大，故必存在拉伸和彎曲應(yīng)力。在特定條件下，認(rèn)為，彎曲應(yīng)力相對于拉伸應(yīng)力可以忽略，采用這近似方法分析薄壁殼體的理論為無力矩理論。9無力矩理論（薄膜理論）假定壁厚與直徑相比很小，認(rèn)為10薄壁圓筒的應(yīng)力基本假設(shè)殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；受載后的變形是彈性小變形；殼壁各層纖維在變形后互不擠壓。圖

薄壁圓筒在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力典型的薄壁圓筒經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力σφ周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力σθ10薄壁圓筒的應(yīng)力基本假設(shè)殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；圖11二向應(yīng)力狀態(tài)薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）B點受力分析

內(nèi)壓PB點軸向：經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力σφ圓周的切線方向：周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力σθ壁厚方向：徑向應(yīng)力σr三向應(yīng)力狀態(tài)σθ、σφ＞＞σr11二向應(yīng)力狀態(tài)薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）B點受力分析內(nèi)壓PB點12截面法

sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi

t圖

薄壁圓筒在壓力作用下的力平衡薄殼圓筒的應(yīng)力軸向外力軸向內(nèi)力12截面法sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi13軸向平衡==2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）13軸向平衡==2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）14截面法

2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi

t作用y截面x方向內(nèi)力半圓環(huán)上外力14截面法2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）sjsjsqsq15周向平衡=2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力15周向平衡=2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）周向應(yīng)力或環(huán)向16圓筒的厚度計算容器圓筒承受均勻內(nèi)壓作用時，其器壁中產(chǎn)生如下薄膜應(yīng)力(設(shè)圓筒的平均直徑為D,壁厚為)第一強度理論16圓筒的厚度計算容器圓筒承受均勻內(nèi)壓作用時，其器17圓筒的厚度計算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價于Pc≤0.4[σ]tφ

17圓筒的厚度計算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價于Pc18圓筒的厚度計算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價于Pc≤0.4[σ]tφ

18圓筒的厚度計算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價于Pc19圓筒的設(shè)計

1）應(yīng)力狀況：兩向薄膜應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍。2）壁厚計算公式：符號說明見GB150。稱中徑公式：適用范圍，K≤1.5，等價于Pc≤0.4[σ]tφ3）公式來由：內(nèi)壓圓筒壁厚計算公式是從圓筒與內(nèi)壓的靜力平衡條件得出的。

19圓筒的設(shè)計1）應(yīng)力狀況：兩向薄膜應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)20幾個厚度之間關(guān)系1、計算厚度2、設(shè)計厚度3、名義厚度圓整量，(C1為鋼材厚度負(fù)偏差)。4、有效厚度20幾個厚度之間關(guān)系1、計算厚度2、設(shè)計厚度3、名義厚度圓整21例題1例1一個內(nèi)壓圓筒，設(shè)計壓力p＝0.8MPa，設(shè)計溫度t＝100℃，圓筒內(nèi)徑Di＝1000mm，焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷；工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率為Ka＜0.1mm／y，設(shè)計受命B＝20y，試在Q235-B、16MnR兩種材料中選用兩種作筒體材料，并分別確定兩種材料下簡體壁厚各為多少，由計算結(jié)果討論選擇哪種材料更省料。21例題1例1一個內(nèi)壓圓筒，設(shè)計壓力p＝0.8MPa，設(shè)計22解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x20=2mm.焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷Φ=0.85筒體材料Q235-B

插GB150=113MPa

計算厚度按設(shè)計厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:沒變化,故名義厚度22解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x223解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x20=2mm.焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷Φ=0.85筒體材料16MnR

插GB150=170MPa

計算厚度按設(shè)計厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:沒變化,故名義厚度結(jié)論:對Q235-B名義厚度8mm,16MnR名義厚度6mm,從經(jīng)濟性考慮最終選用Q235-B為宜.23解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x224球殼的厚度計算球形容器的殼體，在承受均勻內(nèi)壓作用時，其周向薄膜應(yīng)力與環(huán)向薄膜應(yīng)力相等，即第一強度理論考慮了容器內(nèi)直徑與平均直徑的關(guān)系和焊接接頭系數(shù)后，球殼的計算厚度公式為24球殼的厚度計算球形容器的殼體，在承受均勻內(nèi)壓作25球殼的厚度計算1、球殼中徑公式適用范圍2、球殼的應(yīng)力校核公式為3、圓筒的應(yīng)力校核公式為

當(dāng)內(nèi)壓和內(nèi)直徑相同時，球殼的壁厚約為圓筒的一半，消耗鋼材最少。另外球形容器占地面積小，其表面積也最小，相應(yīng)帶來的保溫等費用也少，因此球形容器在石油、化工、冶金、國防等工業(yè)中得以廣泛應(yīng)用，如用以儲存乙烯、液氫、氧氣、液化石油氣、天然氣等。25球殼的厚度計算1、球殼中徑公式適用范圍2、球殼的應(yīng)力校核26受壓元件球殼設(shè)計1）應(yīng)力狀況：各向薄膜應(yīng)力相等2）厚度計算式：稱中徑公式，適用范圍pc≤0.6[σ]等價于K≤1.3533）公式來由：同圓筒軸向應(yīng)力作用情況4）計算應(yīng)力的意義：一次總體、薄膜應(yīng)力（環(huán)向、經(jīng)向）控制值：[σ]。

26受壓元件球殼設(shè)計1）應(yīng)力狀況：各向薄膜應(yīng)力相等27例2一個內(nèi)壓球殼，設(shè)計壓力p＝0.86MPa，設(shè)計溫度t＝70℃，球殼內(nèi)徑Di＝12300mm，焊縫采用雙面對焊，100%無損探傷；C2=1.5mm,球殼材料20R設(shè)計球殼厚度.解:C2=1.5mm.Φ=1.00筒體材料20R

插GB150=13.38MPa

計算厚度按設(shè)計厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:根據(jù)檢查許用應(yīng)力沒變化,故名義厚度27例2一個內(nèi)壓球殼，設(shè)計壓力p＝0.86MPa，設(shè)計溫度28封頭的設(shè)計（a）半球形封頭；（b）碟形封頭；（c）橢圓形封頭；（d）無折邊球形封頭；（e）無折邊錐形封頭；（f）折邊錐形封頭；（g）平板封頭28封頭的設(shè)計（a）半球形封頭；（b）碟形封頭；（c）橢圓29封頭的設(shè)計由于封頭和圓筒形器身相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應(yīng)力。1、受均勻內(nèi)壓封頭的強度計算需要考慮因素2、受均勻內(nèi)壓封頭的強度計算需要考慮因素連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸，封頭與筒身壁厚的比值大小有關(guān)。29封頭的設(shè)計由于封頭和圓筒形器身相連接，所以30封頭的設(shè)計3、封頭設(shè)計中采用了比較簡單的方法在導(dǎo)出基本公式時利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強度判據(jù)中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強影響以應(yīng)力增強系數(shù)的形式引入厚度計算公式。應(yīng)力增強系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以實驗修正。30封頭的設(shè)計3、封頭設(shè)計中采用了比較簡單的方法在導(dǎo)出基本公31半球形封頭單位容積的表面積最小；在直徑、壁厚和工作壓力相同的情況下，半球形封頭的應(yīng)力最小兩向薄膜應(yīng)力相等，而且是沿經(jīng)線是均勻分布的。如果若厚度取與圓筒一樣大小，則由不連續(xù)分析可知，兩者連接處的最大應(yīng)力比圓筒周向薄膜應(yīng)力大3.1%。缺點是球形封頭深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量亦較大1、強度計算2、特點強度計算同內(nèi)壓球殼31半球形封頭單位容積的表面積最?。?、強度計算2、特點強度32橢圓形封頭1、強度計算K為應(yīng)力增強系數(shù)或形狀系數(shù)32橢圓形封頭1、強度計算K為應(yīng)力增強系數(shù)或形狀系數(shù)33橢圓形封頭受力情況不如球形封頭，比其他封頭受力好。從薄膜應(yīng)力分析，沿經(jīng)線各點的應(yīng)力是變化的，頂點處應(yīng)力最大，在赤道上出現(xiàn)周向壓應(yīng)力。設(shè)置直變邊段的目的是避免在封頭和圓筒形殼體相交的這以結(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)焊縫，從而避免焊縫邊緣應(yīng)力的問題。2、特點33橢圓形封頭受力情況不如球形封頭，比其他封頭受力好。2、特34橢圓形封頭經(jīng)向應(yīng)力：最大應(yīng)力在頂點。環(huán)向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在頂點，最大壓應(yīng)力在底邊變形特征：趨圓最大拉應(yīng)力在頂點赤道34橢圓形封頭經(jīng)向應(yīng)力：最大應(yīng)力在頂點。變形特征：趨圓最大拉35橢圓形封頭K=35橢圓形封頭K=36碟形封頭受力、變形特征，應(yīng)力分布，穩(wěn)定，控制條件與橢封相似，1、強度計算2、理論依據(jù)M為應(yīng)力增強系數(shù)36碟形封頭受力、變形特征，應(yīng)力分布，穩(wěn)定，控制條件與橢封相37錐形封頭無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭在導(dǎo)出基本公式時利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強度判據(jù)中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強影響以應(yīng)力增強系數(shù)的形式引入厚度計算公式。應(yīng)力增強系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以實驗修正。37錐形封頭無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭在導(dǎo)出基本公式時利用38無折邊錐形封頭當(dāng)錐殼半頂角時，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)最大薄膜應(yīng)力發(fā)生在大端由第一強度理論，并取，用取代，則其計算厚度表達式如下

38無折邊錐形封頭當(dāng)錐殼半頂角時，可39無折邊錐形封頭橫推力，非圓滑過渡，產(chǎn)生邊緣剪力和邊緣彎矩殼體邊緣中應(yīng)力顯著增大邊緣處殼體的壁厚能否足夠抵抗該最大應(yīng)力？39無折邊錐形封頭橫推力，非圓滑過渡，產(chǎn)生邊緣剪力和邊緣彎矩40無折邊錐形封頭，不需要加強需要加強Q應(yīng)力增強系數(shù)40無折邊錐形封頭，不需要加強需要加強Q應(yīng)力增強系數(shù)41無折邊錐形封頭，需要加強Q應(yīng)力增強系數(shù)L1=2

錐殼大端加強段長度的意義是：當(dāng)量圓筒在均布邊界力作用下，圓筒中軸向彎曲應(yīng)力的衰減長度41無折邊錐形封頭，需要加強Q應(yīng)力增強系數(shù)L1=242無折邊錐形封頭小結(jié)當(dāng)錐殼兩端需要加強時，加強段的厚度不得小于與之相連的錐殼的厚度。當(dāng)錐殼半頂角時，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)與球形、橢圓形、碟形封頭相比，錐殼受力情況最差。應(yīng)力狀況與圓筒相似，同處的環(huán)向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的兩倍，但不同直徑處應(yīng)力不同任何錐殼與圓筒的連接必須采用全焊透結(jié)構(gòu)。42無折邊錐形封頭小結(jié)當(dāng)錐殼兩端需要加強時，加強段43錐形封頭錐體大端過渡區(qū)的壁厚類似碟形封頭的計算公式為了改善錐體與筒體連接處的受力狀況—應(yīng)力增強系數(shù)，由和角的大小查表3-5決定

0.100.150.200.300.400.5010°20°30°35°40°45°50°55°60°0.66440.69560.75440.79800.85470.92531.02701.16081.35000.61110.63570.68190.71610.76040.81810.89440.99801.14330.57890.59860.63570.66290.69810.74400.80450.88591.00000.54030.55220.57490.59140.61270.64020.67650.72490.79230.51680.52230.53290.54070.55060.56350.58040.60280.63370.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.500043錐形封頭錐體大端過渡區(qū)的壁厚類為了改善錐體與筒體—應(yīng)力增44錐形封頭與過渡區(qū)相連接處的錐體壁厚按下列計算為了改善錐體與筒體連接處的受力狀況0.100.150.200.300.400.5010°20°30°35°40°45°50°55°60°0.50620.52570.56190.58830.62220.66570.72230.79730.90000.50550.52250.55420.57730.60690.64500.69450.76020.85000.50470.51930.54650.56630.59160.62430.66680.72300.80000.50320.51280.53100.54420.56110.58280.61120.64860.70000.50170.50640.51550.52210.53050.54140.55560.57430.60000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.500044錐形封頭與過渡區(qū)相連接處的錐為了改善錐體與筒體0.10045平板封頭圓平板1)應(yīng)力狀況：

兩向彎曲應(yīng)力，徑向、環(huán)向彎曲應(yīng)力。2)兩種極端邊界支持條件。a.簡支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)不受約束，σmax在板中心，徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力相等。b.固支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)受絕對約束（等于零），σmax在板邊緣為徑向應(yīng)力。c.螺栓墊片聯(lián)接的平蓋按筒支圓板處理，σmax在板中心。

45平板封頭圓平板46平板封頭46平板封頭47平板封頭實際平板封頭與圓筒體相連接，真實的支承既不是固支也不是簡支。在承受內(nèi)壓時，危險應(yīng)力可能出現(xiàn)在平板封頭的中心部分，也可能在圓筒與平封頭的連接部位

—非圓形平蓋的形狀系數(shù)，

3.4－2.4，且≤2.5

47平板封頭實際平板封頭與圓筒體—非圓形平蓋的形狀系數(shù)，48壓力容器開孔及補強設(shè)計1、容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強度方面將的影響開孔后使承載截面減小，破環(huán)了原有的應(yīng)力分布接管處容器殼體與接管形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生邊緣應(yīng)力2、應(yīng)力集中系數(shù)若未開孔時的名義應(yīng)力為,開孔后按彈性方法計算出的最大應(yīng)力若為，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)的定義為48壓力容器開孔及補強設(shè)計1、容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強度49平板開小圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用49平板開小圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用50平板開小圓孔的應(yīng)力集中2、兩向拉伸應(yīng)力作用，

50平板開小圓孔的應(yīng)力集中2、兩向拉伸應(yīng)力作用，51平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用51平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用52平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔

相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔橢圓孔的長軸與拉伸應(yīng)力的方向一致的方向一致

52平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用當(dāng)相當(dāng)于在球53平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔

相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔橢圓孔的長軸與拉伸應(yīng)力的方向垂直53平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用當(dāng)相當(dāng)于在球54平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、幾點結(jié)論在球殼上開圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（）小于開橢圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（）在圓柱殼上開圓孔時的應(yīng)力集中系數(shù)（）若要開設(shè)橢圓孔，則應(yīng)使橢圓孔的長軸與殼體軸線垂直此時（）54平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、幾點結(jié)論在球殼上開圓孔的應(yīng)力集55開孔分析的幾點結(jié)論1、開孔的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)儆诰植繎?yīng)力，衰減很快，作用范圍在量級。2、孔邊應(yīng)力最高，故在孔邊補強最有效。3、球殼上開孔的應(yīng)力集中小于柱殼上的應(yīng)力集中。球殼Kt=2圓柱殼Kt=2.54、在雙向應(yīng)力作用下,圓柱殼開孔邊緣經(jīng)向截面的應(yīng)力集中比周向截面的應(yīng)力集中大得多.55開孔分析的幾點結(jié)論1、開孔的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)儆诰植繎?yīng)力，衰56壓力容器開孔的強度問題1、容器開孔對局部薄膜應(yīng)力的影響在壓力作用下,殼體內(nèi)存在著薄膜應(yīng)力.殼體開孔后使承載截面減小，使該截面的平均應(yīng)力增加,而且在開孔邊緣的應(yīng)力分布極為不均勻,隨著距離增加,應(yīng)力增加逐漸減少.在孔邊緣產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力稱為局部薄膜應(yīng)力.2、局部彎曲應(yīng)力接管和殼體在應(yīng)力作用下變形不一致,由于變形協(xié)調(diào),在相貫處產(chǎn)生一對剪力和彎矩,從而在殼體開孔邊緣和接管端部的局部彎曲應(yīng)力.56壓力容器開孔的強度問題1、容器開孔對局部薄膜應(yīng)力的影響57容器開檢查孔的有關(guān)規(guī)定

為檢查壓力容器在使用過程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷，壓力容器應(yīng)開設(shè)檢查孔。檢查孔包括人孔和手孔.手孔應(yīng)開設(shè)在封頭上或封頭附近的筒體上(mm)檢查孔最少數(shù)量檢查孔最小尺寸(mm)備注人孔手孔300-500手孔2個Ф75或長圓孔75×50500-1000人孔1個或手孔2個(當(dāng)容器無法開人孔時)Ф400或長圓孔400×250，380×280Ф100或長圓孔100×80>1000人孔1個或手孔2個(當(dāng)容器無法開人孔時)Ф400或長圓孔400×250，380×280Ф150或長圓孔150×100球罐人孔最小500mm57容器開檢查孔的有關(guān)規(guī)定為檢查壓力容器在使用過程中58不需要補強的最大孔徑1、GBl50《鋼制壓力容器》對不需另行補強的最大開孔直徑的最新規(guī)定，當(dāng)殼體開孔滿足下述全部要求時可允許不需另行補強。（１）設(shè)計壓力小于或等于2.5MPa；（2）兩相鄰開孔中心的距離(對曲面間距以弧長計算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管公稱外徑小于或等于89mm；（4）接管最小壁厚滿足下表3-9的要求。接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值＞540MPa＞540MPa，接管與殼體宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)型式。接管的腐蝕裕量為1mm。58不需要補強的最大孔徑1、GBl50《鋼制壓力容器》對不需59適用的開孔范圍殼體上開孔直徑越大，則開孔系數(shù)ρ越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越大。因此，我國GB150《鋼制壓力容器》中對開孔直徑的最大值加以限制。

（1）圓筒開孔的限制，當(dāng)內(nèi)徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑d≤1/2Di，且d≤520mm；當(dāng)內(nèi)徑>1500mm時，開孔最大直徑d≤1/3Di，且d≤1000mm。（2）凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d≤1/2Di。（3）錐殼（或錐形封頭）的開孔最大直徑d≤1/3Di，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。（4）在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時，其孔的中心線宜垂直于封頭表面59適用的開孔范圍殼體上開孔直徑越大，則開孔系數(shù)ρ越大60開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則等面積補強準(zhǔn)則

認(rèn)為在有效的補強范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積極限分析補強設(shè)計準(zhǔn)則安定性補強設(shè)計準(zhǔn)則

由于開孔只造成殼體的局部強度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個截面進人塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動，此時的載荷便為極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進行補強結(jié)構(gòu)設(shè)計，即以大量的計算可以定出補強結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)，這就是極限分析補強設(shè)計準(zhǔn)則60開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則等面積補強準(zhǔn)則認(rèn)為在有效61開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則安定性補強設(shè)計準(zhǔn)則

它不涉及塑性分析方法而僅用彈性分析方法對結(jié)構(gòu)進行彈性應(yīng)力分析，但允許接管部位的應(yīng)力超過材料的屈服強度，從而局部材料會進入塑性狀態(tài)，但控制該最大彈性虛擬應(yīng)力不得超過一定限度仍可保證安全。用

(英國用)來限制開孔部位最大應(yīng)力值(按彈性分析得出的)的準(zhǔn)則稱為安定性設(shè)計準(zhǔn)則61開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則安定性補強設(shè)計準(zhǔn)則它不涉及62開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則-等面積補強準(zhǔn)則在有效的補強范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積。優(yōu)點：在一般情況下可以滿足開孔補強設(shè)計的需要，方法簡便，且在工程上有很長的使用歷史和經(jīng)驗。我國的容器標(biāo)準(zhǔn)主要采用了這一方法。缺點：等面積法忽視了開孔處應(yīng)力集中與開孔系數(shù)的影響，例如相同大小的孔，當(dāng)殼體直徑很大時較小，造成的強度削弱就少，反之殼體直徑很小時很大，造成的削弱也大。因此等面積法有時顯得富裕，有時顯得不足。62開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則-等面積補強準(zhǔn)則在有效的補強范圍63開孔補強結(jié)構(gòu)1、局部補強結(jié)構(gòu)

指另外在殼體開孔處的一定范圍內(nèi)增加補強元件或增大殼體壁厚、接管壁厚。如果將連接處的接管或殼體壁厚適當(dāng)加厚，上述局部地區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)在很大程度上得到緩和，應(yīng)力集中系數(shù)可以控制在所允許的范圍內(nèi)。2、整體補強

用增加整個殼體壁厚的辦法來降低開孔附近的應(yīng)力；由于開孔應(yīng)力集中的明顯局部性，在不大的范圍以外便恢復(fù)到正常的應(yīng)力值，故除了制造或結(jié)構(gòu)上的需要以外，一般并不需要把整個容器壁加厚。63開孔補強結(jié)構(gòu)1、局部補強結(jié)構(gòu)指另外在殼體開孔64壓力容器開孔補強的原理1、補強圈補強

補強圈補強結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，有一定補償效果，故使用廣泛。但補強圈與殼壁之間存在著一層靜止空氣隙，傳熱效果較差，兩者溫差應(yīng)力較大，在補強的局部地區(qū)容易產(chǎn)生附加溫差應(yīng)力2、接管補強在開孔處焊上一段加厚的短管。接管的加厚部分，正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。64壓力容器開孔補強的原理1、補強圈補強補強圈65壓力容器開孔補強的原理

將接管和殼體連接處及加強部分做成一個整體鍛件，然后再與接管和殼體焊在一起。其優(yōu)點是補強金屬集中于開孔應(yīng)力最大的部位，應(yīng)力集中系數(shù)最小。并且采用對接焊接接頭，使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點的位置，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10％～15％左右。3、整鍛件補強65壓力容器開孔補強的原理將接管和殼體連接處及加強部分66補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算圓筒或球殼開孔所需補強面積由于應(yīng)力集中的局部性，等面積補強法認(rèn)為在圖3-17所示的WXYZ的矩形范圍內(nèi)實施補強是有效的，超過此范圍實施補強是沒有作用的66補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算圓筒或球殼開孔所需補強面積由于應(yīng)67補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算圓筒或球殼開孔所需補強面積由于應(yīng)力集中的局部性，等面積補強法認(rèn)為在圖3-17所示的WXYZ的矩形范圍內(nèi)實施補強是有效的，超過此范圍實施補強是沒有作用的有效寬度B有效高度H外側(cè)高度內(nèi)側(cè)高度67補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算圓筒或球殼開孔所需補強面積由于應(yīng)68補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算圓筒或球殼開孔所需補強面積在有效補強區(qū)范圍內(nèi)，可作為補強的截面積—殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積

—接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積—焊縫金屬的截面積，mm2?？筛鶕?jù)角焊縫的具體尺寸計算確定

開孔后不需要另加補強開孔后需要另加補強68補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算圓筒或球殼開孔所需補強面積在有效補強69補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算其另加補強面積開孔后不需要另加補強開孔后需要另加補強69補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算其另加補強面積開孔后不需要另加補強70設(shè)計舉例內(nèi)徑Di＝1800mm的圓柱形容器，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，在封頭中心設(shè)置Φ159×4.5的內(nèi)平齊接。封頭名義厚度＝18mm，設(shè)計壓力p＝2.5MPa，設(shè)計溫度t＝150℃，接管外伸高度h1=200mm。封頭和補強圈材料為16MnR，其許用應(yīng)力=163MPa,接管材料為10號鋼，其許用應(yīng)力=108MPa。封頭和接管的厚度附加量均取2mm，液體靜壓力可以忽略。試作開孔補強設(shè)計。70設(shè)計舉例內(nèi)徑Di＝1800mm的圓柱形容器，采用71

開孔條件不另行補強條件否等面積補強法是1、計算開孔補強需要的面積A2、確定有效補強面積3、計算A1、A2、A3A1+A2+A3>A否按A-（A1+A2+A3）確定補強面積71開孔條件不另行補強條件否等面積補強法是1、計算開72(1)補強及補強方法判別

①補強判別根據(jù)表3-9，允許不另行補強的最大接管外徑為Φ89mm。此開孔外徑等于159mm，故需考慮其補強計算。②補強計算方法判別開孔直徑

本凸形封頭開孔直徑，滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積補強法進行開孔補強計算。(2)開孔削弱所需要的補強截面積72(1)補強及補強方法判別①補強判別根據(jù)表373(2)開孔削弱所需要的補強截面積①封頭計算厚度由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開孔，所以封頭的計算厚度按式(3-62)確定。因為液體靜壓力可以忽略，即；查表4-1可得，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭；又因開孔處焊接接頭系數(shù)故封頭計算厚度②開孔削弱所需要的補強截面積先計算強度削弱系數(shù)接管有效厚度為，即開孔削弱所需要的補強截面積73(2)開孔削弱所需要的補強截面積①封頭計算厚度由于74（3）補強范圍①有效寬度②有效高度

外側(cè)高度：內(nèi)側(cè)高度：

74（3）補強范圍①有效寬度②有效高度內(nèi)75（3）補強范圍(3)補強面積①殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積

②接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積接管計算厚度所以

75（3）補強范圍(3)補強面積②接管有效厚度減去計76

③焊縫金屬的截面積（焊腳取8mm）因是內(nèi)平齊接管，所以（4）需另加補強面積因故需另加補強面積

76③焊縫金屬的截面積（焊腳取8mm）（4）需另加77

（5）補強圈設(shè)計根據(jù)接管公稱直徑dN150選補強圈，參照J(rèn)B／T4736-2002《補強圈》取補強圈外徑，內(nèi)徑,補強圈在有效補強范圍內(nèi)。補強圈計算厚度為：考慮腐蝕裕量和鋼板厚度負(fù)偏差并經(jīng)圓整，取補強圈名義厚度為12mm。但為了便于制造和材料準(zhǔn)備，補強圈名義厚度可取為封頭的名義厚度，即為18mm。77（5）補強圈設(shè)計，內(nèi)徑,補強圈在有效補強范圍內(nèi)。壓力容器強度計算壓力容器強度計算7879主要內(nèi)容1、壓力容器設(shè)計方法2、壓力容器失效形式3、強度判據(jù)和強度理論4、圓筒的厚度計算5、封頭的厚度計算6、壓力容器開孔及補強設(shè)計2主要內(nèi)容1、壓力容器設(shè)計方法801.壓力容器設(shè)計方法常規(guī)設(shè)計：它以薄膜應(yīng)力分析和彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則為基礎(chǔ)進行壓力容器的強度設(shè)計，在開孔接管等局部應(yīng)力較復(fù)雜的部位采用經(jīng)驗設(shè)計的方法進行處理。只考慮單一載荷，不考慮交變載荷、容器的疲勞壽命。目前各國壓力容器設(shè)計中仍大量采用常規(guī)設(shè)計的方法

分析設(shè)計：必須先進行詳細的應(yīng)力分析，即通過解析法或數(shù)值方法，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計算出來，然后進行應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。分析設(shè)計可應(yīng)用于承受各種載荷、任意結(jié)構(gòu)形式的壓力容器設(shè)計，克服了常規(guī)設(shè)計的不足31.壓力容器設(shè)計方法常規(guī)設(shè)計：分析設(shè)計：812． 壓力容器失效形式1、失效的概念

壓力容器因機械載荷或溫度載荷過高而喪失正常工作能力。2、壓力容器及過程設(shè)備的失效形式強度失效剛度失效失穩(wěn)失效泄漏失效42． 壓力容器失效形式1、失效的概念壓力容器因822． 壓力容器失效形式1、強度失效因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強度失效。容器中某最大應(yīng)力點超過屈服點后就會出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。隨著載荷的增大，容器的朔性區(qū)不斷擴大，當(dāng)載荷大到某一極限時，朔性區(qū)就會擴展到一定的一定范圍，容器便會失去了承載能力。2、剛度失效由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效，稱為剛度失效。例如，露天立置的塔在風(fēng)載荷作用下，若發(fā)生過大的彎曲變形，會破壞塔的正常工作或塔體受到過大的彎曲應(yīng)力。52． 壓力容器失效形式1、強度失效因材料屈服或斷裂832． 壓力容器失效形式3、失穩(wěn)失效在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效稱為失穩(wěn)失效4、腐蝕失效是指與介質(zhì)接觸的器壁受到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕而受到的破壞。62． 壓力容器失效形式3、失穩(wěn)失效在壓應(yīng)力作843.強度判據(jù)和強度理論

以殼體主體的基本薄膜應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力值；而對于因總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的附加應(yīng)力，以應(yīng)力增強系數(shù)的形式引入壁厚計算公式。我國壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB150采用的強度判據(jù)是彈性失效準(zhǔn)則

認(rèn)為容器只有完全處于彈性狀態(tài)時，才是安全的，一旦結(jié)構(gòu)內(nèi)某點計算應(yīng)力進入朔性范圍，即達到或超過材料的屈服點，即認(rèn)為容器失效了。73.強度判據(jù)和強度理論以殼體主體的基本薄膜應(yīng)力853.第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）

材料無論在什么狀態(tài)下，當(dāng)三個主應(yīng)力中有一個在簡單拉伸或壓縮時發(fā)生的破壞的數(shù)值時，材料便認(rèn)為是已經(jīng)破壞了。對于內(nèi)壓薄壁容器的回轉(zhuǎn)殼體，周向應(yīng)力即為第一主應(yīng)力，經(jīng)向應(yīng)力為第二主應(yīng)力

經(jīng)向應(yīng)力另一個主應(yīng)力是徑向應(yīng)力

83.第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）材料無論在什么狀86無力矩理論（薄膜理論）

假定壁厚與直徑相比很小，認(rèn)為壁厚很薄幾乎像薄膜一樣，只承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，不承受彎矩，且認(rèn)為殼體內(nèi)的應(yīng)力沿厚度是均勻分布的。這種器壁應(yīng)力又稱為薄膜應(yīng)力。

薄壁殼體在內(nèi)壓作用下必產(chǎn)生應(yīng)力而向外變形，使其曲率半徑增大，故必存在拉伸和彎曲應(yīng)力。在特定條件下，認(rèn)為，彎曲應(yīng)力相對于拉伸應(yīng)力可以忽略，采用這近似方法分析薄壁殼體的理論為無力矩理論。9無力矩理論（薄膜理論）假定壁厚與直徑相比很小，認(rèn)為87薄壁圓筒的應(yīng)力基本假設(shè)殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；受載后的變形是彈性小變形；殼壁各層纖維在變形后互不擠壓。圖

薄壁圓筒在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力典型的薄壁圓筒經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力σφ周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力σθ10薄壁圓筒的應(yīng)力基本假設(shè)殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；圖88二向應(yīng)力狀態(tài)薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）B點受力分析

內(nèi)壓PB點軸向：經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力σφ圓周的切線方向：周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力σθ壁厚方向：徑向應(yīng)力σr三向應(yīng)力狀態(tài)σθ、σφ＞＞σr11二向應(yīng)力狀態(tài)薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）B點受力分析內(nèi)壓PB點89截面法

sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi

t圖

薄壁圓筒在壓力作用下的力平衡薄殼圓筒的應(yīng)力軸向外力軸向內(nèi)力12截面法sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi90軸向平衡==2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）13軸向平衡==2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）91截面法

2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi

t作用y截面x方向內(nèi)力半圓環(huán)上外力14截面法2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）sjsjsqsq92周向平衡=2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力15周向平衡=2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）周向應(yīng)力或環(huán)向93圓筒的厚度計算容器圓筒承受均勻內(nèi)壓作用時，其器壁中產(chǎn)生如下薄膜應(yīng)力(設(shè)圓筒的平均直徑為D,壁厚為)第一強度理論16圓筒的厚度計算容器圓筒承受均勻內(nèi)壓作用時，其器94圓筒的厚度計算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價于Pc≤0.4[σ]tφ

17圓筒的厚度計算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價于Pc95圓筒的厚度計算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價于Pc≤0.4[σ]tφ

18圓筒的厚度計算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價于Pc96圓筒的設(shè)計

1）應(yīng)力狀況：兩向薄膜應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍。2）壁厚計算公式：符號說明見GB150。稱中徑公式：適用范圍，K≤1.5，等價于Pc≤0.4[σ]tφ3）公式來由：內(nèi)壓圓筒壁厚計算公式是從圓筒與內(nèi)壓的靜力平衡條件得出的。

19圓筒的設(shè)計1）應(yīng)力狀況：兩向薄膜應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)97幾個厚度之間關(guān)系1、計算厚度2、設(shè)計厚度3、名義厚度圓整量，(C1為鋼材厚度負(fù)偏差)。4、有效厚度20幾個厚度之間關(guān)系1、計算厚度2、設(shè)計厚度3、名義厚度圓整98例題1例1一個內(nèi)壓圓筒，設(shè)計壓力p＝0.8MPa，設(shè)計溫度t＝100℃，圓筒內(nèi)徑Di＝1000mm，焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷；工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率為Ka＜0.1mm／y，設(shè)計受命B＝20y，試在Q235-B、16MnR兩種材料中選用兩種作筒體材料，并分別確定兩種材料下簡體壁厚各為多少，由計算結(jié)果討論選擇哪種材料更省料。21例題1例1一個內(nèi)壓圓筒，設(shè)計壓力p＝0.8MPa，設(shè)計99解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x20=2mm.焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷Φ=0.85筒體材料Q235-B

插GB150=113MPa

計算厚度按設(shè)計厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:沒變化,故名義厚度22解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x2100解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x20=2mm.焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷Φ=0.85筒體材料16MnR

插GB150=170MPa

計算厚度按設(shè)計厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:沒變化,故名義厚度結(jié)論:對Q235-B名義厚度8mm,16MnR名義厚度6mm,從經(jīng)濟性考慮最終選用Q235-B為宜.23解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x2101球殼的厚度計算球形容器的殼體，在承受均勻內(nèi)壓作用時，其周向薄膜應(yīng)力與環(huán)向薄膜應(yīng)力相等，即第一強度理論考慮了容器內(nèi)直徑與平均直徑的關(guān)系和焊接接頭系數(shù)后，球殼的計算厚度公式為24球殼的厚度計算球形容器的殼體，在承受均勻內(nèi)壓作102球殼的厚度計算1、球殼中徑公式適用范圍2、球殼的應(yīng)力校核公式為3、圓筒的應(yīng)力校核公式為

當(dāng)內(nèi)壓和內(nèi)直徑相同時，球殼的壁厚約為圓筒的一半，消耗鋼材最少。另外球形容器占地面積小，其表面積也最小，相應(yīng)帶來的保溫等費用也少，因此球形容器在石油、化工、冶金、國防等工業(yè)中得以廣泛應(yīng)用，如用以儲存乙烯、液氫、氧氣、液化石油氣、天然氣等。25球殼的厚度計算1、球殼中徑公式適用范圍2、球殼的應(yīng)力校核103受壓元件球殼設(shè)計1）應(yīng)力狀況：各向薄膜應(yīng)力相等2）厚度計算式：稱中徑公式，適用范圍pc≤0.6[σ]等價于K≤1.3533）公式來由：同圓筒軸向應(yīng)力作用情況4）計算應(yīng)力的意義：一次總體、薄膜應(yīng)力（環(huán)向、經(jīng)向）控制值：[σ]。

26受壓元件球殼設(shè)計1）應(yīng)力狀況：各向薄膜應(yīng)力相等104例2一個內(nèi)壓球殼，設(shè)計壓力p＝0.86MPa，設(shè)計溫度t＝70℃，球殼內(nèi)徑Di＝12300mm，焊縫采用雙面對焊，100%無損探傷；C2=1.5mm,球殼材料20R設(shè)計球殼厚度.解:C2=1.5mm.Φ=1.00筒體材料20R

插GB150=13.38MPa

計算厚度按設(shè)計厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:根據(jù)檢查許用應(yīng)力沒變化,故名義厚度27例2一個內(nèi)壓球殼，設(shè)計壓力p＝0.86MPa，設(shè)計溫度105封頭的設(shè)計（a）半球形封頭；（b）碟形封頭；（c）橢圓形封頭；（d）無折邊球形封頭；（e）無折邊錐形封頭；（f）折邊錐形封頭；（g）平板封頭28封頭的設(shè)計（a）半球形封頭；（b）碟形封頭；（c）橢圓106封頭的設(shè)計由于封頭和圓筒形器身相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應(yīng)力。1、受均勻內(nèi)壓封頭的強度計算需要考慮因素2、受均勻內(nèi)壓封頭的強度計算需要考慮因素連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸，封頭與筒身壁厚的比值大小有關(guān)。29封頭的設(shè)計由于封頭和圓筒形器身相連接，所以107封頭的設(shè)計3、封頭設(shè)計中采用了比較簡單的方法在導(dǎo)出基本公式時利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強度判據(jù)中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強影響以應(yīng)力增強系數(shù)的形式引入厚度計算公式。應(yīng)力增強系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以實驗修正。30封頭的設(shè)計3、封頭設(shè)計中采用了比較簡單的方法在導(dǎo)出基本公108半球形封頭單位容積的表面積最小；在直徑、壁厚和工作壓力相同的情況下，半球形封頭的應(yīng)力最小兩向薄膜應(yīng)力相等，而且是沿經(jīng)線是均勻分布的。如果若厚度取與圓筒一樣大小，則由不連續(xù)分析可知，兩者連接處的最大應(yīng)力比圓筒周向薄膜應(yīng)力大3.1%。缺點是球形封頭深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量亦較大1、強度計算2、特點強度計算同內(nèi)壓球殼31半球形封頭單位容積的表面積最??；1、強度計算2、特點強度109橢圓形封頭1、強度計算K為應(yīng)力增強系數(shù)或形狀系數(shù)32橢圓形封頭1、強度計算K為應(yīng)力增強系數(shù)或形狀系數(shù)110橢圓形封頭受力情況不如球形封頭，比其他封頭受力好。從薄膜應(yīng)力分析，沿經(jīng)線各點的應(yīng)力是變化的，頂點處應(yīng)力最大，在赤道上出現(xiàn)周向壓應(yīng)力。設(shè)置直變邊段的目的是避免在封頭和圓筒形殼體相交的這以結(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)焊縫，從而避免焊縫邊緣應(yīng)力的問題。2、特點33橢圓形封頭受力情況不如球形封頭，比其他封頭受力好。2、特111橢圓形封頭經(jīng)向應(yīng)力：最大應(yīng)力在頂點。環(huán)向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在頂點，最大壓應(yīng)力在底邊變形特征：趨圓最大拉應(yīng)力在頂點赤道34橢圓形封頭經(jīng)向應(yīng)力：最大應(yīng)力在頂點。變形特征：趨圓最大拉112橢圓形封頭K=35橢圓形封頭K=113碟形封頭受力、變形特征，應(yīng)力分布，穩(wěn)定，控制條件與橢封相似，1、強度計算2、理論依據(jù)M為應(yīng)力增強系數(shù)36碟形封頭受力、變形特征，應(yīng)力分布，穩(wěn)定，控制條件與橢封相114錐形封頭無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭在導(dǎo)出基本公式時利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強度判據(jù)中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強影響以應(yīng)力增強系數(shù)的形式引入厚度計算公式。應(yīng)力增強系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以實驗修正。37錐形封頭無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭在導(dǎo)出基本公式時利用115無折邊錐形封頭當(dāng)錐殼半頂角時，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)最大薄膜應(yīng)力發(fā)生在大端由第一強度理論，并取，用取代，則其計算厚度表達式如下

38無折邊錐形封頭當(dāng)錐殼半頂角時，可116無折邊錐形封頭橫推力，非圓滑過渡，產(chǎn)生邊緣剪力和邊緣彎矩殼體邊緣中應(yīng)力顯著增大邊緣處殼體的壁厚能否足夠抵抗該最大應(yīng)力？39無折邊錐形封頭橫推力，非圓滑過渡，產(chǎn)生邊緣剪力和邊緣彎矩117無折邊錐形封頭，不需要加強需要加強Q應(yīng)力增強系數(shù)40無折邊錐形封頭，不需要加強需要加強Q應(yīng)力增強系數(shù)118無折邊錐形封頭，需要加強Q應(yīng)力增強系數(shù)L1=2

錐殼大端加強段長度的意義是：當(dāng)量圓筒在均布邊界力作用下，圓筒中軸向彎曲應(yīng)力的衰減長度41無折邊錐形封頭，需要加強Q應(yīng)力增強系數(shù)L1=2119無折邊錐形封頭小結(jié)當(dāng)錐殼兩端需要加強時，加強段的厚度不得小于與之相連的錐殼的厚度。當(dāng)錐殼半頂角時，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)與球形、橢圓形、碟形封頭相比，錐殼受力情況最差。應(yīng)力狀況與圓筒相似，同處的環(huán)向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的兩倍，但不同直徑處應(yīng)力不同任何錐殼與圓筒的連接必須采用全焊透結(jié)構(gòu)。42無折邊錐形封頭小結(jié)當(dāng)錐殼兩端需要加強時，加強段120錐形封頭錐體大端過渡區(qū)的壁厚類似碟形封頭的計算公式為了改善錐體與筒體連接處的受力狀況—應(yīng)力增強系數(shù)，由和角的大小查表3-5決定

0.100.150.200.300.400.5010°20°30°35°40°45°50°55°60°0.66440.69560.75440.79800.85470.92531.02701.16081.35000.61110.63570.68190.71610.76040.81810.89440.99801.14330.57890.59860.63570.66290.69810.74400.80450.88591.00000.54030.55220.57490.59140.61270.64020.67650.72490.79230.51680.52230.53290.54070.55060.56350.58040.60280.63370.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.500043錐形封頭錐體大端過渡區(qū)的壁厚類為了改善錐體與筒體—應(yīng)力增121錐形封頭與過渡區(qū)相連接處的錐體壁厚按下列計算為了改善錐體與筒體連接處的受力狀況0.100.150.200.300.400.5010°20°30°35°40°45°50°55°60°0.50620.52570.56190.58830.62220.66570.72230.79730.90000.50550.52250.55420.57730.60690.64500.69450.76020.85000.50470.51930.54650.56630.59160.62430.66680.72300.80000.50320.51280.53100.54420.56110.58280.61120.64860.70000.50170.50640.51550.52210.53050.54140.55560.57430.60000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.500044錐形封頭與過渡區(qū)相連接處的錐為了改善錐體與筒體0.100122平板封頭圓平板1)應(yīng)力狀況：

兩向彎曲應(yīng)力，徑向、環(huán)向彎曲應(yīng)力。2)兩種極端邊界支持條件。a.簡支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)不受約束，σmax在板中心，徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力相等。b.固支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)受絕對約束（等于零），σmax在板邊緣為徑向應(yīng)力。c.螺栓墊片聯(lián)接的平蓋按筒支圓板處理，σmax在板中心。

45平板封頭圓平板123平板封頭46平板封頭124平板封頭實際平板封頭與圓筒體相連接，真實的支承既不是固支也不是簡支。在承受內(nèi)壓時，危險應(yīng)力可能出現(xiàn)在平板封頭的中心部分，也可能在圓筒與平封頭的連接部位

—非圓形平蓋的形狀系數(shù)，

3.4－2.4，且≤2.5

47平板封頭實際平板封頭與圓筒體—非圓形平蓋的形狀系數(shù)，125壓力容器開孔及補強設(shè)計1、容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強度方面將的影響開孔后使承載截面減小，破環(huán)了原有的應(yīng)力分布接管處容器殼體與接管形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生邊緣應(yīng)力2、應(yīng)力集中系數(shù)若未開孔時的名義應(yīng)力為,開孔后按彈性方法計算出的最大應(yīng)力若為，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)的定義為48壓力容器開孔及補強設(shè)計1、容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強度126平板開小圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用49平板開小圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用127平板開小圓孔的應(yīng)力集中2、兩向拉伸應(yīng)力作用，

50平板開小圓孔的應(yīng)力集中2、兩向拉伸應(yīng)力作用，128平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用51平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用129平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔

相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔橢圓孔的長軸與拉伸應(yīng)力的方向一致的方向一致

52平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用當(dāng)相當(dāng)于在球130平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔

相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔橢圓孔的長軸與拉伸應(yīng)力的方向垂直53平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用當(dāng)相當(dāng)于在球131平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、幾點結(jié)論在球殼上開圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（）小于開橢圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（）在圓柱殼上開圓孔時的應(yīng)力集中系數(shù)（）若要開設(shè)橢圓孔，則應(yīng)使橢圓孔的長軸與殼體軸線垂直此時（）54平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、幾點結(jié)論在球殼上開圓孔的應(yīng)力集132開孔分析的幾點結(jié)論1、開孔的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)儆诰植繎?yīng)力，衰減很快，作用范圍在量級。2、孔邊應(yīng)力最高，故在孔邊補強最有效。3、球殼上開孔的應(yīng)力集中小于柱殼上的應(yīng)力集中。球殼Kt=2圓柱殼Kt=2.54、在雙向應(yīng)力作用下,圓柱殼開孔邊緣經(jīng)向截面的應(yīng)力集中比周向截面的應(yīng)力集中大得多.55開孔分析的幾點結(jié)論1、開孔的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)儆诰植繎?yīng)力，衰133壓力容器開孔的強度問題1、容器開孔對局部薄膜應(yīng)力的影響在壓力作用下,殼體內(nèi)存在著薄膜應(yīng)力.殼體開孔后使承載截面減小，使該截面的平均應(yīng)力增加,而且在開孔邊緣的應(yīng)力分布極為不均勻,隨著距離增加,應(yīng)力增加逐漸減少.在孔邊緣產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力稱為局部薄膜應(yīng)力.2、局部彎曲應(yīng)力接管和殼體在應(yīng)力作用下變形不一致,由于變形協(xié)調(diào),在相貫處產(chǎn)生一對剪力和彎矩,從而在殼體開孔邊緣和接管端部的局部彎曲應(yīng)力.56壓力容器開孔的強度問題1、容器開孔對局部薄膜應(yīng)力的影響134容器開檢查孔的有關(guān)規(guī)定

為檢查壓力容器在使用過程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷，壓力容器應(yīng)開設(shè)檢查孔。檢查孔包括人孔和手孔.手孔應(yīng)開設(shè)在封頭上或封頭附近的筒體上(mm)檢查孔最少數(shù)量檢查孔最小尺寸(mm)備注人孔手孔300-500手孔2個Ф75或長圓孔75×50500-1000人孔1個或手孔2個(當(dāng)容器無法開人孔時)Ф400或長圓孔400×250，380×280Ф100或長圓孔100×80>1000人孔1個或手孔2個(當(dāng)容器無法開人孔時)Ф400或長圓孔400×250，380×280Ф150或長圓孔150×100球罐人孔最小500mm57容器開檢查孔的有關(guān)規(guī)定為檢查壓力容器在使用過程中135不需要補強的最大孔徑1、GBl50《鋼制壓力容器》對不需另行補強的最大開孔直徑的最新規(guī)定，當(dāng)殼體開孔滿足下述全部要求時可允許不需另行補強。（１）設(shè)計壓力小于或等于2.5MPa；（2）兩相鄰開孔中心的距離(對曲面間距以弧長計算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管公稱外徑小于或等于89mm；（4）接管最小壁厚滿足下表3-9的要求。接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值＞540MPa＞540MPa，接管與殼體宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)型式。接管的腐蝕裕量為1mm。58不需要補強的最大孔徑1、GBl50《鋼制壓力容器》對不需136適用的開孔范圍殼體上開孔直徑越大，則開孔系數(shù)ρ越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越大。因此，我國GB150《鋼制壓力容器》中對開孔直徑的最大值加以限制。

（1）圓筒開孔的限制，當(dāng)內(nèi)徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑d≤1/2Di，且d≤520mm；當(dāng)內(nèi)徑>1500mm時，開孔最大直徑d≤1/3Di，且d≤1000mm。（2）凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d≤1/2Di。（3）錐殼（或錐形封頭）的開孔最大直徑d≤1/3Di，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。（4）在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時，其孔的中心線宜垂直于封頭表面59適用的開孔范圍殼體上開孔直徑越大，則開孔系數(shù)ρ越大137開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則等面積補強準(zhǔn)則

認(rèn)為在有效的補強范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積極限分析補強設(shè)計準(zhǔn)則安定性補強設(shè)計準(zhǔn)則

由于開孔只造成殼體的局部強度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個截面進人塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動，此時的載荷便為極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進行補強結(jié)構(gòu)設(shè)計，即以大量的計算可以定出補強結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)，這就是極限分析補強設(shè)計準(zhǔn)則60開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則等面積補強準(zhǔn)則認(rèn)為在有效138開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則安定性補強設(shè)計準(zhǔn)則

它不涉及塑性分析方法而僅用彈性分析方法對結(jié)構(gòu)進行彈性應(yīng)力分析，但允許接管部位的應(yīng)力超過材料的屈服強度，從而局部材料會進入塑性狀態(tài)，但控制該最大彈性虛擬應(yīng)力不得超過一定限度仍可保證安全。用

(英國用)來限制開孔部位最大應(yīng)力值(按彈性分析得出的)的準(zhǔn)則稱為安定性設(shè)計準(zhǔn)則61開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則安定性補強設(shè)計準(zhǔn)則它不涉及139開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則-等面積補強準(zhǔn)則在有效的補強范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積。優(yōu)點：在一般情況下可以滿足開孔補強設(shè)計的需要，方法簡便，且在工程上有很長的使用歷史和經(jīng)驗。我國的容器標(biāo)準(zhǔn)主要采用了這一方法。缺點：等面積法忽視了開孔處應(yīng)力集中與開孔系數(shù)的影響，例如相同大小的孔，當(dāng)殼體直徑很大時較小，造成的強度削