壓力容器常見結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法

第三章壓力容器常見結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法常見結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法

4.1圓筒

4.2球殼

4.3封頭

4.4開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)

4.5法蘭

4.6檢驗中的強(qiáng)度校核4.1.1內(nèi)壓圓筒

1）GB150中關(guān)于內(nèi)壓殼體的強(qiáng)度計算考慮的失效模式是結(jié)構(gòu)在一次加載下的塑性破壞，即彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則。

2）壁厚設(shè)計釆用材料力學(xué)解（中徑公式）計算應(yīng)力，利用第一強(qiáng)度理論作為控制。

軸向應(yīng)力：

環(huán)向應(yīng)力：（取單位軸向長度的半個圓環(huán)）

校核：

σ1＝σθ，σ2＝σz，σ1＝0

σθ≤[σ]t·φ

對應(yīng)的極限壓力：2）彈性力學(xué)解（拉美公式）

討論：1）主應(yīng)力方向？應(yīng)力分布規(guī)律？

徑向、環(huán)向應(yīng)力非線形分布（內(nèi)壁應(yīng)力絕對值最大），軸向應(yīng)力均布；

2）K對應(yīng)力分布的影響？

越大分布越不均勻，說明材料的利用不充分；

例如，

k＝1.1時，R＝1.1內(nèi)外壁應(yīng)力相差10%；

K＝1.3時，R＝1.35內(nèi)外壁應(yīng)力相差35%；

4常見結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法

962）彈性力學(xué)解（拉美公式）

主應(yīng)力：σ1＝σθ，σ2＝σz，σ3＝σr

屈服條件：

σⅠ＝σ1＝σθ＝

σⅡ＝σ1－μ（σ2＋σ3）＝

σⅢ＝σ1－σ3＝

σⅣ＝

3）GB150規(guī)定圓筒計算公式（中徑公式）的使用范圍為：p/[σ]·φ≤0.4（即≤1.5）4.1.2外壓圓筒

1）GB150中關(guān)于外壓殼體的計算所考慮的失效模式：彈性失效準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效準(zhǔn)則（結(jié)構(gòu)在橫向外壓作用下的橫向端面失去原來的圓形，或軸向載荷下的軸向截面規(guī)則變化）

2）失穩(wěn)臨界壓力的計算

長圓筒的失穩(wěn)臨界壓力（按Bresse公式）：

長圓筒的失穩(wěn)臨界壓力（按簡化的Misse公式）：

失穩(wěn)臨界壓力可按以下通用公式表示：

圓筒失穩(wěn)時的環(huán)向應(yīng)力和應(yīng)變：

定義——外壓應(yīng)變系數(shù)于是取穩(wěn)定系數(shù)m＝3，有

·應(yīng)變系數(shù)A的物理意義

－系數(shù)A是受外壓筒體剛失穩(wěn)時的環(huán)向應(yīng)變，該系數(shù)僅與筒體的幾何參數(shù)L、D。、δe有關(guān)，與材料性能無關(guān)

·應(yīng)力系數(shù)B的物理意義：與系數(shù)A之間反映了材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系（應(yīng)力），可將材料的δ－ε曲線沿σ軸乘以2/3而得到B－A曲線。各種材料將對應(yīng)有各自的B－A曲線

3）圓筒失穩(wěn)設(shè)計穩(wěn)定系數(shù)（m＝3）的確定因素

·計算公式的可靠性

·制造中能夠達(dá)到的形狀的精確度－圓度控制

C1、C2由試驗確定，如考慮失穩(wěn)壓力20%裕量，可?。?/p>

C1＝0.018、C2＝0.015

4.2球殼

4.2.1內(nèi)壓球殼

1）GB150中關(guān)于內(nèi)壓殼體的強(qiáng)度計算考慮的失效模式是結(jié)構(gòu)在一次加載下的塑性破壞，即彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則。壁厚設(shè)計采用材料力學(xué)解（中徑公式）計算應(yīng)力，利用第一強(qiáng)度理論作為控制。

適用范圍：p/[σ]·≤0.6即K≤1.35（相對誤差為－0.7%）4.2.2外壓球殼

由彈性失穩(wěn)理論分析，受均勻外壓的球殼臨界壓力計算：

，取μ＝0.3，得到

消除計算方法誤差，取20%，得到：

GB150取穩(wěn)定安全系數(shù)m＝3，得到：

注意：GB150球殼總的穩(wěn)定安全系數(shù)為15。4.3封頭

·幾何上，軸對稱回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)（不計接管），沿母線（或任一經(jīng)線）第一曲率半徑為恒定值或連續(xù)變化；

·載荷軸對稱（內(nèi)外壓作用），根據(jù)作用于回轉(zhuǎn)殼微元體的力的平衡關(guān)系，得到基于薄殼理論的微體平衡方程、區(qū)域平衡方程。

·封頭一般與筒體連接，由于連接處一般存在壁厚差、曲率半徑突變等幾何不連續(xù)，因此連接處應(yīng)力可分為一次局部薄膜應(yīng)力和二次應(yīng)力。4.3.1凸形封頭

1）橢圓封頭

第一、第二曲率半徑R1、R2：

由無力矩理論：

內(nèi)壓引起的經(jīng)向應(yīng)力、周向應(yīng)力：

特點：

1）經(jīng)向應(yīng)力衡為正值（拉應(yīng)力），短軸頂點為最大值點，長軸端點為最小值點；

2）周向應(yīng)力可能出現(xiàn)負(fù)值，在短軸頂點為最大拉應(yīng)力，長軸端點為最小拉應(yīng)力或最大壓應(yīng)力。

·邊緣應(yīng)力的影響考慮封頭筒體連接處的幾何不連續(xù)：內(nèi)壓下在封頭邊界上產(chǎn)生橫剪力Q和彎矩M，在封頭與圓筒連接附近的封頭上產(chǎn)生局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。

·內(nèi)壓和邊緣應(yīng)力疊加，形成封頭的總應(yīng)力。

·實驗得到封頭上最大應(yīng)力發(fā)生部位、方向、及大小隨a/b的變化

：

三個階段：

1＜a/b≤1.2

1.2＜a/b≤2.5

2.5＜a/b·內(nèi)壓橢圓封頭厚度計算：

采用第一強(qiáng)度理論，控制橢圓封頭的最大應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力：

適用范圍：2）碟形封頭

·內(nèi)壓碟形封頭的設(shè)計計算

·外壓碟形封頭的設(shè)計計算

只需考慮碟形封頭的球冠部分，作為一當(dāng)量半球形封頭進(jìn)行計算，該半球形封頭的半徑為碟形封頭球冠部分的半徑。3）球冠形封頭

·球冠形封頭設(shè)計計算

GB150－1998GB150－2011球面部分內(nèi)壓按球殼壁厚計算外壓取外壓球殼計算結(jié)果與上式中的大值按外壓球殼計算加強(qiáng)段無δr＝Q－δ；凸面受壓時，加強(qiáng)段厚度不小于受外壓球殼的厚度球冠形封頭設(shè)計計算思想

端封頭：封頭和圓筒殼體組合結(jié)構(gòu)，考慮連接處力和彎矩的平衡

變形協(xié)調(diào)條件：

柱殼體邊緣徑向位移＝球冠形封頭邊緣徑向位移

柱殼體邊緣轉(zhuǎn)角＝球冠形封頭邊緣轉(zhuǎn)角4.3.2錐型封頭

1）結(jié)構(gòu)形式

2）結(jié)構(gòu)要求錐封頭半頂角α≤30°≤45°≤60°＞60°錐殼大端允許無折邊應(yīng)有折邊（r≥10%DiL且≥3δr）按平蓋（或應(yīng)力分析）錐殼小端允許無折邊應(yīng)有折邊

（rS≥5%DiS且≥3δr）3）內(nèi)壓錐形封頭的設(shè)計計算

·按薄殼理論解，錐體部分的經(jīng)向應(yīng)力、周向應(yīng)力：

按第一強(qiáng)度理論，得到壁厚計算公式有折邊錐殼壁厚計算公式：

有折邊錐殼壁厚計算公式：

式中：（f·Di＝Dc/2）

·無折邊錐殼

大端無折邊錐殼結(jié)構(gòu)的適用條件：α≤30°

小端無折邊錐殼結(jié)構(gòu)的適用條件：α≤45°

應(yīng)考慮錐殼與圓筒連接處的邊緣應(yīng)力，在一定條件下，連接處的壁厚需進(jìn)行加強(qiáng)，如錐殼大端與筒體連接處的加強(qiáng)厚度：

注：a）當(dāng)時，該比值取0.002進(jìn)行查圖和計算。

b）該公式?jīng)]有考慮除壓力外的其他軸向載荷。

·有折邊錐殼

－適用范圍：α≤60°（當(dāng)α＞60°，應(yīng)按平蓋進(jìn)行設(shè)計）

－大端國度段厚度：

其中K＝f·M

注：相當(dāng)于將過渡段與錐殼的連接看成是蝶形封頭過渡段與球冠部分的連接

－小端過渡段厚度：

4.3.3平蓋

1）按板殼理論，圓平板在均布載荷下的最大應(yīng)力：

其中，K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，反映了板邊緣對板最大應(yīng)力的影響。

2）平蓋厚度計算

平蓋與筒體焊接，或與法蘭焊接通過螺栓與圓筒連接，即結(jié)構(gòu)介于簡支和固支之間，因此結(jié)構(gòu)特征系數(shù)：

0.188≤K≤0.309。

對圓平蓋的最大應(yīng)力σmax以1倍的許用應(yīng)力進(jìn)行限制，并考慮平板可能拼接而計及焊接接頭系數(shù)，則得到標(biāo)準(zhǔn)中的平蓋厚度計算公式：

4.4開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)

4.4.1開孔

1）開孔補(bǔ)強(qiáng)原因（目的）：

·彌補(bǔ)因開孔造成的殼體強(qiáng)度削弱；

·由于開孔引起的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，降低局部應(yīng)力水平。

2）GB150中關(guān)于開孔補(bǔ)強(qiáng)計算所考慮的失效模式是開孔接管結(jié)構(gòu)在壓力載荷作用下的高應(yīng)力水平而引起的開裂（沒有考慮循環(huán)載荷引起的疲勞破壞）。

3）GB150適用的開孔形狀：

·圓形、長短徑比小于2的橢圓形和長圓形；

4）GB150適用的開孔范圍：

·當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑dop≤Di/2，且dop≤Di/520mm；當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di＞1500mm時，開孔最大直徑dop＜Di/3，且dop≤1000mm；

·凸形封頭或球殼開孔的最大允許直徑dop≤Di/2；

·錐形封頭開孔的最大直徑dop＜Di/3（Di為開孔中心處錐殼內(nèi)直徑）

注：開孔最大直徑dop對橢圓形或長圓形開孔指長軸尺寸。4.4.2開孔補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)型式及適用條件

1）開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)型式1－補(bǔ)強(qiáng)圏補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)遵循的條件

·低合金鋼的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rm＜540Mpa

·補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5δn

·殼體名義厚度δn≤38mm

若條件許可，推薦以厚壁接管代替補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

2）開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)型式1－整體補(bǔ)強(qiáng)。

采用整體補(bǔ)強(qiáng)的條件（之一）：

·設(shè)計壓力大于4Mpa；設(shè)計溫度大于350；疲勞容器；承裝極度高度危害的容器；補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)不能滿足。4.4.3開孔邊緣的應(yīng)力及其補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則

1）開孔邊緣的應(yīng)力2）補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則

□局部薄膜應(yīng)力

□保障開孔局部截面的靜力強(qiáng)度或防止失穩(wěn)

□彎曲應(yīng)力

□安定性原理出發(fā)，防止結(jié)構(gòu)垮塌

□峰值應(yīng)力

□防止疲勞破壞

3）等面積法的補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則補(bǔ)強(qiáng)開孔局部截面的拉伸強(qiáng)度

·只涉及靜力強(qiáng)度，不考慮峰值應(yīng)力問題（不適用疲勞容器）

對二次應(yīng)力的安定性問題，通過限制開孔范圍進(jìn)行控制4.4.4等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)

1）本質(zhì)上是一種經(jīng)驗方法，無法在理論上證明其必然能保證開孔處結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

2）內(nèi)壓殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：

式中－dop為開孔直徑，其值為接管直徑d加2倍接管壁厚附加量，d的取值：圓筒開孔，徑向a取d；斜向b取d1；切向c取d。

錐殼開孔同圓筒；凸形封頭開孔，一律取長徑。

3）外壓殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積為內(nèi)壓的0.5倍。

4）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍及補(bǔ)強(qiáng)面積－按圖中矩形WXYZ范圍確定

4.4.5圓筒徑向接管開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的分析法

a）適用范圍

1）適用于內(nèi)壓作用下具有單個徑向接管的圓筒，當(dāng)圓筒具有兩個或兩個以上開孔時，相鄰兩開孔邊緣的間距不得小于2；

2）圓筒、接管或補(bǔ)強(qiáng)件的材料，其標(biāo)準(zhǔn)室溫屈服強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值之比ReL/Rm≤0.8；

3）接管或補(bǔ)強(qiáng)件與殼體應(yīng)采用截面全熔透焊縫，從而確保補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性；

4）對圓筒或接管進(jìn)行整體補(bǔ)強(qiáng)，應(yīng)滿足補(bǔ)強(qiáng)范圍尺寸（自接管、圓筒交線至補(bǔ)強(qiáng)區(qū)邊緣的距離：對于圓筒l＞

，對于接管lt＞，或整體加厚圓筒體；補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的A、B類嬙鯈接頭不得有任鑌陷，必要時應(yīng)對此提出無損檢測要求；

5）圓筒與接管之間角焊縫的焊腳尺寸應(yīng)分別不小于δn/2和δnt/2，接管內(nèi)壁與圓筒內(nèi)壁交線處圓角半徑在δn/8和δn/2之間；

6）本設(shè)計方法適用下列參數(shù)范圍：4.5法蘭

4.5.1法蘭的分類及標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用

1）法蘭設(shè)計應(yīng)考慮的主要失效模式是整個法蘭接頭的泄漏，還需顧及螺栓、墊片和法蘭的強(qiáng)度

2）法蘭的分類

3）標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用

·法蘭標(biāo)準(zhǔn)主要是按工程使用經(jīng)驗進(jìn)行編制，當(dāng)選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭時，不必按Waters法進(jìn)行強(qiáng)度校核；

·標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭的公稱壓力是以板材16MnR在常溫下的強(qiáng)度為依據(jù)而制定；

·標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭的最大允許工作壓力應(yīng)按JB/T4700的表6和表7確定。4.5.2基于Waters法的法蘭設(shè)計方法

1）法蘭密封的影響因素：

螺栓預(yù)緊力、墊片性能、法蘭密封面的特征、法蘭剛度、螺栓剛度、操作工況。

2）螺栓法蘭的設(shè)計內(nèi)容

·確定墊片材料、型式、尺寸；

·確定螺栓材料、規(guī)格、數(shù)量；

·確定法蘭材料、密封面型式、結(jié)構(gòu)尺寸；

·進(jìn)行應(yīng)力校核；

針對防止密封失效所提出的限定各種泄漏率的密封設(shè)計方法是非常有特色的。以致在世界壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面形成了美國ASME和歐盟13445兩大體系的新格局。這些都非常值得重視和深入研究。4.6檢驗中的強(qiáng)度校核

1）例：內(nèi)壓圓筒體

——按壁厚校核

——按壓力校核

1.原設(shè)計已明確所用強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的，可按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度校核；

2.原設(shè)計沒有注明所依據(jù)的強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或無強(qiáng)度計算的，原則上可根據(jù)用途（如石油、化工、冶金、輕工、制冷等）或類型（如球罐、廢熱鍋爐、搪玻璃設(shè)備、換熱器、高壓容器等），按當(dāng)時的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核；

3.進(jìn)口的或按國外規(guī)范設(shè)計的，原則上仍按原設(shè)計規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度校核。如設(shè)計規(guī)范不明，可參照我國相應(yīng)的規(guī)范；

4.材料牌號不明并且