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内外压容器受压元件设计,一、压力容器的构成,经典板壳结构（一）旋转薄壳圆筒圆柱壳 球形封头 球壳椭圆封头（椭球壳）碟封（球冠与环壳）锥形封头（锥壳）以薄膜应力承载 在压力作用下，以薄膜应力为主，即以薄膜应力承载，因此整体上产生一次薄膜应力，其应力控制值是一倍的许用应力；但在相邻元件连接部位会因变形协调产生局部薄膜应力和弯曲应力，称为二次应力，其控制值是3倍的许用应力。,（二）平板 圆平板（平盖）环形板（开孔平盖）环（法兰环）弹性基础圆平板（管板）以弯曲应力承载,一、压力容器的构成,1、圆筒(GB150、P26。式51)1）应力状况：两向薄膜应力、环向应力为轴向应力的两倍。2）壁厚计算公式：计算应力值的中径公式另一种表现形式为：=Pc(K+1)/2(K-1)符号说明见GB 150。称中径公式：适用范围，K1.5，等价于pc0.4t 3）公式来由：内压圆筒壁厚计算公式是从圆筒与内压的静力平衡条件得出的。,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,上述计算公式认为应力是沿圆筒壁厚均匀分布的，它们对薄壁容器是适合的。但对于具较厚壁厚的圆筒，其环向应力并不是均匀分布的。薄壁内径公式与实际应力存在较大误差。对厚壁圆筒中的应力情况以由弹性力学为基础推导得出的拉美公式较好地反映了其分布。厚壁和薄壁圆筒的概念：按照承压回转壳体的无力矩理论是指壁厚和直径的比值；若壁厚超过直径的1/10则被称为“厚壁筒”；反之，则为“薄壁筒”。与这个指标相当的是“径比”K，K=DO/Di,当K大于1.2时为“厚壁筒”，小于或者等于1.2时为“薄壁筒”。,二、压力容器受压元件计算,拉美公式与薄膜公式比较采用薄壁理论时，认为DODi，即K 1，max=min当k=Do/Di=1.1时，内外壁应力相差为10%当k=1.3时，内外壁应力相差为35%,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,由拉美公式知：=Pc(K2+1)/(K2-1)厚壁筒中存在的三个方向的应力，其中只有轴向应力是沿厚度均匀分布的。环向应力和径向应力均是非均匀分布的，且内壁处为最大值。筒壁三向应力中，周向应力最大，内壁处达最大值，外壁处为最小值，内外壁处的应力差值随K=D0/Di增大而增大。当K=1.5时，由薄壁公式按均匀分布假设计算的环向应力值比按拉美公式计算的圆筒内壁处的最大环向应力要偏低23%，存在较大的计算误差。,二、压力容器受压元件计算,由于薄壁公式形式简单，计算方便、适于工程应用。为了解决厚壁筒时薄壁公式引起的较大误差，由此采取增大计算内径，以适应增大应力计算值的要求。为此将圆筒计算内径改为中径，即以（Di+）代替Di代入薄壁内径公式中：,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,4）公式计算应力的意义：一次总体环向薄膜应力，控制值。采用中径公式后，计算的应力水平和拉美公式计算结果相比，其值只相差3.8。5）焊接接头系数：指纵缝接头系数。焊接接头系数：在不同的计算要根据筒体受力情况确定；如卧式容器，塔等进行轴向应力校核时，应采用环向焊接接头系数。,二、压力容器受压元件计算,2.球壳 1）应力状况：两向应力作用，各向薄膜应力相等。2）厚度计算式(GB150P26、5-5式）。称中径公式，适用范围pc0.6等价于K1.3533）公式来由：同圆筒轴向应力作用情况。4）计算应力的意义：一次总体、薄膜应力（环向、经向）控制值：。,二、压力容器受压元件计算,2.球壳 5）焊缝接头系数：指所有拼缝接头系数（纵缝、环缝）。注意包括球封与圆筒的连接环缝系数。6）与圆筒的连接结构：见GB 150附录J图J1（d）、（e）、（f）。连接原则：不能削薄圆筒，局部加厚球壳。,二、压力容器受压元件计算,3.椭圆封头A、内压作用下1）应力状况a.薄膜应力（两向应力作用，纬（环）向、经向）a）标准椭圆封头薄膜应力分布：,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,经向应力：最大应力在顶点。环向应力：最大拉应力在顶点，最大压应力在底边。b)变形特征：趋圆。c)计算对象意义：拉应力强度计算 压应力稳定控制b.弯曲应力（与圆筒连接）a)变形协调，形成边界力。b)产生二次应力。,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,c.椭圆封头的应力：薄膜应力加弯曲应力。最大应力的发生部位、方向、组成。,二、压力容器受压元件计算,K=,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,3）焊缝接头系数。指拼缝，但不包括椭封与圆筒的连接环缝的接头系数。4）内压稳定：a.a/b2.6限制条件b.防止失稳，限制封头最小有效厚度：a/b2，即K1 min0.15%Dia/b 2，即K1 min0.30%Di,二、压力容器受压元件计算,B.外压作用下：1）封头稳定以薄膜应力为对象计算：a.变形特征：趋扁。b.计算对象 过渡区不存在稳定问题。封头中心部分“球面区”存在稳定。c.计算意义，按外压球壳。当量球壳：对标准椭圆封头；当量球壳计算外半径：Ro=0.9Do。Do封头外径。,二、压力容器受压元件计算,2）对对接圆筒的影响。外压圆筒计算长度L的意义：L为两个始终保持圆形的截面之间的距离。椭圆封头曲面深度的1/3处可视为能保持圆形的截面，为此由两个椭圆封头与圆筒相连接的容器，该圆筒的外压计算长度L=圆筒长度+两个椭圆封头的直边段长度+两倍椭圆封头曲面深度的1/3。（见GB150，28页、教材169页）,二、压力容器受压元件计算,3）外压圆筒失稳特点a.周向失稳（外压作用）圆形截面变成波形截面，波数n从2个波至多个波。长圆筒 n=2，短圆筒 n2。b.轴向失稳（轴向力及弯矩作用）塔在风弯、地震弯矩和重力载荷作用下的失稳。轴线由直线变成波折线。,二、压力容器受压元件计算,4.碟形封头 受力、变形特征，应力分布，稳定，控制条件与椭封相似，只不过形状系数由K（椭封）改为M。内容从略,二、压力容器受压元件计算,5.锥形封头（GB150P57、式77）1)薄膜应力状态a.计算模型：当量圆筒。60 应力状况与圆筒相似，同处的环向应力等于轴向应力的两倍，但不同直径处应力不同。b.计算公式：=,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,5.锥形封头c.计算应力的意义：一次、总体（大端）环向薄膜应力，控制值。d.焊缝接头系数。指锥壳纵缝的接头系数。,二、压力容器受压元件计算,5.锥形封头2）弯曲应力状态（发生于与圆筒连接部位）a.变形协调，产生边界力，引起边缘应力。b.锥壳端部的应力。端部应力由薄膜应力+弯曲应力组成。大端：最大应力为纵向（轴向）拉伸薄膜应力+轴向弯曲的拉伸应力组成。小端：起控制作用的应力为环向（局部）薄膜应力。,二、压力容器受压元件计算,5.锥形封头2）弯曲应力状态（发生于与圆筒连接部位）c.大、小端厚度的确定（1）按图711（小段按图713）确定是否在连接处进行加强；（2）无需加强时，按77式计算厚度；（GB150,P57）（3）当需要加强时，锥壳及筒体都应设置加强段，按式78计算（小段按式79计算）Q-应力增值系数，大段由图712，小段由图714查取。,二、压力容器受压元件计算,a)大端：当轴向总应力超过3时，（由查图7-11确定），则需另行计算厚度，称大端加强段厚度。计算公式：其中：Q 称应力增值系数，其中体现了边缘应力的作用，并将许用应力控制值放宽至3。,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,L1=,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,二、压力容器受压元件计算,6、球冠形封头一）内压作用（1）与筒体的连接方式（2）边缘问题及应力分布情况（3）厚度计算公式（4）焊接接头系数（5）圆筒加强段二）外压作用球冠封头受外压的厚度，应满足按内压和外压稳定计算厚度，取两者的大值。,三）两侧受压当不能保证在任何情况下封头两侧的压力都同时作用时，封头厚度应按两种情况计算，取其大值。只考虑凹面受压，计算厚度按式（76）确定，Q值由图76查取；只考虑凸面受压，计算厚度按式76确定，Q值由图77查取，此外还应按不应小于按确定的有效厚度。,二、压力容器受压元件计算,7.圆平板1)应力状况：两向弯曲应力，径向、环向弯曲应力。2)两种极端边界支持条件。a.简支：圆板边缘的偏转不受约束，max 在板中心，径向应力与环向应力相等。b.固支：圆板边缘的偏转受绝对约束（等于零），max在 板边缘为径向应力。c.螺栓垫片联接的平盖按简支圆板处理，max在板中心。,二、压力容器受压元件计算,1.壳和板的开孔补强准则。a.壳（内压）的补强拉伸强度补强，等面积补强。b.板的补强弯曲强度补强，半面积补强。2.等面积补强法。补强计算对象是薄膜应力，大开孔时，由于孔边出现较大的弯曲应力，故不适用大开孔。1)开孔所需补强面积A。A=d+2et(1f)d开孔计算直径，d=di+2c开孔计算厚度，开孔部位按公式计算的厚度。d壳体开孔丧失的承受强度的面积。2et(1-ff)由于接管材料强度低于筒体时所需另行补偿的面积。,三、开孔补强,三、开孔补强,三、开孔补强,a.壳体：B=2d意义：受均匀拉伸的开小孔大平板，孔边局部应力的衰减范围。b.接管：圆柱壳在端部均布力作用下，壳中环向薄膜应力的衰减范围（同锥壳小端加强段长度的意义）。3.d，的确定。1)da.圆筒：纵向截面上的开孔直径,三、开孔补强,三、开孔补强,b.球壳：较大直径c.椭封，碟封，同球壳d.锥壳：同圆筒。,三、开孔补强,2)a.圆筒：按b.球壳：按c.椭圆封头：过渡区取封头计算厚度，球面区，取球面当量球壳计算厚度。标准椭封当量球壳半径Ri=0.9Di,三、开孔补强,d.碟形封头：周边r部位开孔，取封头计算厚度中心R部位开孔，取球壳计算厚度。,三、开孔补强,e.锥形封头取开孔中心处计算直径2R的计算厚度。,三、开孔补强,1外压容器的补强外压壳体开孔补强所需面积A为下式：A0.5 d+2et(1-fr)式中:为壳体外压计算的有效厚度,其余计算同内压。本式表明所需补强材料的面积等于壳体因开孔丧失的用来承受外压稳定所需材料的一半;对椭圆封头等不再对过渡区和球面进行区分。,四、其他开孔补强,2平盖开孔补强平盖不论承受内压还是外压,板中始终是弯曲应力,只有弯曲强调问题,不存在失稳问题,故其计算厚度方法两者是一致的,开孔补强计算方法也是一样的;开孔补强所需面积:A=0.5dp当开孔率大于0.5时:受力与法兰接近,故其开孔补强按法兰或者反向法兰进行计算。,四、其他开孔补强,3多个开孔补强a.当任意两个相邻开孔的中心距小于两孔平均直径两倍时：采用联合补强，两孔之间的面积至少等于两开孔所需补强面积之和的50%，计算时，计算时任何截面积不得重复计算。b.当两个以上相邻开孔的中心距小于该两孔平均两倍时：则中心距至少等于其平均直径的1(1/3)倍，则该两孔之间的任何金属均不得用作补强，并需按c的方法计算。c.任意数量并以任意方式排列的相邻开孔，均可作为一个假想孔（其直径包括所有靠近开孔）进行补强，假想孔直径不得超过8.2的规定，所有接管金属均不得用作补强。,四、其他开孔补强,4排孔的补强要求:圆筒上开排孔时，应用排孔削弱系数代替式（5-1）中的焊接接头系数，对筒体进行校核。（见GB150 P79）,四、其他开孔补强,1.法兰联接设计包括垫片、螺栓、法兰三部分。2.垫片设计1)垫片宽度a.接触宽度Nb.压紧宽度boc.有效密封宽度b2)垫片比压力垫片在予紧时，为了消除法兰密封面与垫片接触面间的缝隙，需要施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力，称为垫片的比压力。,五、法兰,3)垫片系数垫片在操作时，为保持密封，需要施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力与内压力的比值，称为垫片系数。4)垫片合理设计的原则，应使垫片在予紧和操作两种状态下所需的压紧力尽可能小（垫片力小）。3.螺栓设计螺栓设计的关键：应使螺栓中心圆直径尽可能小（力臂小）。,五、法兰,4.法兰设计1)法兰的应力H轴向应力R径向应力T环向应力2）法兰设计的关键应使法兰三个计算应力仅量接近相应的许用应力；趋满应力状态。,五、法兰,五、法兰,
