压力容器设计的力学方法课件.ppt
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1、GB150.3压力容器-设计郑津洋2012年2月22-23日 黄山,GB150.3对GB150-1998所作的修改和增加的内容 内压圆筒和内压球壳-增加了按外径进行壁厚设计计算的相应公式,受外压圆筒和球壳以及外压曲线-增加了对应于高强度材料的外压曲线增加了材料与应力系数B曲线图的对应选用表加强圈的结构设计作了部分修改,各种封头的设计计算方法 增加了偏心锥壳、低压折边平封头、带筋平封头和拉 撑结构的设计计算方法 调整了部分平盖的结构特征系数K 增加了适用于平封头与筒体全熔透连接结构的塑性分 析设计方法 修改了球冠形封头、锥壳与筒体连接的加强设计方法,开孔补强的设计方法 增加了针对筒体上法向接管开
2、孔补强设计的分析方 法,开孔率适用范围可达0.9 修改了平盖上开孔接管的补强设计方法,法兰设计计算方法增加了整体法兰和按整体法兰计算的任意法兰的刚度 校核要求 增加了波齿垫片设计选用参数,附录D“焊接接头结构”按多年来我国压力容器行业的实践经验以及国外相关标准规范的内容对GB150-1998附录J所列的各种焊接接头结构形式作了调整,并增加了若干E类焊接接头的结构形式,附录E“关于低温压力容器的基本设计要求”按材料和制造技术要求,对低温压力容器的界定作了修改 更加严格了适用“低温低应力工况”的条件,以内径为基准的公式用于板材卷制的筒体;以外径为基准的公式一般用于管材作为筒体的场合,受内压壳体的强
3、度设计 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,筒体的壁厚设计 中径公式得到的筒体的环向应力(最大主应力):,以外径为基准,以内径为基准,弹性力学解(拉美公式),屈服条件(第一强度理论):,基于弹性失效设计准则和薄壁圆筒理论的壁厚计算 按照弹性失效设计准则,由中径公式(实际上是第一强度理论)、Mises屈服准则、Tresca屈服准则可得到的圆筒计算压力与径比K的关系:按中径公式+第一强度理论 按拉美公式+第三强度理论(Tresca屈服准则)按拉美公式+第四强度理论(Mises屈服准则),试验发现:按第四强度理论预测的圆筒初始屈服压力与实测值最为接近。由图可
4、以看出:(1)按弹性失效观点,在同一承载能力下,由中径公式算出的厚度最薄,最危险;由Tresca设计准则算出的厚度最厚,最保守。(2)在径比较小时,三种计算方法的差别不大。(3)只有在径比较低时,中径公式才与其他两种设计准则十分接近。一般将中径公式的适用范围规定为:,按弹性失效准则时圆筒计算压力与径比关系,基于塑性失效设计准则的壁厚计算 假设材料为理想弹塑性,基于Mises屈服准则、Tresca屈服准则可分别得到圆筒的全屈服压力预测公式。用许用应力和焊接接头系数的乘积代替屈服强度,可以得到计算压力和径比的关系基于Mises屈服准则基于Tresca屈服准则,按塑性失效准则时圆筒计算 压力与径比的
5、关系,分析讨论 由级数展开得 因为K大于1,所以 这就是说:在径比和材料一定时,按Tresca屈服准则得到的计算压力大于按中径公式得到的计算压力;反之,当计算压力和材料一定时,按中径公式得到较厚的壁厚,偏保守。值得注意的是:当径比较小时两者的差异很小。,基于此,新版ASME BPVC VIII-2中,不论厚或者薄,圆筒的厚度均基于Tresca屈服准则,即厚度计算公式为,球壳的壁厚设计中径公式:,半球形封头壁厚计算公式与圆筒壁厚计算公式对应,用弹塑性力学解得到的球壳极限压力,极限压力:,GB150规定球壳中径公式的适用范围为 p/0.6(即K 1.35,相对误差约为-0.7%),受外压壳体的刚度
6、设计 GB150中关于外压壳体的计算所考虑的主要失效模式是结构在外压载荷作用下的周向失稳,也兼顾结构的塑性强度破坏,无限长圆筒失稳时的波数为2,失稳临界压力可以下式求得:,短圆筒的失稳临界压力用美国海军水槽公式计算:,失稳临界压力可按以下通用公式表示:,圆筒失稳时的环向应力和应变:,定义,于是,取稳定系数 m=3,有,定义,外压应力系数,外压应变系数,注:有了A和B的定义后,受外压筒体可用图算法进行设计,该方法计及了圆筒的非弹性失稳。,受外压球壳的临界压力计算公式 小挠度理论解:,实验结果表达式:,仍取稳定系数 m=3,B定义为失稳临界应力,有,将实验结果表达式代入,有,注:1.若以小挠度理论
7、解代入B的表达式,并保持A的表达式不变,则相当于取稳定系数为 m=14.52(或m15);2.外压球壳也可用图算法进行设计计算。,受外压圆筒和外压计算曲线 在GB150-2011中对外压壳体计算用的B值曲线作了扩充,所有GB150给出的材料都对应有相应的B值曲线(见表4-1),注:对于受外压的容器,各种材料的使用温度上限将由相应的B值曲线确定,两条特殊的B值曲线,注:包括Q370R、15CrMoR、09MnD、09MnNiD等材料,且设计温度不超过150,注:包括07MnMoVR、12MnNiVR、06Ni9DR等Rm大于540MPa的材料,且设计温度不超过200,调整外压圆筒加强圈的设计,加
8、强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩 Is的增补说明,在原标准的基础上,新版GB150中4.5.1.1规定:(1)Is 值的计算可计入在加强圈中心线两侧有效宽度各为 的壳体;(2)若加强圈中心线两侧圆筒有效宽度与相邻加强圈的圆筒有效宽度相重叠,则该圆筒的有效宽度中相重叠部分每侧按一半计算。,对于容器内部的加强圈,若布置成下图所示的结构时,原GB150规定该截面的惯性矩应视间隙长度按虚线内、外部分计算。,修改部分结构的加强圈设置,实际工程发现取具最小惯性矩的截面进行计算更为适合,因此新版标准中对其进行了修改。,各种封头的设计计算方法 GB150中关于各种封头的设计计算考虑的主要失效模式有结构在内压作
9、用下的塑性强度破坏和局部失稳、结构在外压载荷作用下的失稳以及封头与筒体连接处可能发生的累积塑性变形引起的失效,球形封头、椭圆封头和碟形封头都给出了以内径和外径为基准的壁厚计算公式,球冠形封头,筒体的计算厚度,球冠形封头的壁厚设计方法说明 a)球面部分的厚度与加强段的厚度可不一致,b)当pc/t 0.002时(相当于2/Di 0.002),按以下方法确定计算系数Q,并计算加强段厚度:1)按pc/t=0.002查图得到Q值;2)取=0.001 Di;3)r=Q,注:当径厚比很大时,尚应考虑结构的刚度问题,若仍以 pc/t 确定Q值,将不能保证结构的安全,锥形封头的壁厚设计 对于承受外压的锥形封头应
10、首先满足该设计条件下的强度要求(GB150-2011新增的要求),受内压无折边锥壳大端与筒体连接处的应力校核(包括两部分)1)压力作用下为满足变形协调产生的边缘应力校核(GB150-1998包括的计算内容)控制应力为轴向弯曲应力,强度条件为轴向总应力不大于3t(即采用应力分类的强度条件),注:曲线系按最大应力强度(主要为轴向弯曲应力)绘制,控制值为3t。图5-11 确定锥壳大端连接处的加强图,注:曲线系按最大应力强度(主要为轴向弯曲应力)绘制,控制值为3t;2.当pc/t 0.002时(相当于2/Di 0.002)r=0.001Q1DiL式中,Q1 按 pc/t=0.002查图5-12得到,图
11、5-12 锥壳大端连接处的Q1 值图,加强段厚度:r=Q1,筒体的计算厚度,2)轴向力QL作用下,为满足连接边缘的力平衡和变形协调所产生的应力校核(GB150-2011新增的计算校核内容)沿圆周单位长度上的轴向力QL,注:1)轴向力f1以代数值代入,拉为正,压为负;2)以下的计算方法仅针对QL为正的情况,如QL为负,应采用其他分析方法进行计算。,该环向应力的极限条件为:,注:1)相当于GB150-2011中的 值(查表5-5)应不小于锥壳半顶角;2)当仅由压力载荷作用时,该校核条件相当于将负的最大边缘应力中的绝对值限制为与筒体的周向应力等值。,连接边缘的环向应力:,当不满足该条件时,应增加的面
12、积为:,式中:k为壳体材料性能(许用应力和弹性模量乘积)与加强圈材料性能的比值 或查表5-5,要求满足,式中:AeL为有效加强面积,无折边锥壳小端与筒体连接处的加强计算 1)压力作用下为满足变形协调产生的边缘应力校核(GB150-1998包括的计算内容),注:如按一次局部薄膜应力不大于1.5t的强度条件,则应力超过t 的范围将可能大于,2)轴向力QS作用下,为满足连接边缘的力平衡和变形协调所产生的应力校核(GB150-2011新增的计算校核内容)连接边缘的经向应力将起决定性作用:,该经向应力的极限条件为:,相当于GB150中的 值(查表5-5)应不小于锥壳半顶角,当不满足该条件时,应增加的面积
13、为:,式中:k为壳体材料性能(许用应力和弹性模量乘积)与加强圈材料性能的比值,要求满足,式中:Aes为有效加强面积,有折边锥壳与筒体连接处进行的加强计算方法同GB150-1998中的方法,外压力作用下的无折边锥形封头也需要对轴向力QL作用下,为满足连接边缘的力平衡和变形协调所进行的应力校核(GB150-1998包括的计算内容),1)分析结果表明在锥壳大端与筒体连接处的最大压应力为经向应力:,注:1)轴向力f1以代数值代入,拉为正,压为负;2)本节的计算方法仅针对QL为负的情况,如QL为正,应采用其他分 析方法进行计算。,在标准中限制该压应力的绝对值不大于,当压应力超过该限定值,就需要进行面积加
14、强,需加强的面积为:,式中,筒体材料的许用应力和筒体的经向焊接接头系数,注:相当于GB150中规定的值(查表5-8)应不小于锥壳半顶角,要求满足,式中:AeL为有效加强面积,取绝对值,2)无折边锥壳小端与圆筒连接处是否需加强直接先计算需要的加强面积(式5-29):,要求满足,式中:Aes为有效加强面积,注:1)是否需进行面积加强的计算校核仅针对无折边锥壳与筒体的连接;2)锥壳与筒体连接处是否作为支撑线考虑由设计人员确定。如连接处作为支撑线,则应对连接处进行惯性矩校核。,偏心锥壳的厚度计算,1,2,1)受内压偏心锥壳,取1和2中大值,按正锥壳计算;,2)受外压偏心锥壳,分别取1和2,按正锥壳计算
15、。,平盖设计 a)平盖厚度计算公式同GB150-1998,但结构形式和计算系数 K 有所不同,b)在GB150-2011中新增了结构13、14、16、17,c)加筋的圆形平盖,式中:d 取图5-23所示 d1 和 d2 中较大者,其中,注:筋板数n6;应尽可能使d1d2,当采用矩形截面筋板,将组合梁看成A端为固支,B端为简支,扇形区承受的压力作用在组合梁的形心C。这样,筋板与平盖组合截面抗弯模量W 应满足:,注:a)如采用矩形截面筋板,其高厚比一般为58;b)筋板与平盖之间应采用双面焊;c)平盖中心加强圆环截面的抗弯模量不小于加强筋板的截面抗弯模量。,拉撑结构的设计 适用于以棒材、管材或板材(
16、以下简称“拉撑”)支撑的凸型封头、平封头及筒体的设计及计算,1)规则拉撑结构的系数L和K:L=max(L1,L2,L3),2)不规则拉撑结构的系数L和K:(a)取通过3个支撑点的内部没有支撑的最大圆直径为d,则支撑的间距;(b)按最大圆通过的相应支撑点类型,系数K取表 5-14的平均值(当支撑结构中存在不同支撑点类型时)。,3)拉撑件的强度校核:a)无孔板的支承载荷:拉杆与其相邻的所有支撑中心连线的垂直平分线所围成的面积为该拉杆的支撑面积,其上承受的计算压力载荷为该拉杆所承受的支承载荷;b)多孔板的支撑载荷:由一根支撑管(杆)的支撑面积减去该面积内的管孔总面积,其上承受的计算压力载荷为该管状拉
17、撑所承受的支承载荷,c)拉撑所需要的最小截面面积,注:式中另取1.1倍的安全系数主要考虑腐蚀的影响,开孔补强的设计方法 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局部高应力而引起的开裂(没有考虑循环载荷引起的疲劳破坏),开孔补强的目的:减小壳体与接管连接处的应力水平,避免由于该处的高应力水平而引起的开裂,注:由应力分类的强度以及应力分析结果可知,壳体上开孔接管结构在压力载荷作用下起决定作用的总是一次局部薄膜应力,不需另行补强的最大孔直径见表6-1,并应满足以下要求:a)设计压力p 2.5 MPa;b)两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不 小于两孔直
18、径之和;对于3 个或以上相邻开孔,任意两孔 中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于该两孔直 径之和的2.5 倍;c)开孔不得位于A、B 类焊接接头上。,注:1)当腐蚀裕量不为1mm时,表6-1中的接管壁厚应相应调整。,开孔补强的计算截面选取 所需的最小补强面积应在下列规定的截面上求取:a)对于圆筒或锥壳开孔,该截面通过开孔中心点与筒体轴线;b)对于凸形封头或球壳开孔,该截面通过封头开孔中心点,沿开孔最大尺寸方向,且垂直于壳体表面,在对筒体进行等面积补强计算时,ASME VIII-1规定了一系数 F:,a)沿长圆孔的长轴B-B截面计算时的需补强面积为(F=0.75,B=4d):,b)沿筒体轴
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- 压力容器 设计 力学 方法 课件
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