压力容器受压元件分析讲义-桑如苞NEW.ppt

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1、内外压容器受压元件分析,桑如苞,2012年4月6日,内外压容器受压元件分析,压力容器都离不开一个为建立压力所必须的承压外壳压力壳。内外压容器设计即是指对组成压力壳的各种元件在压力作用下的设计计算。,压力壳必须以一定方式来支承：当采用鞍式支座支承时成为卧式容器的形式，由于自重、物料等重力作用，在压力壳上（特别是支座部位）产生应力，其受力相当于一个两端外伸的简支梁，对其计算即为卧式容器标准的内容。,内外压容器受压元件分析,当采用立式支承时成为立（塔）式容器的形式，由于自重、物料重力、风载、地震等作用，在压力壳上产生应力，其受力相当于一个直立的悬臂梁，对其计算即为塔式容器标准的内容。当压力壳做成球形

2、以支腿支承时，即成为球罐，在自重、物料重力、风载、地震等作用下的计算即为球形储罐标准的内容。,内外压容器受压元件分析,压力作用下，以薄膜应力承载，为此整体上产生一次薄膜应力，控制值1倍许用应力。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，称二次应力，控制值3倍许用应力。,压力作用下，以弯曲应力承载，为此整体上产生一次弯曲应力，控制值1.5倍许用应力。,一、压力容器的构成,内外压容器受压元件分析,1.一次应力 为平衡外载（压力 P、重力、风载、地震载荷等）产生的应力。如强度不足，当时发生破坏，称静强度失效。如容器爆破，风载、地震作用下结构物倒塌。此种应力：分为薄膜应力和弯曲应力

3、两种。其中薄膜应力又分为总体（一次总体薄膜应力）和局部薄膜应力。如容器圆筒中的环向、轴向薄膜应力即是一次总体薄膜应力，控制为1倍，局部薄膜应力控制值为1.5，发生于筒体端部。,二、容器中的应力,内外压容器受压元件分析,2.二次应力 由于变形协调产生的应力，如椭封与筒体连接处，在压力P作用下变形协调引起的应力。如强度不足，当时不会发生破坏，但会在多次加压卸压下发生破坏，称为失去安定。生活中折屈铁丝便是一例。引起这种破坏不分薄膜与弯曲应力，是等价的，许用值为一次+二次应力强度。,内外压容器受压元件分析,一次应力和二次应力在GB150常规设计中都是考虑了。所有元件计算中都考虑了一次应力和二次应力的强

4、度，但有的元件是一次应力起控制作用，如圆筒、球封、锥壳，有的是一次+二次应力强度起控制作用。（如锥形封头大端加强段，球冠封头等）。椭封和碟封设计中将其总应力以1倍 控制，是保守的。为此俄罗斯标准中对此可不计封头冲压减薄。,内外压容器受压元件分析,与二次应力相关的载荷主要是压力（开、停车）。地震、风载不考虑。水压试验并不能检验二次应力的破坏。3、峰值应力 在GB150中未考虑，它涉及疲劳破坏。,内外压容器受压元件分析,1.各种壳的壁厚计算公式都可以圆筒公式为基础来表示。1）圆筒公式：2）球壳公式：3）椭封公式：4）碟封公式：,三、各种壳元件壁厚计算公式分析比较,内外压容器受压元件分析,5）锥封公

5、式：6）锥封大端加强段公式：7）锥封小端加强段公式：8）球冠封头公式：,内外压容器受压元件分析,2、各种壳元件壁厚计算所针对的最大应力的状况,内外压容器受压元件分析,内外压容器受压元件分析,3、各种壳元件壁厚设计的基础 1）基于强度设计基于一次总体薄膜应力强度：圆筒环向 球壳环向，经向 锥壳环向 基于一次局部薄膜应力强度：锥壳小端加强段环向 1.1基于一次薄膜应力+二次弯曲应力强度：锥壳大端加强段经向 3 球冠形封头 经向 3,内外压容器受压元件分析,2）基于强度和稳定并存的设计 椭圆形封头，碟形封头 强度：一次薄膜+二次弯曲，经向，稳定：环向，控制最小有效厚度。,内外压容器受压元件分析,四、

6、开孔补强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。c.壳（外压）的补强 弯曲强度补强，半面积补强。,内外压容器受压元件分析,2.等面积补强法。补强计算对象是薄膜应力，未计及开孔边缘的二次应力（弯曲应力等）。大开孔时，由于孔边出现较大的弯曲应力，故不适用大开孔。,内外压容器受压元件分析,图中a,b,c三孔，由于“计算直径”相同，从等面积补强来讲，开孔补强面积是一样的，但孔边的应力集中相差很大。在A点，a孔 K=4.5 b孔 K=2.5 c孔 K=1.5所以圆筒上的长孔，应使长轴垂直筒体轴线。,内外压容器受压元件分析,为此GB

7、150中，对等面积补强法：限制长圆孔长短径之比a/b2，是为了控制孔边的应力集中；限制开孔率（d/D）0.5，是为了控制孔边出现过大的弯曲应力。,内外压容器受压元件分析,开孔所需补强面积A A=d+2et(1-fr)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-fr)由于接管材料强度低于筒体时所需另行补偿的面积。,内外压容器受压元件分析,3.各种壳元件上开孔补强计算参数（d，）开孔所需补强面积A=d+2et(1-fr),内外压容器受压元件分析,内外压容器受压元件分析,4.压力面积法,内外压容器受压元件分析,5.等面积法与压力面

8、积法比较等面积法：筒体上的补强范围 压力面积法：筒体上的补强范围 对小直径低压容器，若开大孔，则，等面积法的补强范围大于压力面积法。所以筒体上多余面积可利用较多，则另行补强面积就可少（补强板可小）。反之（对于大直径容器，如开孔），则相反。,内外压容器受压元件分析,6大开孔补强设计1)大开孔边缘的应力 a.局部薄膜应力 m b.弯曲应力 b mb 所以大开孔补强不能忽略弯曲应力的作用。,内外压容器受压元件分析,2)大开孔边缘的弯矩,a.ASME给出的绕圆筒母线的弯矩,b.圆筒双向倍值拉伸引起的弯矩,c.接管与圆筒在压力作用自由变形差引起的边缘弯矩,内外压容器受压元件分析,左半个圆筒上的力对1-1

9、截面的弯矩,所以圆筒在压力作用下只有薄膜应力，没有弯曲应力，处薄膜应力状态。但开孔接管后，接管直径范围内压力轴向作用产生的轴向力，作用到接管壁上与原开孔前压力作用位置发生变化，由此引起1-1截面的弯矩差。,内外压容器受压元件分析,内外压容器受压元件分析,内外压容器受压元件分析,内外压容器受压元件分析,3)大开孔边缘承受弯矩的范围只与圆筒 有关，与接管直径关系不大。4)大开孔边缘的弯曲应力不允忽略，小开孔边缘可不计。孔边弯矩 和 随r大幅增加，但圆筒承受此弯矩的范围 不与r相关，保持不变，所以弯曲应力会很大。小开孔时，r，而承受弯矩的范围仍为，所以弯曲应力很小，可不计。,内外压容器受压元件分析,

10、5)大开孔边缘应力的精确计算a.解析法：GB150中的方法，具有国际水平。b.数值法：有限元分析，工程中常用。特点：快捷简便。,内外压容器受压元件分析,c.解析法的等效应力校核1）计算圆筒和接管的中面直径；2）计算3）查图确定Km，K；4）（局部薄膜应力）（局部薄膜+弯曲应力）5）评定6）不满足，调整 和，直至满足。,内外压容器受压元件分析,6）大开孔补强结构 1）采用整体补强结构：优先采用厚壁管或加厚筒节，整体补强锻件；2）不允许采用补强圈（弯曲应力作用下，补强圈与筒体不能成一实体，组合截面抗弯能力不能与等同厚度的筒体相当）；3）厚壁管长度（衰减长度）加厚筒节长度 4）对接管与筒体的连接焊缝

11、必须全截面焊透，并进行超声检测，特别对“肩部”焊缝重点检测。具体要求见标准。,内外压容器受压元件分析,五、法兰 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N b.压紧宽度bo c.有效密封宽度b,内外压容器受压元件分析,2)垫片比压力垫片在预紧时，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。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）。,内

12、外压容器受压元件分析,3.螺栓设计关键应使螺栓中心圆直径尽可能小（力臂小）。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,内外压容器受压元件分析,2）法兰设计的关键 应使法兰三个计算应力尽量接近相应的许用应力；趋满应力状态。,内外压容器受压元件分析,5、Waters法与ASME法兰刚度计算法的分析比较,内外压容器受压元件分析,1）Waters法的假定与存在的问题国际上较为通行的压力容器法兰设计方法当属Waters法。该法于1937年提出，其对法兰计算模型作了以下简化。法兰的应力由3部分组成：（1）法兰力矩产生的应力；（2）由压力直接作用于组成法兰的三部分（直边段、锥颈、法兰环）上引

13、起的轴向和环向应力（法兰环上可忽略）；（3）由组成法兰的三部分间由于压力作用下变形协调引起的边界力产生的应力。,内外压容器受压元件分析,法兰受载情况见下图，法兰应力只考虑了图1（a）中的法兰力矩的作用。实际上由压力在法兰直边段中产生的应力并非很小。对于平焊法兰来说，其直边段厚度即为与法兰对接的圆筒的厚度。此厚度按内压圆筒计算。内压圆筒计算此壁厚时，将其环向薄膜应力控制在一倍筒体材料的许用应力，此时圆筒中的轴向薄膜应力 即达0.5。这轴向应力 相比法兰力矩在法兰锥颈上引起的法兰轴向弯曲应力（按标准控制1.5），可见/3，故 已非小量。同时因 为一次总体薄膜应力，而 又为一次弯曲应力。即法兰锥颈小

14、端的总轴向应力为。根据塑性力学的极限设计原理：。而Waters法中已将 控制至1.5，为此是不合理的。,内外压容器受压元件分析,内外压容器受压元件分析,由Waters法所计算的法兰应力比由有限元分析所得的应力要小13，其挠度则小一半。就此说明Waters法在简化中略去了（2）的作用，对平焊法兰的设计会造成很大的影响。因此按此设计的法兰可能因变形较大，引起密封的泄漏问题，为此，ASME标准中对该法提出了补充进行刚度计算的要求。,2）ASME标准的法兰刚度计算方法 美国ASME标准为了解决Waters法可能造成的较大变形引起泄漏问题，对该法补充提出了刚度计算要求。此刚度法对整体法兰来说，实质上是控

15、制锥颈大端的偏转角2/3，比英国BS1500的限制法兰密封面偏转角3/4稍小。,内外压容器受压元件分析,3）Waters法与ASME刚度法的比较 Waters法是通过对法兰的三项应力（H、R、T）以一定的许用应力加以限制，以强度控制形式进行设计。ASME刚度法是对法兰锥颈大端偏转角以(2/3)加以限制，以刚度控制形式进行计算。两者的控制对象虽不同，但同一法兰按两种方法分别计算，何法起控制作用？,内外压容器受压元件分析,刚度法由于只控制锥颈大端的转角小于等于(2/3)，对锥颈表面的轴向应力H是不加控制的。而锥颈表面的轴向应力H是与锥颈表面离锥颈中性面的距离成正比的。为此对较厚的锥颈，在按刚度法控

16、制锥颈端部(2/3)转角时，由于锥颈表面离中性面较远，为此锥颈表面产生较大的H，以至可能超过1.5。即按刚度法设计的法兰，并不能满足强度法的设计要求。相反此时按强度法设计的法兰则可自动满足刚度法的要求（偏转角(2/3)）。,内外压容器受压元件分析,相反，对较薄的锥颈，在按刚度法控制锥颈端面（2/3）转角时，由于锥颈表面离中心面较近，为此锥颈表面产生较小的H，以至于1.5。即按刚度法设计的法兰能同时满足强度法的要求。相反，此时按强度法的设计则并不能满足刚度的要求。即两种方法何种起控制作用取决于法兰锥颈的厚度。刚度法校核 如不满足，增加法兰环厚度或增大锥颈尺寸，直至满足。,五、圆柱壳边界效应,内外

17、压容器受压元件分析,圆柱壳在均布边界力（剪力Q、弯矩M）作用下，端部发生变形，呈喇叭状。会产生三种局部应力:1、环向薄膜应力 应力大小与其径向位移成正比，端部最大，沿着圆筒长度衰减，衰减长度工程上取。开孔补强中接管补强范围、锥壳小端加强段长度、外压容器设加强圈时，圆筒的加强范围、卧式容器加强板宽度等都用到此范围的概念。,内外压容器受压元件分析,2、轴向弯曲应力 应力大小与其经向弯曲成正比，沿着圆筒长度衰减，衰减长度工程取。锥壳大端加强段长度、球冠形封头圆筒加强段长度等都用到此范围的概念。3、环向弯曲应力 应力大小与其轴向弯曲成比例。沿着圆筒长度衰减，衰减长度同轴向弯曲应力。环向弯曲应力等于同处轴向弯曲应力的倍（泊松比，对钢材取0.3）。,谢谢！,