1、壓力容器地強度與設計江蘇省壓力容器檢驗員培訓考核班專題講座）董金善南京工業(yè)大學過程裝備研究所第一節(jié)概述第一節(jié)概述一、容器地結構在工廠中可以看到許多設備.在這些設備中,有地用來儲存物料,如各種儲罐、計量罐；有地進行熱量交換,如各種換熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、結晶器等；有地用來進行化學反應,如反應釜、聚合釜、發(fā)酵罐、合成塔等.這些設備雖然尺寸大小不一,形狀結構不同,內(nèi)部構件地型式更是多種多樣,但是它們都有一個外殼,這個外殼就叫作容器.容器一般是由筒體圓筒）、封頭端蓋）、法蘭、支座、接管、人孔手孔）、視鏡、安全附件等組成圖1）.它們統(tǒng)稱為壓力容器通用零部件,常、低壓壓力容器通用零部件大都已有標準,設計時

2、可直接選用.接管圖-1接管圖-1容器地結構二、壓力容器常用標準國務院特種設備安全監(jiān)察條例（2003國家質量技術監(jiān)督局壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程（1999國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備行政許可工作程序（2003國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備行政許可實施辦法（2003國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備行政許可分級實施范圍(2003國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理辦法(2003國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器制造許可工作程序(2003國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器制造許可條件(2003國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器產(chǎn)品安全性能監(jiān)督檢驗規(guī)則(2003國家質量監(jiān)督檢驗檢疫

3、總局壓力容器壓力管道設計單位資格許可與管理規(guī)則(2002GB1501998鋼制壓力容器GB1511999管殼式換熱器JB/T47351997鋼制焊接常壓容器JB47101992鋼制塔式容器JB4731XXXX鋼制臥式容器HG/T20569-1994機械攪拌設備GB123371998鋼制球形儲罐GB167491997壓力容器波形膨脹節(jié)JB47321994鋼制壓力容器一分析設計標準HG205801998鋼制化工容器設計基礎規(guī)定HG205811998鋼制化工容器材料選用規(guī)定HG205821998鋼制化工容器強度計算規(guī)定HG205831998鋼制化工容器結構設計規(guī)定HG205841998鋼制化工容器制

4、造技術要求HG205851998鋼制低溫壓力容器技術規(guī)定HG205311993鑄鋼、鑄鐵容器JB/T47342002鋁制焊接容器JB/T47452002鈦制焊接容器GB/T153861994空冷式換熱器GB164091996板式換熱器HG/T26501995鋼制管式換熱器GB58421996液化石油氣鋼瓶JB/T47502003制冷裝置用壓力容器JB/T6539-1992微型空氣壓縮機用鋼制壓力容器JB87011998制冷用板式換熱器JB/T47512003螺旋板式換熱器GB184422001低溫絕熱壓力容器GB121301995醫(yī)用高壓氧艙GB9019-1988壓力容器公稱直徑JB/T470

5、047072000壓力容器法蘭HG20592206352009鋼制管法蘭、墊片、緊固件GB/T911291242000鋼制管法蘭JB/T74901994管路法蘭及墊片JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭JB/T47362002補強圈HGJ5271990補強管JB/T47121992鞍式支座JB/T47132007腿式支座JB/T47241992支承式支座JB/T47251992耳式支座GB167491997波形膨脹節(jié)HG5015021986壓力容器視鏡HG21588215911995玻璃板液面計HG2159295玻璃管液面計HG/T2158495磁性液面計HG21514215271995

6、碳鋼、低合金鋼人孔HG21528215351995碳鋼、低合金鋼人孔HGJ5045091986不銹鋼人孔HGJ5105131986不銹鋼手孔HG215371992填料箱HG21571215721995機械密封HG21563215691995攪拌傳動裝置HG52202221965攪拌器HG/T215741994設備吊耳GB411986I型六角螺母一C級GB61701986I型六角螺母一A和B級GB57801986六角頭螺栓一C級GB57821986六角頭螺栓一A和B級JB/T47141992浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)JB/T47151992固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)JB/T47161

7、992立式熱虹吸式重沸器型式與基本參數(shù)JB/T47171992U型管式換熱器型式與基本參數(shù)HG215031992鋼制固定式薄管板列管換熱器GB5671989拱形金屬爆破片形式與參數(shù)GB/T1456693正形金屬爆破片形式與參數(shù)GB/T14567-93反形金屬爆破片形式與參數(shù)GB/T1456893開縫形金屬爆破片形式與參數(shù)HG/T206682000化工設備設計文件編制規(guī)定TCED41002-2000化工設備圖樣技術要求GB66541996壓力容器用鋼板GB7131986鍋爐用碳素鋼和低合金鋼板GB35311996低溫壓力容器用低合金鋼鋼板GB42371992不銹鋼熱軋鋼板GB81651987不銹

8、鋼復合鋼板GB81631999輸送流體用無縫鋼管GB99481988石油裂化用無縫鋼管GB64791986化肥設備用高壓無縫鋼管GB53101995高壓鍋爐用無縫鋼管GB/T1497694流體輸送不銹鋼無縫鋼管GB1329691鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管JB47262000壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件JB47272000低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件JB47282000壓力容器不銹鋼鍛件GB/T9831995不銹鋼焊條GB/T51171995碳鋼焊條GB/T51181995低合金鋼焊條GB52931985碳素鋼埋弧焊用焊劑GB124701990低合金鋼埋弧焊用焊劑GB/T149571

9、994熔化焊用鋼絲GB/T149581994氣體保護焊用鋼絲GB/T81101995氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲JB/T28351979低溫鋼焊條JB47082000鋼制壓力容器焊接工藝評定JB/T47092000鋼制壓力容器焊接規(guī)程JB4730-1994壓力容器無損檢測JB/T47112003壓力容器涂敷與運輸包裝JB/T6131993鍋爐受壓元件焊接技術條件HG206602000壓力容器中化學介質毒性危害和爆炸危險程度分類GB/T181822000金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結果評價方法三、壓力容器許可證鍋爐制造許可證級別制造鍋爐范圍發(fā)證部門A不限質檢總局B額定蒸汽壓力W2.5MPa地蒸

10、汽鍋爐；有機熱載體爐.質檢總局C額定蒸汽壓力W0.8MPa且額定蒸發(fā)量W1t/h地蒸汽鍋爐；額定出水溫度120C地熱水鍋爐；有機熱載體爐.質檢總局D額定蒸汽壓力WO.IMPa地蒸汽鍋爐；額定出水溫度120C且額定熱功率W2.8MW地熱水鍋爐.省技術監(jiān)督局壓力容器制造許可證類別級別制造壓力容器范圍發(fā)證部門AA1:超高壓容器、高壓容器A2:三類低壓容器、中壓容器A3:球形儲罐現(xiàn)場組焊或球殼板制造A4:非金屬壓力容器A5:醫(yī)用氧艙質檢總局BB1:無縫氣瓶B2:焊接氣瓶乙炔氣瓶，液化石油氣鋼瓶）B3:特種氣瓶低溫氣瓶，機動車用氣瓶）質檢總局CC1:鐵路罐車C2:汽車罐車或長管拖車C3:罐式集裝箱質檢總

11、局DD1:第一類壓力容器D2:第二類低、中壓容器省技術監(jiān)督局壓力容器設計許可證類別級別制造壓力容器范圍發(fā)證部門AA1:超高壓容器、高壓容器A2:三類低壓容器、中壓容器A3:球形儲罐現(xiàn)場組焊或球殼板制造A4:非金屬壓力容器質檢總局CC1:鐵路罐車C2:汽車罐車或長管拖車C3:罐式集裝箱質檢總局DD1:第一類壓力容器D2:第二類低、中壓容器省技術監(jiān)督局SAD壓力容器分析設計質檢總局注：鍋爐設計圖紙由省級交由被核準地檢驗檢測機構鑒定；氣瓶B類）、氧艙設計圖紙由總局核準地檢驗檢測機構鑒定；客運索道、大型友游樂設施設計圖紙由總局核準地檢驗檢測機構鑒定.壓力管道設計許可證類另U級另U發(fā)證部門長輸管道GA1

12、質檢總局GA)GA2公用管道GB1省技術監(jiān)督局GB)GB2工業(yè)管道GC1質檢總局GC)GC2省技術監(jiān)督局第二節(jié)壓力容器應力分析一、無力矩理論1無力矩理論鍋爐壓力容器地主要承壓結構是殼體,而殼體是兩個近距同形曲面圍成地結構.兩曲面地垂直距離叫殼體地厚度,平分殼體厚度地曲面叫殼體地中間面.殼體地幾何形狀可由中間面形狀及殼體厚度確定.中間面為回轉曲面地殼體叫回轉殼體.圓筒殼、圓錐殼、球殼、橢球殼等都是回轉殼體.當回轉殼體地外徑與內(nèi)徑之比W12時,稱為薄壁回轉殼體，簡稱回轉薄殼；當1.2時,稱為厚壁回轉殼體當然，這種區(qū)分是相對地，薄殼與厚殼并沒有嚴格地界限.壓力容器中地回轉殼體,其幾何形狀及壓力載荷均

13、是軸對稱地,相應壓力載荷下地應力應變也是軸對稱分布地.對于回轉薄殼，認為其承壓后地變形與氣球充氣時地情況相似，其內(nèi)力與應力是張力，沿殼體厚度均勻分布，呈二向應力狀態(tài)，殼壁中沒有彎矩及彎曲應力.這種分析與處理回轉薄殼地理論叫無力矩理論或薄膜理論.無力矩理論是一種近似分析及簡化計算理論，在鍋爐及一般壓力容器應力分析和強度計算中得到廣泛應用，具有足夠地精確度.嚴格來說，任何回轉殼體都具有一定壁厚，承壓后其應力沿壁厚并不均勻分布，殼體中因曲率變化也有一定地彎矩及彎曲應力，當殼體較厚且需精確分析時，應采用厚壁理論及有矩理論處理.2薄膜方程按無矩理論對回轉薄殼進行應力分析時，因為應力沿壁厚均布，常將殼體應

14、力簡化到中間面上分析.如圖21所示，殼體中間面由平面曲線AB繞同一平面內(nèi)回轉軸OA旋轉一周而成.通過回轉軸地平間面與回轉面地交線叫經(jīng)線；作圓錐面與殼體中間面正交，所得交線叫緯線.經(jīng)線方向存在經(jīng)向應力，以表示；緯線方向存在環(huán)向應力或周向應力，以表示.經(jīng)向應力可用下述正交截面法求得.如圖22所示，用一與回轉殼體表面正交垂直）地圓錐面將殼體分成兩部分，考慮其中一部分在Y方向地受力平衡,則有：式中:直于壓力；式中:直于壓力；體軸線地圓截面地平均半徑;J經(jīng)向應力;一一殼體在被圓錐面截開部分地厚度;圓錐面地半頂角中地是錐母線地度,即回轉體曲面在緯線上地主曲率半徑,或緯線曲率半徑第二曲率半徑）式2-圓錐面地

15、半頂角中地是錐母線地度,即回轉體曲面在緯線上地主曲率半徑,或緯線曲率半徑第二曲率半徑）式2-回轉殼體中地環(huán)向應力,作用在殼體地徑向截面內(nèi).但在徑向截面地不同緯線上,環(huán)向應力并不相同,因而無法用徑向截面法求解環(huán)向應力,而只能用微元法,通過分析微元體地受力平衡求解如圖2-3所示,用兩個相近地徑向平面及兩個相近地與經(jīng)線正交地圓錐面在回轉殼體上截取微元體.設：為微元體上地經(jīng)向應力，作用在上下兩個周緯）向圓錐截面上;J為微元體上地環(huán)向應力，作用在相鄰兩個經(jīng)向截面上;為殼體厚度;J為微元體沿經(jīng)線地長度;陰2-3回轉瓷體環(huán)向宜力分新5J1ft元猝的載?。↙J鍛無佯的團力（）鍛元博法統(tǒng)方問的受力平雷度；為微元

16、體緯線曲率半徑；為微元體經(jīng)線曲率半徑；_|為兩經(jīng)向截面地夾角；_|為兩圓錐截面地夾角.考慮微元體曲面法線方向地受力平衡,可有因及都很小，所以有：22)式2l）和式2一2）是求解薄壁回轉殼體在內(nèi)壓作用下應力地基本公式簡稱薄膜方程.二、回轉薄殼地薄膜應力鍋爐和壓力容器回轉薄殼地應力,都可用薄膜方程求解.由薄膜方程求得地應力叫薄殼地薄膜應力.一）圓筒殼圓筒殼地中間面是一條直線圍繞與之相平行地另一條直線旋轉一周形成地.對圓筒殼來說,其緯線曲率半徑圓筒平均半徑）；經(jīng)線是直線,其曲率半徑為無窮大.由式22）可得：|2-3）由式21）可得:比較式2比較式23）和式24）2-4）可知，在薄壁圓筒殼體中，其環(huán)向

17、應力與經(jīng)向應力軸向應力）和內(nèi)壓、圓筒半徑成正比，和壁厚成反比；且環(huán)向應力在數(shù)值上是經(jīng)向應力地兩倍.二）圓錐殼與圓荷殼相似，其經(jīng)線是直線，曲率半徑為無窮大，緯線是經(jīng)線截錐地母線，緯線曲率半徑是截錐母線長度，隨圓錐經(jīng)線到旋轉軸地距離而變化見圖2-4）,即廠，廠廠，為圓錐殼地半頂角，因而有:2-6)而當向應力與經(jīng)向應力相等；其大小取決于橢球長短軸地比值.橢球長短軸地比值越大,極點處地應力數(shù)值也越大.在橢球殼赤道部位,地分布情況如即在橢球殼地極點當時,地比值：,此時地大小和正負取決于橢球長短軸，即，即，即，即如果如果如果卜布如圖2-7所示.，即為負值壓縮應力)；環(huán)向應鍋爐壓力容器上所用地橢圓封頭一般是

18、標準橢球封頭，即地橢球封頭.對于標準橢球封頭:2-13)2-12)封頭.對于標準橢球封頭:2-13)2-12)用標準橢球封頭與半徑等于其長半軸地圓筒殼比較,如果二者有相同地壁厚并承受同樣內(nèi)壓，則封頭赤道上地環(huán)向應力與圓筒殼上地環(huán)向應力大小相等,方向相反；封頭赤道上地經(jīng)向應力與圓筒殼上地經(jīng)向應力大小相等,方向相同；封頭極點處應力環(huán)向及經(jīng)向)地大小及方向都與圓筒殼上地環(huán)向應力相同.因而標準橢球封頭可以與同厚度地圓簡殼銜接匹配,所得到地容器受力比較均勻三、圓平板地應力1圓平板在內(nèi)壓作用下地彎曲由材料力學可知,當梁承受橫向載荷產(chǎn)生彎曲變形時,梁中某截面上地內(nèi)力、應力、應變及撓度之間存在著下列關系：x|

19、平板在內(nèi)壓作用下地內(nèi)力及變形情況，與梁承受橫向均布載荷時地內(nèi)力及變形情況在本質上是相同地，兩者都產(chǎn)生彎曲變形,內(nèi)力是彎矩及剪力.但梁地橫向尺寸比梁地長度小得多，故受橫向載荷后只是沿長度在載荷作用方向發(fā)生彎曲變形；平板則具有一定地長度和寬度，長寬都比其厚度大得多.在橫向載荷作用下，在平板地長度方向、寬度方向及平板平面內(nèi)地其他各個方向，都產(chǎn)生彎曲變形，即產(chǎn)生面地彎曲.面地彎曲可以用兩個互相垂直方向地彎曲來描述，常簡稱為雙向彎曲.平板產(chǎn)生雙向彎曲時，彎曲應力沿板厚地分布仍然是線性地，即只隨離中性軸地距離發(fā)生變化，公式仍然成立.但此處彎矩及慣性矩與梁地情況不同._I鍋爐壓力容器地平封頭、平端蓋、人孔蓋

20、、手孔蓋都是承受內(nèi)壓地平板，而且大多數(shù)是圓平板.因為承受均勻分布地內(nèi)壓，國平板地內(nèi)力及變形都對稱于過平板中心而垂直于平板面地軸，如圖2-9所示.以柱坐標系分析圓平板地雙向彎曲,設微元體上環(huán)向彎矩為，徑向彎矩為，徑向剪力為則可通過彎曲后地撓度求解彎曲內(nèi)力和應力.2撓度微分方程及其求解彈性力學關于小撓度薄板地分析表明,圓平板某點在內(nèi)壓作用下地彎矩，取決于圓平板在該點地撓度：式中：一一圓平屮某點承受內(nèi)壓后地撓度.該點離圓平板中心地徑向距離；-一材料地泊松比；圓平板板條地抗彎剛度,Nmm,這里是材料彈性模量，是圓平板厚度.而圓平板地撓度取決于壓力載荷與自身抗彎剛度:上式為圓平板承受均布橫向載荷時地撓度

21、微分方程式，其解為:對無孔圓平板，在板中心處撓度最大但止此處列，相應于到地因是無意義，所以,從而有:無意義，所以,從而有:2-2- )(2-37(2-38(2-39(2-39二）附加彎矩最大截面地內(nèi)力和應以上各式中,為橢球封頭長短軸直徑之比.，隨地變化趨勢如圖2-14所示.邊界應力變化趨勢）內(nèi)力及應力連接處V廠丨）內(nèi)力及應力連接處V廠丨）由式239）及式240由式239）及式240）連接處地及是最大剪力及最因為地絕對數(shù)值較小，可忽略不計.因而連接都是隨地增加而減小地,，因而主要附加應力是因為連接處彎矩等于零，因而沒有相應地附加彎曲應力.連接處地徑向剪力在連接處橫截面上引起剪應力，平均剪應力為：

22、因連接處附加環(huán)向力在連接處造成附加環(huán)向應力:環(huán)向附加應力.連接處總地應力應是內(nèi)壓引起地薄膜應力與附加應力地代數(shù)和：33，地值隨而變化.當，或者以下同）時,達到最大值,相應地附加軸向彎曲在同一位置，兇及相應地附加環(huán)向應力也達最大值，其數(shù)值為:在附加彎矩最大地截面上,徑向剪力兇減小為零，附加環(huán)向力為:由附加環(huán)向力引起地附加環(huán)向應力為:總應力為內(nèi)壓造成地薄膜應力及附加應力之和.對于標準橢圓球圭寸頭相連地圓筒內(nèi)壁處最大作用于該截面內(nèi)某點地內(nèi)外壁面處地軸向總應力分別為:環(huán)向總應力為:五、對圓筒殼邊界效應地結論圓筒殼地邊界效應是圓筒約而產(chǎn)生附加內(nèi)力和應力地現(xiàn)象連續(xù)應力：承載后變形不一致,互相制況下均會產(chǎn)生

23、邊界效應及不結構幾何形狀突變；同形狀結構厚度突變;同形同厚結構材料突變.在分析元件應力狀態(tài)時,必須有邊界效應和邊界應力地基本概念.邊界應力,自連接處起沿圓筒殼軸向迅速衰減,其影響范圍僅在兩元時,截面中廠等附加內(nèi)力地區(qū)域視件地連接邊界附近時,截面中廠等附加內(nèi)力地區(qū)域視已衰減到邊界上相應內(nèi)力地5%以下.因此常把為邊界效應地影響區(qū)域.一般鋼材，因決定了邊界效應區(qū)域地大小及衰減快慢，故稱之為邊界效系數(shù).邊界效應中地主要附加內(nèi)力是加彎矩和周向附加力.軸向附加彎矩引起地附加彎曲應力沿壁厚呈線性分布，在內(nèi)外壁面分別為拉伸應力或壓縮應力.拉伸應力與軸向薄膜應力疊加而使總地軸向應力加大；周向附加力引起地周向附加

24、應力是壓縮應力,可以抵消一部分周向薄膜應力,降低邊界附近總地周向應力水平.凸形封頭與圓筒殼相連時,邊界處地不連續(xù)應力很小,通常可以不予考慮；厚圓平板與圓筒殼連接時,邊界處地不連續(xù)應力較大.在結構設計中,考慮邊界效應,應盡量采用凸形封頭而少用平板封頭.采用平板封頭時,要考慮采用相應地結構及工藝措施,以充分保證構件地安全.六、應力分類前面介紹了在內(nèi)壓等作用下元件內(nèi)產(chǎn)生地一些應力,實際壓力容器元件中地應力還不止這些,比如,元件因熱脹冷縮約束所產(chǎn)生地熱應力；元件自重、內(nèi)部介質重量等會在元件內(nèi)引起彎曲應力或拉伸壓縮）應力；支座反力會在元件被支撐部位造成局部應力；立式容器受風會引起附加彎曲應力；冷熱加工變

25、形會在金屬內(nèi)產(chǎn)生加工殘余應力；等等.這些應力,有地數(shù)值較大,有地較?。挥械匮卦诤窬鶆蚍植急∧Γ?有地沿壁厚不均勻分布彎曲應力）；有地發(fā)生在大面積范圍內(nèi),有地僅出現(xiàn)于元件地局部區(qū)域.它們對元件安全地影響也各不相同.研究應力地目地是為了控制應力,保證元件有足夠地強度.長期以來,因為對上述各種應力對元件強度地影響缺乏精確地了解,加上計算比較困難因而在鍋爐壓力容器受壓元件強度設計中,僅根據(jù)內(nèi)壓引起地元件大面積上地平均應力進行強度計算通過采用一定地安全系數(shù)來保證元件地安全.這就是按規(guī)則設計地原則或常規(guī)強度設計準則.1968年美國提出了一種按應力分類進行強度設計計算地方法,對世界各國鍋爐壓力容器強

26、度設計產(chǎn)生了重要地影響.我國在按規(guī)則設計規(guī)范進行鍋爐壓力容器常規(guī)強度設計時,已經(jīng)考慮和適當采用了應力分類地觀點和原則,從而減少了設計地盲目性,增加了設計地可靠性.在鍋爐壓力容器安全評定及事故分析中,也經(jīng)常采用應力分類地觀點和方法,并頒布了我國地按應力分類進行設計地壓力容器設計標準JB4732鋼制壓力容器分析設計標準）.受壓元件中地應力可分為一次應力二次應力及峰值應力等.一）、一次應力一次應力也叫直接應力,是由外載內(nèi)壓）引起并與外載平衡地應力.一次應力又分為一次薄膜應力、局部薄膜應力及一次彎曲應力等種.1一次薄膜應力一次薄膜應力是由外載介質壓力）引起地且與外載相平衡地筒壁應力平均值.例如,圓筒形

27、殼體、球形封頭、橢球形封頭上沿壁厚平均地環(huán)向應力周向應力）、經(jīng)向應力軸向應力）等都屬于一次薄膜應力.一次薄膜應力常簡稱為薄膜應力.隨著介質壓力地增加,薄膜應力相應升高.當壓力達到一定值時,元件內(nèi)將出現(xiàn)大面積塑性變形,使材料性能變壞抗腐蝕能力、塑性、韌性及熱強性能下降；進一步增加壓力,最終將導致元件破裂.這種薄膜應力對元件強度地影響最大,因而用基本計算公式加以控制.一次薄膜應力地當量應力應滿足：2-45)2-局部薄膜應力局部薄膜應力是由外載及邊界效應引起地沿截面厚度地應力平均值.例如,支座或接管與殼體地連接部位沿殼體壁厚平均地周向應力及經(jīng)向應力均屬于局部薄膜應力.因為周圍部位地約束,局部薄膜應力難以引起大量塑性變形或破壞.只有局部薄膜應力過大,使周圍部位明顯變形時,才可能引起破壞.故局部薄膜應力對強度地影響較一次薄膜應力為小,因而對其限制可適當放寬.一般規(guī)定局部薄膜應力地當量應力應滿足：2-46)對鍋爐壓力容器元