1、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分析,中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 謝鐵軍,1,提綱,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述 壓力容器強(qiáng)度校核 壓力容器的結(jié)構(gòu)概述 壓力容器應(yīng)力分類和局部應(yīng)力 壓力容器分析設(shè)計(jì)概述,2,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述設(shè)計(jì)壓力范圍,一、 常用設(shè)計(jì)規(guī)范及適用的壓力范圍 GB1501998鋼制壓力容器，彈性失效準(zhǔn)則，第一強(qiáng)度理論。 設(shè)計(jì)壓力P：0.135 MPa ； 真空度：0.02 MPa JB473295鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，彈塑性失效準(zhǔn)則，第三強(qiáng)度理論。 設(shè)計(jì)壓力P：0.1100 MPa； 真空度：0.02 MPa 疲勞載荷；高溫蠕變 因?yàn)槿菀?guī)的監(jiān)察范圍是以最高工作壓力定義，而容器的分類以設(shè)計(jì)壓力分類，故

2、假設(shè)有一個(gè)設(shè)計(jì)壓力1MPa而最大工作壓力0.08的容器，則不受容規(guī)監(jiān)察。 GB1511999管殼式換熱器 設(shè)計(jì)壓力P：0.135 MPa ；真空度：0.02 MPa GB123371998鋼制球形儲(chǔ)罐 設(shè)計(jì)壓力：P4MPa；公稱容積：V50M3,3,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述設(shè)計(jì)載荷,二、 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的載荷 GB1501998鋼制壓力容器： （1）內(nèi)壓、外壓或最大壓差； （2）液體靜壓力(5%P)； 需要時(shí)，還應(yīng)考慮以下載荷 （3）容器的自重（內(nèi)件和填料），以及正常工作條件下或壓力試驗(yàn)狀態(tài)下內(nèi)裝物料 的重力載荷； （4）附屬設(shè)備及隔熱材料、襯里、管道、扶梯、平臺(tái)等的重力載荷； （5）風(fēng)載荷、地震力

3、、雪載荷； （6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撐件的反作用力； （7）連接管道和其他部件的作用力； （8）溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力； （9）包括壓力急劇波動(dòng)的沖擊載荷； （10）沖擊反力,如流體沖擊引起的反力等； （11）運(yùn)輸或吊裝時(shí)的作用力。,4,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述術(shù)語(yǔ)壓力,三、重要名詞術(shù)語(yǔ) 1、壓力（除注明者外，壓力均為表壓力） （1）工作壓力Pw：在正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。 （2）設(shè)計(jì)壓力P：指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于工作壓力。 （3）計(jì)算壓力PC：指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱

4、靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。 （4）試驗(yàn)壓力PT：在壓力試驗(yàn)時(shí)，容器頂部的壓力。,5,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述術(shù)語(yǔ)壓力,1、壓力（除注明者外，壓力均為表壓力） （5）最大允許工作壓力Pw：指在設(shè)計(jì)溫度下，容器頂部所允許承受的最大表壓力。該壓力是根據(jù)容器殼體的有效厚度計(jì)算所得，且取最小值。 最大允許工作壓力可作為確定保護(hù)容器的安全泄放裝置動(dòng)作壓力（安全閥開(kāi)啟壓力或爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力）的依據(jù)。 （6）安全閥的開(kāi)啟壓力PZ：安全閥閥瓣開(kāi)始離開(kāi)閥座，介質(zhì)呈連續(xù)排出狀態(tài)時(shí)，在安全閥進(jìn)口測(cè)得的壓力。介于容器最大工作壓力和設(shè)計(jì)壓力之間。 （7）爆破片的標(biāo)定爆破壓力Pb：爆破片

5、銘牌上標(biāo)明的爆破壓力。1.0-1.1,6,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述設(shè)計(jì)壓力選取,7,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述術(shù)語(yǔ)溫度,2、溫度 （1）溫度 金屬溫度：容器元件沿截面厚度的溫度平均值。 工作溫度：容器在正常工作情況下介質(zhì)溫度。 （2）最高、最低工作溫度：容器在正常工作情況下可能出現(xiàn)介質(zhì)最高、最低溫度。 （3）設(shè)計(jì)溫度：容器在正常工作情況，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。 設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力一起作為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件。 （4）試驗(yàn)溫度：系指壓力試驗(yàn)時(shí)容器殼體的金屬溫度。,8,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述術(shù)語(yǔ)厚度,3、厚度 （1）計(jì)算厚度：由計(jì)算壓力計(jì)算（設(shè)計(jì)壓力加靜壓力）得到，容器受壓元件

6、為滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，按相應(yīng)公式計(jì)算得到的不包括厚度附加量的厚度。 （2）設(shè)計(jì)厚度d：計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和。 （3）名義厚度n（即圖樣標(biāo)注厚度）：設(shè)計(jì)厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后，向上圓整至鋼材（鋼板或鋼管）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。 （4）有效厚度e：名義厚度減去厚度附加量（腐蝕裕量與鋼材厚度負(fù)偏差之和）。 （5）最小實(shí)測(cè)厚度：實(shí)際測(cè)量的容器殼體厚度的最小值。厚度校核時(shí)如果局部減薄用檢規(guī)的G0校核，如果均勻減薄，則需要考慮腐蝕余量后校核。 （6）厚度附加量：設(shè)計(jì)容器受壓元件時(shí)所必須考慮的附加厚度，包括鋼板（或鋼管）厚度負(fù)偏差C1及腐蝕裕量C2。 注意：容器殼體加工成型后不包括腐蝕裕量的最小厚度min：

7、 對(duì)碳素鋼、低合金鋼，不小于3mm 對(duì)高合金鋼，不小于2mm,9,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述失效準(zhǔn)則、強(qiáng)度理論,四、失效準(zhǔn)則:容器從承載到載荷的不斷加大最后破壞經(jīng)歷彈性變形、塑性變形、爆破，因此容器強(qiáng)度失效準(zhǔn)則有三種觀點(diǎn)： （1）彈性失效常規(guī)設(shè)計(jì)（GB150等） 彈性失效準(zhǔn)則認(rèn)為殼體內(nèi)壁產(chǎn)生屈服即達(dá)到材料屈服限時(shí)該殼體即失效，將應(yīng)力限制在彈性范圍，按照強(qiáng)度理論把筒體限制在彈性變形階段。認(rèn)為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服時(shí)即為承載的最大極限。 材料的拉伸曲線，彈性、塑性、屈服、屈服硬化階段。 （2）塑性失效分析設(shè)計(jì)（JB4732） 塑性失效準(zhǔn)則將容器的應(yīng)力限制在塑性范圍，認(rèn)為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服而外層金屬仍處于彈性

8、狀態(tài)時(shí)，并不會(huì)導(dǎo)致容器發(fā)生破壞，只有當(dāng)容器內(nèi)外壁面全屈服時(shí)才為承載的最大極限。 （3）爆破失效高壓、超高壓設(shè)計(jì),國(guó)內(nèi)沒(méi)有設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，國(guó)外ASME 有 爆破失效準(zhǔn)則認(rèn)為容器由韌性鋼材制成，有明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即便是容器整體屈服后仍有一定承載潛力，只有達(dá)到爆破時(shí)才是容器承載的最大極限。 *用途：設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，指標(biāo)限制，什么時(shí)候算失效，不能用。 對(duì)特定參數(shù)的容器，按照彈性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的容器需要的壁厚最大,10,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述失效準(zhǔn)則、強(qiáng)度理論,五、強(qiáng)度理論： 第一強(qiáng)度理論（最大主應(yīng)力理論）常規(guī)設(shè)計(jì)（GB150等） 這個(gè)理論也叫做“最大正應(yīng)力理論”，該理論假定材料的破壞只取決于絕對(duì)值最大的正應(yīng)力，

9、就是說(shuō)，材料不論在什么復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，只要三個(gè)主應(yīng)力中有一個(gè)達(dá)到軸向拉伸或壓縮中破壞應(yīng)力的數(shù)值時(shí)，材料就要發(fā)生破壞。適合脆性材料。適合常規(guī)設(shè)計(jì)。 對(duì)容器來(lái)說(shuō)，1為環(huán)向， 2為軸向， 3對(duì)薄壁的為0。 第二強(qiáng)度理論（最大變形理論） 這個(gè)理論也稱為“最大線應(yīng)變理論”，它認(rèn)為材料的破壞取決于最大線應(yīng)變，即最大相對(duì)伸長(zhǎng)或縮短。適合脆性材料。目前應(yīng)用較少。 第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）分析設(shè)計(jì)（JB4732） 此即“最大剪應(yīng)力理論”。該理論認(rèn)為，無(wú)論材料在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要最大剪應(yīng)力達(dá)到在軸向拉伸中破壞時(shí)的數(shù)值，材料就發(fā)生破壞。目前應(yīng)用較多。 第四強(qiáng)度理論（剪切變形能理論） 該理論也稱作“形狀改變

10、比能理論”認(rèn)為材料的破壞取決于變形比能，把材料的破壞歸結(jié)為應(yīng)力與變形的綜合。 *用途：將復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，以便建立強(qiáng)度條件關(guān)系式。,11,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述計(jì)算公式筒體,六、計(jì)算公式 1. 內(nèi)壓圓筒體計(jì)算公式 2. 內(nèi)壓球殼計(jì)算公式 注意：1、公式中各參數(shù)的含義、單位制、確定原則及注意事項(xiàng)。 2、d=+C2 （設(shè)計(jì)厚度計(jì)算厚度腐蝕裕量） n=+C2+C1+(圓整)（名義厚度 ） e=+ （有效厚度）,12,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述計(jì)算公式封頭,13,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算概述計(jì)算公式封頭,14,壓力容器強(qiáng)度校核校核公式,一、校核公式 1. 內(nèi)壓圓筒體按壁厚校核 測(cè) 2. 內(nèi)壓圓筒體按壓力校核

11、P,15,壓力容器強(qiáng)度校核校核參數(shù)選取（1）,二、校核參數(shù)的選取 （1）原則：腐蝕裕量=腐蝕速率（mm/年）至下一個(gè)檢驗(yàn)周期的年數(shù) 實(shí)際：用減薄量估算 （2）壓力Pc：取容器實(shí)際最高工作壓力； 裝有安全泄放裝置取:安全閥開(kāi)啟壓力或爆破片爆破壓力； 盛裝液化氣體容器取原設(shè)計(jì)壓力。注意溫度、組分 當(dāng)容器的液柱靜壓力5%Pc,要計(jì)入液柱靜壓力（球形儲(chǔ)罐均要計(jì)入液柱靜壓力）。 （3）溫度：溫度主要用來(lái)確定材料許用應(yīng)力，強(qiáng)度校核溫度一般取實(shí)際最高壁溫，當(dāng)無(wú)準(zhǔn)確壁溫值時(shí)，取容器的實(shí)際最高工作溫度（熱介質(zhì)的最高工作溫度），低溫壓力容器，取常溫（20）值。 （4）許用應(yīng)力，GB150屈服1.6，抗拉3.0安全

12、系數(shù)。如16MnR抗拉510MPa/3.0=170(許用應(yīng)力）（見(jiàn)GB150），對(duì)屈服345/1.6216，故按照保守，取170許用應(yīng)力。 從理論上來(lái)說(shuō)，耐壓取1.25的系數(shù)，而實(shí)際屈服安全系數(shù)1.6，故不會(huì)塑性變形，但是仍然需要校核水壓薄膜應(yīng)力，主要是1.25后邊有個(gè)溫度因子。 壓力容器的材料牌號(hào)明確的，直接按相應(yīng)材料牌號(hào)選取許用應(yīng)力，當(dāng)材料牌號(hào)不明確，可按壓力容器同類材料的最低標(biāo)準(zhǔn)值選取，如不能滿足強(qiáng)度要求時(shí)，則進(jìn)行材料化驗(yàn)、硬度測(cè)定確定強(qiáng)度等級(jí)，選取許用應(yīng)力值。 選取許用應(yīng)力值時(shí)取最高工作溫度或壁溫下的許用應(yīng)力； 液化氣儲(chǔ)罐，取設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力； 低溫容器取20下的許用應(yīng)力。,16,

13、壓力容器強(qiáng)度校核校核參數(shù)選?。?）,二、校核參數(shù)的選取 （5）直徑：內(nèi)直徑按實(shí)測(cè)最大值選取。 （6）焊接接頭系數(shù) 焊接接頭系數(shù)根據(jù)焊接接頭的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式和無(wú)損檢測(cè)比例，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取。 對(duì)焊接接頭形式不清，又無(wú)出廠資料可取=0.6，不能滿足強(qiáng)度條件時(shí)，可采用X射線或超聲波探傷，確認(rèn)焊接接頭實(shí)際結(jié)構(gòu)形式和焊接接頭內(nèi)在質(zhì)量后確定焊接接頭系數(shù)。如進(jìn)行局部抽查合格按局部探傷選焊接接頭系數(shù)，如進(jìn)行100探傷合格，可按100探傷選取焊接接頭系數(shù)。對(duì)遠(yuǎn)離焊接接頭母材的局部腐蝕，用最小實(shí)測(cè)壁厚驗(yàn)算母材應(yīng)力水平時(shí)，焊接接頭系數(shù)可取1。 三、例題必須會(huì)進(jìn)行強(qiáng)度校核,17,壓力容器強(qiáng)度校核壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核,18,

14、（3）夾套容器 對(duì)于帶夾套的容器，應(yīng)在圖樣上分別注明內(nèi)筒和夾套的試驗(yàn)壓力。當(dāng)內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力為正值時(shí)，按內(nèi)壓確定試驗(yàn)壓力。當(dāng)內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力為負(fù)值時(shí)，按外壓進(jìn)行液壓試驗(yàn)。在內(nèi)筒液壓試驗(yàn)合格后，再焊接夾套。并對(duì)夾套進(jìn)行壓力試驗(yàn)，在確定了試驗(yàn)壓力后，必須校核內(nèi)筒在該試驗(yàn)外壓力作用下的穩(wěn)定性。如果不能滿足穩(wěn)定要求，則應(yīng)規(guī)定在作夾套的液壓試驗(yàn)時(shí)，必須同時(shí)在內(nèi)筒保持一定壓力，以使整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程（包括升壓、保壓和卸壓）中的任一時(shí)間內(nèi)，夾套和內(nèi)筒的壓力差不超過(guò)設(shè)計(jì)壓差。圖樣上應(yīng)注明這一要求，以及試驗(yàn)壓力和允許壓差。 （4）對(duì)立式容器臥置進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)為立置時(shí)的試驗(yàn)壓力加液柱靜壓力。,壓力容器強(qiáng)度校核壓力試

15、驗(yàn)應(yīng)力校核,19,壓力容器強(qiáng)度校核壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核,20,壓力容器強(qiáng)度校核壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核,21,壓力容器結(jié)構(gòu)概述,壓力容器一般是由筒體（又稱殼體）、封頭（又稱端蓋）、法蘭、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等組成。它們統(tǒng)稱為過(guò)程設(shè)備零部件，這些零部件大都有標(biāo)準(zhǔn)。其典型過(guò)程設(shè)備有換熱器、反應(yīng)器、分離容器、儲(chǔ)存容器等。 壓力容器的結(jié)構(gòu)形狀主要有圓筒形、球形、組合形。圓筒形容器是由圓柱形筒體和各種成型封頭（半球形、橢圓形、碟形、錐形）所組成。球形容器由數(shù)塊球瓣板拼焊成。承壓能力很好，但由于安置內(nèi)件不便和制造稍難，故一般用作貯罐。壓力容器的筒體、封頭（端蓋）、人孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、膨脹節(jié)、開(kāi)

16、孔補(bǔ)強(qiáng)圈、設(shè)備法蘭；球罐的球殼板；換熱器的管板和換熱管；M36以上的主螺栓及公稱直徑大于250mm的接管和管法蘭均作為主要受壓元件。人造水晶釜約140MPa，根據(jù)受力，徑向力為0 卷板（120mm以下）- 包扎；鍛焊（340mm）整體鍛造纏繞（1000MPa),纏繞的缺點(diǎn)在于軸向力不能約束，只能約束周向力。,22,壓力容器結(jié)構(gòu)概述零部件,1. 筒體 圓柱形筒體是壓力容器主要形式，制造容易、安裝內(nèi)件方便、而且承壓能力較好，因此應(yīng)用最廣。圓筒形容器又可以分為立式容器和臥式容器。 由于容器的筒體不但存在與容器封頭、法蘭相配的問(wèn)題，而且臥式容器的支座標(biāo)準(zhǔn)也是按照容器的公稱直徑系列制定的，所以不但管子有

17、公稱直徑，筒體也制定了公稱直徑系列。 對(duì)于用鋼板卷焊的筒體，用筒體的內(nèi)徑作為它的公稱直徑，其系列尺寸有300、400、500、600等，如果筒體是用無(wú)縫鋼管制作的，用鋼管的外徑作為筒體的公稱直徑。 夾套容器一般都是一主一輔，輔為主達(dá)到某種工況,23,壓力容器結(jié)構(gòu)概述零部件,2. 封頭 （1）球形封頭壁厚最薄，用材比較節(jié)省。但封頭深度大、制造比較困難。 （2）橢圓形封頭橢圓形封頭縱剖面的曲線部分是半個(gè)橢圓形，直邊段高度為h，因此橢圓形封頭是由半個(gè)橢球和一個(gè)高度為h的圓筒形筒節(jié)構(gòu)成。橢圓殼體周邊的周向應(yīng)力為壓應(yīng)力，應(yīng)保證不失穩(wěn)。 （3）碟形封頭碟形封頭是由三部分組成。第一部分是以半徑為Ri的球面部

18、分，第二部分是以半徑為Di/2的圓筒形部分，第三部分是連接這兩部分的過(guò)渡區(qū)，其曲率半徑為r,Ri與r均以內(nèi)表面為基準(zhǔn)。不連續(xù)過(guò)渡導(dǎo)致邊緣應(yīng)力。,24,壓力容器結(jié)構(gòu)概述零部件,（4）球冠形封頭球冠形封頭可用作端封頭，也可以用作容器中兩獨(dú)立受壓室的中間封頭，由于封頭為一球面且無(wú)過(guò)渡區(qū)，在連接邊緣有較大邊緣應(yīng)力，要求封頭與筒體聯(lián)接處的T形接頭采用全焊透結(jié)構(gòu)。 （5）錐形封頭錐形封頭有無(wú)折邊錐形封頭和折邊錐形封頭。 （6）平蓋彎曲應(yīng)力較大，在等厚度、同直徑條件下，平板內(nèi)產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力是圓筒壁薄膜應(yīng)力的2030倍。但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。,25,壓力容器結(jié)構(gòu)概述零部件,3. 支座 支座是用來(lái)支承容器重

19、量和用來(lái)固定容器的位置。支座一般分為立式容器支座、臥式容器支座。 立式容器支座分為耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。臥式容器多使用鞍式支座。 4. 法蘭 法蘭連接主要優(yōu)點(diǎn)是密封可靠和足夠的強(qiáng)度。缺點(diǎn)是不能快速拆卸、制造 成本較高。 法蘭分類主要有以下方法： （1）按其被連接的部件分為壓力容器法蘭和管法蘭。 （2）按法蘭接觸面的寬窄可分為窄面法蘭和寬面法蘭。 （3）按整體性程度分為整體法蘭、松式法蘭和任意式法蘭。 5. 人孔與手孔,26,壓力容器結(jié)構(gòu)概述開(kāi)孔與補(bǔ)強(qiáng),1 為何要進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng) 通常所用的壓力容器，由于各種工藝和結(jié)構(gòu)的要求，需要在容器上開(kāi)孔和安裝接管，由于開(kāi)孔去掉了部分承壓金屬

20、，不但會(huì)削弱容器的器壁的強(qiáng)度，而且還會(huì)因結(jié)構(gòu)連續(xù)性受到破壞在開(kāi)孔附近造成較高的局部應(yīng)力集中。這個(gè)局部應(yīng)力峰值很高，達(dá)到基本薄膜應(yīng)力的3倍，甚至5-6倍。再加上開(kāi)孔接管處有時(shí)還會(huì)受到各種外載荷、溫度等影響，并且由于材質(zhì)不同，制造上的一些缺陷、檢驗(yàn)上的不便等原因的綜合作用，很多失效就會(huì)在開(kāi)孔邊緣處發(fā)生。主要表現(xiàn)疲勞破壞和脆性裂紋，所以必須進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。 2 壓力容器為何有時(shí)可允許不另行補(bǔ)強(qiáng) 壓力容器允許可不另行補(bǔ)強(qiáng)是鑒于以下因素： 容器在設(shè)計(jì)制造中，由于用戶要求，材料代用等原因，殼體厚度往往超過(guò)實(shí)際強(qiáng)度的需要。厚度的增加使最大應(yīng)力有所降低，實(shí)際上容器已被整體補(bǔ)強(qiáng)了。例如：在選材時(shí)受鋼板規(guī)格的限

21、制，使壁厚有所增加；或在計(jì)算時(shí)因焊接系數(shù)壁厚增加，而實(shí)際開(kāi)孔不在焊縫上。在多數(shù)情況下，接管的壁厚多與實(shí)際需要，多余的金屬起到了補(bǔ)強(qiáng)的作用。,27,壓力容器結(jié)構(gòu)概述開(kāi)孔與補(bǔ)強(qiáng),3 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 所謂開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，就是指采取適當(dāng)增加殼體或接管壁厚的方法以降低應(yīng)力集中系數(shù)。其所涉及的有補(bǔ)強(qiáng)形式、開(kāi)孔處內(nèi)外圓角的大小以及補(bǔ)強(qiáng)金屬量等。 (1) 加強(qiáng)圈是最常見(jiàn)的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，貼焊在殼體與接管連接處，如圖a、b、c。該補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但加強(qiáng)圈與金屬間存在一層靜止的氣隙，傳熱效果差。當(dāng)兩者存在溫差時(shí)熱膨脹差也較大，因而在局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。另外，加強(qiáng)圈較難與殼體形成整體，因而抗疲勞性能較差。這種

22、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)一般用于靜壓、常溫及中、低壓容器。 (2) 接管補(bǔ)強(qiáng)，即在殼壁與接管之間焊上一段厚壁加強(qiáng)管，如圖d、e、f。它的特點(diǎn)是能使所有用來(lái)補(bǔ)強(qiáng)的金屬材料都直接處在最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，因而能有效地降低開(kāi)孔周圍的應(yīng)力集中程度。低合金高強(qiáng)度鋼制的壓力容器與一般低碳鋼相比有較高的缺口敏感性，采用接管補(bǔ)強(qiáng)為好。 (3) 整鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖g、h、I，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開(kāi)孔應(yīng)力最大的部位，補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中系數(shù)小。由于焊接接頭為對(duì)接焊，且焊接接頭及熱影響區(qū)可以遠(yuǎn)離最大應(yīng)力點(diǎn)位置，所以抗疲勞性能好。但這種結(jié)構(gòu)需要鍛件，且機(jī)械加工量大，所以一般只用于要求嚴(yán)格的設(shè)備。,28,壓力容器結(jié)構(gòu)概述開(kāi)孔與補(bǔ)強(qiáng),圖

23、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu),29,壓力容器結(jié)構(gòu)概述開(kāi)孔與補(bǔ)強(qiáng),30,壓力容器結(jié)構(gòu)概述開(kāi)孔與補(bǔ)強(qiáng),等面積補(bǔ)強(qiáng)示意圖,31,壓力容器結(jié)構(gòu)概述開(kāi)孔與補(bǔ)強(qiáng),32,壓力容器結(jié)構(gòu)概述開(kāi)孔與補(bǔ)強(qiáng),33,應(yīng)力分類和局部應(yīng)力應(yīng)力分類,為什么要進(jìn)行應(yīng)力分類？常規(guī)設(shè)計(jì)的不合理之處 一、應(yīng)力分類的本質(zhì)：是應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效所起作用的大小。 二、影響分類的因素：應(yīng)力產(chǎn)生的原因，即應(yīng)力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生的，外載荷是機(jī)械載荷還是熱載荷； 應(yīng)力作用區(qū)域與分布形式，即應(yīng)力的作用是總體范圍還是局部范圍的，沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。 三、應(yīng)力分類 1、一次應(yīng)力P：是指平衡外加機(jī)械載荷所必須的應(yīng)力。一次應(yīng)力必須

24、滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會(huì)因達(dá)到材料的屈服點(diǎn)而自行限制，所以，一次應(yīng)力的基本特征是“非自限性”。另外，當(dāng)一次應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)將引起容器總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞，對(duì)容器的失效影響最大。一次應(yīng)力還可分為以下三種： 一次總體薄膜應(yīng)力Pm ；一次彎曲應(yīng)力Pb；一次局部薄膜應(yīng)力PL,34,應(yīng)力分類和局部應(yīng)力應(yīng)力分類,（1）一次總體薄膜應(yīng)力Pm ：在容器總體范圍內(nèi)存在的薄膜應(yīng)力即為一次總體薄膜應(yīng)力。這里的薄膜應(yīng)力是指沿厚度方向均勻分布的應(yīng)力，等于沿厚度方向的應(yīng)力平均值。 （2）一次彎曲應(yīng)力Pb：一次彎曲應(yīng)力是指沿厚度線性分布的應(yīng)力。它在內(nèi)、外表面上大小相等、方向

25、相反。由于沿厚度呈線性分布，隨外載增大，故首先是內(nèi)、外表面進(jìn)入屈服，但此時(shí)內(nèi)部材料仍處于彈性狀態(tài)。若載荷繼續(xù)增大，應(yīng)力沿厚度的分布將重新調(diào)整。因此這種應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效的危害性沒(méi)有一次總體薄膜應(yīng)力那樣大。一次彎曲應(yīng)力的典型實(shí)例是平封頭中部在壓力作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 （3）一次局部薄膜應(yīng)力PL：在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力統(tǒng)稱為一次局部薄膜應(yīng)力。一次局部薄膜應(yīng)力的作用范圍是局部區(qū)域。由于包含了結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力，它還具有一些自限性，表現(xiàn)出二次應(yīng)力的一些特征，不過(guò)從保守角度考慮，仍將它劃為一次應(yīng)力。一次局部薄膜應(yīng)力的實(shí)例有：殼體和封頭連接

26、處的薄膜應(yīng)力；在容器的支座或接管處由外部的力或力矩引起的薄膜應(yīng)力。,35,應(yīng)力分類和局部應(yīng)力應(yīng)力分類,2、二次應(yīng)力Q：是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的正應(yīng)力或切應(yīng)力。二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，其作用不是為平衡外載荷，而是使結(jié)構(gòu)在受載時(shí)變形協(xié)調(diào)。這種應(yīng)力的基本特征是它具有自限性，也就是當(dāng)局部范圍內(nèi)的材料發(fā)生屈服或小量的塑性流動(dòng)時(shí)，相鄰部分之間的變形約束得到緩解而不再繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)力就自動(dòng)地限制在一定范圍內(nèi)。過(guò)高的二次應(yīng)力與一次應(yīng)力迭加作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性不安定。二次應(yīng)力的實(shí)例有：總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力，總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布和變形有顯著的影響；如筒體與封頭、筒體與

27、法蘭、筒體與接管以及不同厚度筒體連接處；總體熱應(yīng)力，它指的是解除約束后，會(huì)引起結(jié)構(gòu)顯著變形的熱應(yīng)力，例如圓筒殼中軸向溫度梯度所引起的熱應(yīng)力；殼體與接管間的溫差所引起的熱應(yīng)力；厚壁圓筒中徑向溫度梯度引起的當(dāng)量線性熱應(yīng)力。 3、峰值應(yīng)力F：是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量，峰值應(yīng)力的特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的自限性和局部性，分布范圍更小。它不引起任何明顯的變形，其危害性僅在于引起疲勞裂紋或促使脆性斷裂。例如局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的應(yīng)力增量，局部熱應(yīng)力的屬峰值應(yīng)力。,36,應(yīng)力分類和局部應(yīng)力應(yīng)力分類,37,應(yīng)力分類和局部應(yīng)力應(yīng)力分析與評(píng)價(jià),四、應(yīng)力分析：對(duì)于一個(gè)具體結(jié)構(gòu)，計(jì)算

28、或測(cè)試求出的應(yīng)力是總應(yīng)力，它可能包含著以上各類應(yīng)力，要將其一一分解或具體的各類應(yīng)力是比較困難的，這一問(wèn)題目前仍處于探索階段，尤其是對(duì)三維結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分類計(jì)算，論點(diǎn)不一。但對(duì)各種結(jié)構(gòu)，它在一定載荷作用下所含應(yīng)力的性質(zhì)還是清楚的，具體分類表1.3-1所示。 五、應(yīng)力評(píng)價(jià)：在應(yīng)力分析設(shè)計(jì)法中，因采用塑性失效準(zhǔn)則，按彈塑性方法分析應(yīng)力，計(jì)算十分復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算，引入“虛擬應(yīng)力”的概念，即應(yīng)力不論其數(shù)值多大（是否超過(guò)屈服限s）都按“彈性應(yīng)力”來(lái)計(jì)算，這種“彈性應(yīng)力”并非是真正的彈性應(yīng)力，有可能含有非彈性部分，這樣處理，就可以借助彈性力學(xué)方法來(lái)考慮問(wèn)題，計(jì)算上較方便，因而，將其稱為“虛擬應(yīng)力”。應(yīng)力分析設(shè)計(jì)

29、中所指的應(yīng)力都是虛擬應(yīng)力，并按不同的控制條件對(duì)各類應(yīng)力加以限制。在確定各種應(yīng)力的強(qiáng)度條件時(shí)，采用了一些近代力學(xué)成果，一次應(yīng)力按極限分析理論控制，二次應(yīng)按安定性準(zhǔn)則控制，而對(duì)峰值應(yīng)力則按疲勞強(qiáng)度理論控制。,38,應(yīng)力分類和局部應(yīng)力應(yīng)力評(píng)價(jià),六、對(duì)各類應(yīng)力的控制條件為： PmK PL1.5K Pm(PL)+Pb1.5K Pm(PL)+Pb+Q3 Pm(PL)+Pb+Q+FSa 式中：材料許用應(yīng)力； Sa材料疲勞許用應(yīng)力；K載荷系數(shù)，當(dāng)只有設(shè)計(jì)載荷時(shí)，K是1.0；當(dāng)設(shè)計(jì)載荷伴有風(fēng)載、地震載荷或波動(dòng)載荷時(shí)，系數(shù)K為1.2。 應(yīng)特別注意，在應(yīng)力評(píng)價(jià)時(shí)，要同時(shí)考慮上述應(yīng)力限制條件，各類應(yīng)力應(yīng)依次滿足相應(yīng)的

30、限制。 七、應(yīng)力分析理論在檢驗(yàn)中的應(yīng)用 結(jié)構(gòu)計(jì)算非標(biāo)結(jié)構(gòu)、懷疑部位的評(píng)價(jià)、疲勞壽命 體積型缺陷處理凹坑、錯(cuò)邊、棱角度等,39,應(yīng)力分類和局部應(yīng)力局部應(yīng)力,壓力容器局部應(yīng)力主要來(lái)自二次應(yīng)力中的彎曲應(yīng)力以及峰值應(yīng)力，在某些情況下還包含一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力。局部應(yīng)力使壓力容器的應(yīng)力分布變得復(fù)雜。 1. 邊界效應(yīng)與不連續(xù)應(yīng)力 2. 熱應(yīng)力 3. 制造偏差引起的附加應(yīng)力 （1）截面不圓引起的附加應(yīng)力及影響 （2）錯(cuò)邊和棱角度引起的附加應(yīng)力 4. 焊接接頭的局部應(yīng)力,40,應(yīng)力分類和局部應(yīng)力壓力容器結(jié)構(gòu)不連續(xù)的 應(yīng)力分布圖（附錄B）,1.半球形封頭與筒體不等厚連接（2）。 2.無(wú)折邊球面封頭與筒

31、體連接。 3.標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭與筒體等厚連接。 4.碟形封頭與筒體等厚連接（1）。 5.無(wú)折邊錐形過(guò)渡段。 6.平蓋封頭與筒體連接（1）。 7.平蓋封頭與筒體連接（4）。 8.球形封頭上開(kāi)孔接管（d/D0.073）。 9.頸錐法蘭。 10.平焊法蘭。 11.球封頭和裙座結(jié)構(gòu) 12. 40L整體氣瓶瓶底結(jié)構(gòu) 13. 蒸壓釜釜體法蘭 14.超高壓水晶釜 15.球殼錯(cuò)邊 16.球殼棱角度 17.球形埋藏缺陷的應(yīng)力集中,41,壓力容器分析設(shè)計(jì)概述常規(guī)設(shè)計(jì)缺點(diǎn),一、常規(guī)設(shè)計(jì)的局限性（GB150、151、12337等） 壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的實(shí)踐考驗(yàn)，簡(jiǎn)便可靠，目前仍為各國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。然

32、而，常規(guī)設(shè)計(jì)也有其局限性，主要表現(xiàn)在以下幾方面。 1、載荷限制：常規(guī)設(shè)計(jì)將容器承受的“最大載荷”按一次施加的靜載荷處理，不涉及容器的疲勞壽命問(wèn)題，不考慮熱壓力。 2、計(jì)算不準(zhǔn)確，難以發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)，也不經(jīng)濟(jì)：常規(guī)設(shè)計(jì)以材料力學(xué)及板殼薄膜簡(jiǎn)化模型的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為基礎(chǔ)，確定筒體中平均應(yīng)力的大小，只要此值限制在以彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則所確定的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，則認(rèn)為筒體是安全的。而對(duì)容器上結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域和一些部件，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算，同時(shí)限制結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、工作條件來(lái)保證安全。顯然，這種方法是粗略的，具有局限性。 3、結(jié)構(gòu)限制：常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了具體的容器結(jié)構(gòu)形式，但規(guī)范中未作規(guī)定或限制應(yīng)用的一

33、些結(jié)構(gòu)和載荷形式就無(wú)法采用，因此，常規(guī)設(shè)計(jì)不利于新型設(shè)備和結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)和使用。,42,壓力容器分析設(shè)計(jì)概述分析設(shè)計(jì)思路,二、分析設(shè)計(jì)法的思路（JB4732） 1、采用（彈）塑性失效準(zhǔn)則，第三強(qiáng)度理論。 2、精確計(jì)算各部位的應(yīng)力，將應(yīng)力分類，不同的應(yīng)力采用不同的限制條件。 3、在選材、制造和檢驗(yàn)等方面提出更嚴(yán)格的要求，采取比常規(guī)設(shè)計(jì)低的安全系數(shù)。 JB 4732規(guī)定的安全系數(shù)為ns=1.5，nb2.6 GB 150 規(guī)定的安全系數(shù)為ns=1.6，nb3.0 4、利用極限分析理論控制一次應(yīng)力：極限分析假定結(jié)構(gòu)所用材料為理想彈塑性材料。在某一載荷下結(jié)構(gòu)進(jìn)入整體或局部區(qū)域的全域屈服后，變形將無(wú)限制地增大，結(jié)構(gòu)達(dá)到了它的極限承載能力，這種狀態(tài)即為塑性失效的極限狀態(tài)，這一載荷即為塑性失效時(shí)的極限載荷。 5、利用結(jié)構(gòu)安定性理論控制二次應(yīng)力：如果一個(gè)結(jié)構(gòu)經(jīng)幾次反復(fù)加載后，其變形趨于穩(wěn)定，或者說(shuō)不再出現(xiàn)漸增的非彈性變形，則認(rèn)為此結(jié)構(gòu)是安定的。喪失安定后的結(jié)構(gòu)會(huì)在反復(fù)加載卸載中引起新的塑性變形，并可能因塑性疲勞或大變形而發(fā)生破壞。 6、利用疲勞分析控制峰值應(yīng)力：當(dāng)局部高應(yīng)力區(qū)中的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服點(diǎn)時(shí)，材料產(chǎn)生屈服變形，在載荷反復(fù)作用下，微裂紋于滑移帶或晶界處形成，這種微裂紋不斷擴(kuò)展，形成宏觀疲勞裂紋并貫穿容器厚度，從而導(dǎo)致容器發(fā)生疲勞失效。