球形封头与圆筒连接过渡结构的受力分析
外压薄壁圆筒与封头的强度设计
• 引言 • 外压薄壁圆筒的基本理论 • 封头的设计与计算 • 外压薄壁圆筒与封头的强度校核 • 案例分析 • 结论与展望
01
引言
主题介绍
01
外压薄壁圆筒与封头是压力容器 的重要组成部分，其强度设计直 接关系到压力容器的安全性能和 使用寿命。
02
外压薄壁圆筒与封头的强度设计 涉及到材料、工艺、结构等多个 方面，需要综合考虑各种因素， 确保设计的安全性和可靠性。
校核方法
采用有限元分析、实验测试和工程经验相结合的方法，对外压薄壁圆筒与封头进 行强度校核。
薄壁圆筒的强度校核
周向应力校核
根据薄壁圆筒承受外压时的受力状态，计算周向 应力并进行校核。
轴向应力校核
考虑薄壁圆筒的长度和直径之比，计算轴向应力 并进行校核。
径向应力校核
根据薄壁圆筒的径向受力状态，计算径向应力并 进行校核。
02
外压薄壁圆筒的基本理论
外压薄壁圆筒的定义
定义
外压薄壁圆筒指的是承受外部压 力的薄壁圆筒结构，通常由金属 材料制成，具有较薄的壁厚。
特点
外压薄壁圆筒具有较高的承载能 力和较轻的重量，广泛应用于石 油、化工、食品等行业的压力容 器制造。
外压薄壁圆筒的受力分析
受力类型
外压薄壁圆筒主要承受外部压力、自 身重力和其他附加载荷，如温度、振 动等。
02
封头强度的计算
03
安全系数的确定
根据封头的受力分析和应力分析 结果，结合材料属性和设计规范， 进行封头强度的计算。
根据计算结果和设计要求，确定 安全系数，以确保封头的安全可 靠性。
04
外压薄壁圆筒与封头的强度校核
强度校核的原则和方法
压力容器设计
六、封头
按构造形状分为： 半球形封头
凸形封头 椭圆形封头 碟形封头
锥形封头 平盖封头：
1、凸形封头
（1）半球形封头
是半个球壳。 从受力来看，
球形封头是最理想旳构造。 但整体冲压困难，加工工作 量大。
其厚度计算公式：
p c
Di
4[ ]t
p
c
（2）碟形封头
由球面、过渡段及圆柱 直边段三段构成。成型加 工以便，但在三部分连接 处，因为经线曲率发生突 变，受力情况不佳。
2、锥形封头
有两种，一种是无折边锥 形封头，另一种是与筒体连接 处有一过圆弧和一圆柱直边段 旳折边锥形封头。在厚度较薄 时，制造比较以便。
3、平板封头
是最简朴，制造 最轻易旳一种封头。 但相同直径和压力旳 容器，平板封头厚度 过大，材料花费过多 而且十分笨重。
第四节 压力容器附件
设备旳壳体能够采用铸造、铸造或焊接成一种整体， 但大多数化工设备是做成可拆旳几种部件，然后把它们 连接起来。这一方面是设备旳工艺操作需要开多种孔， 并使之与工艺管道或其他附件相连接；另一方面也是为 了便于设备制造、安装和检修。化工设备中旳可拆连接 应该满足下列基本要求：
在设计或选用压力容器零部件时需要将操作温 度下旳最高操作压力（或设计压力）调整为所要 求旳公称压力等级，然后再根据DN与PN选定零 部件旳尺寸。
练一练: P27，1-2，1-3 拟定计算压力、许用应力 P61，6，7 P62，2-3 拟定计算压力、许用应力
四、压力容器旳校核： 1、圆筒容器旳校核
筒体旳强度计算公式：
pD t
2
公式旳应用： 拟定承压容器旳厚度 对压力容器进行校核计算 拟定设计温度下圆筒旳最大允许工作压力 在指定压力下旳计算应力
GB150复习题
GB150-2011 《压力容器》复习题一.名词解释:1.工作压力：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
2.计算厚度: 按本标准相应公式计算得到的厚度。
需要时，尚应计入其他载荷所需厚度。
对于外压元件，系指满足稳定性要求的最小厚度。
3.设计厚度: 计算厚度与腐蚀裕量之和。
4.名义厚度: 设计厚度加上材料厚度负偏差后向上圆整至材料标准规格的厚度。
5.有效厚度: 名义厚度减去腐蚀裕量和材料厚度负偏差。
6.最小成形厚度: 受压元件成形后保证设计要求的最小厚度。
7.多层压力容器: 圆筒由两层以上（含两层）板材或带材、层间以非焊接方法组合构成的压力容器，不包括衬里容器。
8.热成形: 在工件材料再结晶温度以上进行的塑性变形加工。
二.判断题:1. GB150规定了金属制压力容器（以下简称容器）材料、设计、制造、检验和验收的通用要求。
（√）2. GB150适用于设计压力低于0.1 MPa且真空度低于0.02 MPa的容器。
（×）3. GB150适用的设计压力，钢制容器不大于35MPa；其他金属材料制容器按相应引用标准确定。
（√）4. 《移动式压力容器安全监察规程》管辖的容器，也在GB150的规定范围内。
（×）5. 钢制容器的设计、制造、检验和验收除应符合本标准所有部分的规定外，还应遵守国家颁布的有关法律、法规和安全技术规范。
（√）6. GB150.1中规定：压力容器受压元件之间的焊接接头分为A、B、C、D四类。
（√）7. 非受压元件与受压元件的连接接头为E类焊接接头。
（√）8. GB150.1规定：设计温度低于-30℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制容器皆为低温容器。
（×）9. 压力容器的容器类别按《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定确定。
（√）10. GB150.1中规定：耐压试验包括：液压试验、气压试验和气液组合试验。
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
其强度条件为
当
t
n
[ ]t
当
PD 2S
[
]t
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
一、强度计算公式
1．圆柱形容器
圆筒的设计壁厚为Байду номын сангаас
Sd
Pc Di
2[ ]t
Pc
C2
对已有设备进行强度校核和确定最大允许工作压力的计算公式分别为
t Pc (Dc Se ) [ ]t
2Se
[Pw ]
2[
Di
]t Se
外压容器
有安全泄放装置 无安全泄放装置 容器(真空) 夹套(内压)
容器(内压) 夹套(真空)
设计压力 1．0～1．10倍工作压力 不低于(等于或稍大于)安全阀开启托力(安全阀开启压力取1．05～ 1．10倍：工作压力) 取爆破片设计爆破压力加制造范围上限 设计外压力取1．25倍最大内外压力差或0．1MPa二者中的小值 设计外压力取0．1MPa 没计外压力按无夹套真空容器规定选取 设计内压力按内压容器规定选取
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
四、容器的耐压试验及其强度校核
容器制成以后(或检修后投入生产之前)，必须作耐压试验或增加气密性试验，以 检验容器的宏观强度和有无渗漏现象。耐压试验就是用液体或气体作为加压介 质，在容器内施加比设计压力还要高的试验压力，并检查容器在试验压力下是 否渗漏，是否有明显的塑性变形以及其他的缺陷，以确保设备的安全运行。
Pc
S
Pc Di
4[ ]t
Pc
C2
t Pc (Di Se ) [ ]t
4Se
[Pw ]
4[
Di
]t Se
Se
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
压力容器设计审核人员培训_GB150.3-2019_压力容器_第3部分：设计_第5、6章
35
对于以薄膜应力承载的锥壳，其壁厚按当量圆 筒计算。但在锥壳与相邻圆筒连接部位由于变形协 调引起的附加应力的作用尚需另行考虑。附加应力 的大小与锥壳半顶角大小直接相关。半顶角较小时， 锥壳与圆筒连接处变形协调产生的附加应力很小， 不会影响锥壳的计算厚度。但半顶角较大时，其边 界力和由此引起的附加应力会大大增加，为此导致 加厚锥壳与圆筒连接部位的厚度。
25
（2）边缘影响及边缘应力 两处边界，圆筒与环壳对接的边界
1，环壳与球壳对接的边界2 见下图
26
碟形封头中边界力作用示意图
27
28
3）r/Ri对碟形封头应力的影响： a.当r/Ri较小时（≤0.16）边界2上的作用力对整
个封头中的应力起很大的影响。
b.当r/Ri＞0.16时，M值受其影响很小，这是整 个封头仅受边界1（即封头底边）的影响，其受力 情况已与椭圆封头相近了。
4）变形特征：
内压作用下有趋圆特征，存在着失稳可能。封 头上周向压缩应力随其Ri/r的增大而加剧，从而很 容易发生失稳，GB150.3（表5-3）对Ri/r不超过10， 即是基于这种考虑的。
外压过渡区不存在失稳，“趋扁”；仅对球面 部分进行外压计算。
29
3. 球冠形封头 一）内压作用
（1） 与筒体的连接方式 通常是部分球壳与圆筒连接
37
关于折边结构GB 150.3规定：
锥壳大端，当半顶角α30°时，可采用无折边 结构；当α ≤ 45°时，大端应采用带过渡段的折边 结构。当α ≤ 60°时，大端和小端均应采用带过渡 段的折边结构。大端折边锥壳的过渡段转角半径r应
不小于封头大端内直径的10%，且≥3δr；小端折边
对承受内压的封头的几种介绍
对承受内压的几种封头的介绍1.椭圆形封头椭圆形封头的周向（环向）应力和经向（轴向）应力在壳体上各点都是变化的，在顶点的环向应力和轴向应力相等，而在赤道上的应力。
椭圆封头承受均匀内压时，轴向应力恒为拉伸应力（正值），且由顶点处最大值向赤道逐渐递减至最小值；环向应力在时，封头过渡区将开始出现压应力，若长短轴比值继续增大，封头过渡区边缘的压应力值将迅速增大，即封头越浅，封头边缘的压应力值越高，所以将封头长短轴比值限制在2.6以内较为合理。
封头厚度除应满足强度要求外，对大直径薄壁的椭圆形封头，还要提放由于封头过渡区的压应力，产生内压下的弹性失稳，为此封头厚度还应满足刚度要求。
2.碟形封头碟形封头由球面部分、直边段以及过渡区三部分组成。
过渡区连接球面部分和直边段，所以在过渡区的两端经线曲率半径有突变，将产生边缘应力。
碟形封头边缘应力的大小和过渡区半径与球面半径的比值有关，比值越小，曲率边境突变的越厉害，边缘应力越大，当比值到了极限即过渡区半径为0时，碟形封头就演变成球冠封头与直筒体，此时边缘应力到了最大值。
所以碟形封头的过渡区就是为了降低边缘应力，而直边部分目的是为了避免边缘应力作用在封头和筒体连接的焊缝上。
3.球冠形封头球冠形封头在球面与圆筒连接处其曲率半径发生突变，同时因两壳体无公切线而存在横向推力，所以产生相当大的不连续应力，因此这种封头一般只能用于压力不高的场合，且封头与筒体连接的角焊缝必须采用全焊透结构。
在对球冠形封头进行设计时，应注意与封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度，否则应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接。
圆筒加强段的厚度应与封头等厚，长度应不小于，目的是消减边缘应力。
4.锥形封头锥形封头什么时间带折边，角度限制等参照GB150相关章节的说法。
这里说说受内压无折边锥形封头。
锥体的主体部分在内压作用下，最大薄膜应力发生在大端。
锥体和圆筒部分连接处，由于几何不连续性，曲率半径突变，因此该处会产生较大的横向推力，引起较大边缘应力，容易发生弯曲，故需加强。
第十章 内压容器封头的设计
第十章 内压容器封头的设计
受内压碟形封头存在较大的边缘应力，用有力矩理论更合 理，但求解过程复杂。
由于过渡环壳包括不连续应力在内的总应力总是大于中心 球面部分，因此引入碟形封头形状系数M。
内压厚度：
d
=
Mp c Ri
2[s ]t f - 0.5 pc
（10-5）
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
3．碟形封头 碟形封头是由球面、过渡段以及圆柱直边段三个不同曲面组成。 虽然由于过渡段的存在降低了封头的深度，方便了成型加工， 但在三部分连接处，由于经线曲率发生突变，在过渡区边界上 不连续应力比内压薄膜应力大得多，故受力状况不佳，目前渐 渐有被椭圆形封头取代之势。它的制造常用冲压、手工敲打、 旋压而成。
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
例题
确质定为精16流Mn塔R（封G头B6形65式4-及96尺) 寸，。计塔算径压Di力=6P0c0=m2m.，2M壁Pa厚, δ工n作=7温mm度，材 t=-3～-20°C。
【解】确定参数： Pc=2.2MPa， Di=600mm， C2=1mm,[s]=170MPa 。封头材质选16MnR（GB6654-96)
第十章 内压容器封头的设计
组成
又称带折边球形封头，由半径为 Ri的球面、半径为r的过渡圆弧 和高度为h的直边组成。 优缺点：相同受力，碟形封头壁 厚比椭圆形封头壁厚要大些，而 且碟形封头存在应力不连续，因 此没有椭圆形封头应用广泛。加 工简单。
压力容器圆筒与半球形封头椭圆封头碟形封头
压力容器圆筒与半球形封头椭圆封头碟形封头、锥形封头连接时的边界效应设计技术1．边界力的形成圆筒与半球形封头、椭圆封头、碟形封头相连接时，在内压P作用下，如解除它们间的相互约束，由于各壳体的应力情况不同，则它们边缘的自由位移也是不同的。
为了使它们连接点的位移(径向)能保持连续(不发生“开裂)则通常要产生一对边界横剪力Q(见图1)。
相邻两壳体在Q作用下，壳体端部都要发生偏转，在解除相互约束的情况下，它们端部各自的自由偏转通常也是不一致的。
为使其连接端面的偏转角保持连续，即端面互相贴合，则通常在边缘上又会产生一对力矩M(见图1)。
以上相邻元件间为了满足变形协调产生边界力的现象，称为边界效应。
边界力Q和M对两壳体引起的应力，称边界效应引起的弯曲解。
其与壳体薄膜解的薄膜应力相叠加形成壳体的最大应力。
由于边界力引起的应力属二次应力，其最大应力的控制值可达3[σ]。
以上边界力Q及M的大小取决于相连两壳体的自由变形差及两者抵御变形的刚度差。
圆筒体与半球形封头、椭圆封头、碟形封头相接时，由边界效应引起的弯曲解与薄膜解叠加后，并不形成很大的局部应力，不会发生失去安定的问题，所以圆筒和封头的厚度仅按各自元件的计算厚度即可满足强度要求。
但在圆筒与锥形封头相接时，边界上会引起很大的局部应力，极易引起边界的不安定问题。
此时，圆筒和封头按各自强度计算的厚度不能满足边界的安定强度条件。
为此其厚度就应按计及边界效应后的一次+二次应力的总应力强度以安定控制条件(3[σ])或局部薄膜应力强度按1．1[σ]条件进行确定。
圆筒与球形封头、椭圆封头、碟形封头相接时，各元件的厚度可按各自的计算厚度确定；而圆筒与锥形封头相接时，在连接处附近两元件的厚度则通常为由边界效应引起的局部应力所控制，其间存在设计准则的差异。
以下分别对圆筒与上述三种封头相接情况的边界效应进行分析。
、2．圆筒一半球形封头的边界效应对于由等厚的圆筒与半球封头组成的容器，在内压P作用下，由于球壳中的应力只有圆筒环向应力的一半，应力水平低，则变形必然较小。
压力容器球形封头与圆筒体的连接形式分析
中图分类号 ： Ｔ Ｑ ０ ５ ３ ． ２
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ６ — ４ ３ １ １ （ ２ ０ １ ３） １ ３ — ０ ０ ３ ７ — ０ ２
０ 引 言 随 着 石油 化 工 的迅 速 发 展 以 及 国 家 对 天 然 气 能 源 的
头 与简体 中径对齐 ： 连接形式Ⅳ ： 封头与筒体 中径对齐。
１ ． 连 接形 式 Ｉ
寸ｔ 一
２ ． 连接形式 Ⅱ
进一步开 发 ， 压 力 容器 总 体 高 压 有 着 扩 大 趋 势 发 展 ， 在 做 压力容器设计时 ， 球形封头以其受力性能好、 重量小、 容 积 大 的特 点 成 为上 好 的选 择 方式 。 在 我 国 ， 球 形 封 头 的使 用 还没有大量普及 ， 且球形封头与筒体 的连 接形式也没有标
ｈ ｅ ｍｉ ｓ ｐ ｈ ｅ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｈ ｅ ａ ｄ ａ ｎ ｄ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ ， ａ ｎ ｄ ｕ ｓ ｅ ｓ ＡＮＳ ＹＳ １ １ ． ０ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ｔ ｏ ｄ ｏ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ Ｏ ａ ｓ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｖ ｌｕ ａ ｅ ｏ ｆ ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｍｓ ， ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｆ ｕ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ．
贾春娇 Ｊ Ｉ Ａ Ｃ ｈ ｕ ｎ － ｊ ｉ ａ ｏ
（ 武汉 中正 化 工 设备 有 限公 司 ， 武汉 ４ ３ ０ ０ ８ ４ ）
几种常用承受内压封头的结构特点
几种常用承受内压封头的结构特点椭圆封头，碟形封头，球冠形封头，锥形封头，等几种封头应用比较常用的承受内压封头，本文就针对这四种形状的常用封头结构及相关情况做下介绍：1.椭圆封头是由半个椭球面和短圆筒直边组成，椭圆形封头的周向（环向）应力和经向（轴向）应力在壳体上各点都是变化的，在顶点的环向应力和轴向应力相等，而在赤道上的应力。
椭圆封头承受均匀内压时，轴向应力恒为拉伸应力（正值），且由顶点处最大值向赤道逐渐递减至最小值；环向应力在时，封头过渡区将开始出现压应力，若长短轴比值继续增大，封头过渡区边缘的压应力值将迅速增大，即封头越浅，封头边缘的压应力值越高，所以将封头长短轴比值限制在2.6以内较为合理。
封头厚度除应满足强度要求外，对大直径薄壁的椭圆形封头，还要提放由于封头过渡区的压应力，产生内压下的弹性失稳，为此封头厚度还应满足刚度要求。
由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布变化比较连续，且椭圆型封头深度较半球型封头小的多，易于冲压成型，是目前应用较多的封头。
2.碟形封头又称蝶形封头,带折边球形封头。
碟形封头由球面部分、直边段以及过渡区三部分组成。
过渡区连接球面部分和直边段，所以在过渡区的两端经线曲率半径有突变，将产生边缘应力。
碟形封头边缘应力的大小和过渡区半径与球面半径的比值有关，比值越小，曲率边境突变的越厉害，边缘应力越大，当比值到了极限即过渡区半径为0时，碟形封头就演变成球冠封头与直筒体，此时边缘应力到了最大值。
所以碟形封头的过渡区就是为了降低边缘应力，而直边部分目的是为了避免边缘应力作用在封头和筒体连接的焊缝上。
蝶形封头的还有优点是制造容易，可以模压成型，有时也可以人工锻打成型。
一般在制造条件许可的情况下，用椭圆型封头代替蝶形封头。
3.球冠形封头也叫无直边封头：其形状是半圆的一个球体，所以称为球冠形封头。
球冠形封头在球面与圆筒连接处其曲率半径发生突变，同时因两壳体无公切线而存在横向推力，所以产生相当大的不连续应力，因此这种封头一般只能用于压力不高的场合，且封头与筒体连接的角焊缝必须采用全焊透结构。
封头的结构特性与受力特点：
封头的结构特性与受力特点：（1）平板封头与凸形封头承载能力之比较：平板封头：周边固支；周边简支凸形封头：球形封头；椭圆封头；碟形封头；锥形封头结论：当其他条件相同时，平板封头的承载能力远小于凸形封头的承载能力若使其承载能力相同，平板封头的厚度大于凸形封头（2）各封头结构与受力之比较：a．半球形封头：组成：半个球壳按无力矩理论计算，需要的厚度是同样直径的圆筒的1/2。
若取厚度与圆筒一样大小，两者连接处的最大应力比圆筒的周向薄膜应力大于百分之3.1，故从受力看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度达，直径小，整体冲压困难，大直径采用分半冲压，其拼焊工作量较大。
b．碟形封头：组成：球面+折边区+圆柱直边段虽然由于过渡段的存在，降低了封头深度，方便了成型加工，但在三段分连结处由于经线曲率发生突变，在过渡区边界上不连续应力比内压薄膜应力大得多，故受力状况不佳。
c．椭圆形封头：组成：半个椭圆面+圆柱支边段它吸取了半球形封头受力好和碟形封头深度浅的优点，由于椭圆部分经线曲率平滑连续，故封头中的应力分布比较均匀。
对于m=a/b=2的标准椭圆形封头，封头与直边连接处的不连续应力较小，可不予以考虑，所以它的结构特性介于半球和碟形封头之间。
e．锥形封头：组成：锥壳+过渡圆弧+圆柱直边段就强度而论，锥形针头的结构并不理想，但是封头的形状还决定容器的使用要求。
对于气体的均匀进入和引出，悬浮或粘稠液体和固体颗粒等排放不同直径，圆筒过渡则是理想的结构形式，而且在厚度较薄时，制造较容易。
f．平板封头：组成：圆平板平板封头是在各种封头中结构最简单，制造最简单的一种封头形式。
从圆平板的应力分析可知，因其仅受弯曲，所以同样直径和压力的容器采用平板封头厚度较大，材料耗费过多而显的十分笨重。
（3）各种封头结构与受力比较的结论从受力情况看：半球形—椭圆球形-碟形-锥形-平板（好—差）从制作情况看：平板-锥形-碟形-椭圆形-半球形（易-差）从应力情况看：半球形封头：随着制造水平的提高，用于高压容器，以前一般用于低压容器（由于制造水平不高）椭圆形封头：大多数中低压封头碟形封头：国内一般不用，但国外应用较多锥形封头：压力不高，但特定场合平板封头：用于常压或直径不大的高压容器。
球形封头与圆筒连接结构有限元分析
３
图３ ｄ型 结构 最 大 应 力 强 度 随 过 渡 段 长 度 变 化 曲线
Ｆｉｇ．３ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｍ ａｘｉｍ ｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｄ ｔｙｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
段 堆 焊长 度取 ６５ ｍｍ，采用 该尺寸 时，球 形封 头 圆筒连接结 构的最大应力强度 为 ２００ ＭＰａ。 ２Ｉ２ 结 构 形 式 对 比选 择
埘 Ｊ：小项 ¨采川 ＧＢ １５０ ２０ｌ１附 求 Ｄ．２．２推 的 ３利，（Ｊ ｄ，ｅ，ｆ）连接彤』 卡ｊ！ ｃｕ１ ２所示 ，ｄ， ｆ 结构球 形” 头Ｉ大Ｊ、卜径为 ８１０ ｎｌｍ，ｄ｝Ｉ¨结构球形埘 头内 、 为 ８００ ｉｒｌｍ，模 Ｌ｝－｝ｆ 和 ｌ简 厚力‘阳 均划 分 ｒ １０份 Ｉ州格 ，■种模 Ｊ Ｉｌｌ十 ｆｉｔｉ卡勾不 Ｉ叫， Ｉｌ， 数小 ，各｛：５ｌ 点总数约 １２ ０００个。
采川 ＰＬＡＮＥｌ８３ 厄 建 、 Ｊ 球彤埘 筒连接 结 卡勾模 ，球 形Ｈ头 部分伞部建 ｆ｝｛， ｒ避免约 刈 ｉ生接处Ｊ１ Ｊ￣Ｎ＇ｌｉｆｊ，Ｊ影Ｉ ４，网附 ５分 杉虑 了 ５００ ｍｍ ｆ 度 。 他 Ｉｌｌ￣ｌＩ对称单 冗 时，ＡＮＳＹＳ软件 认为 ｙ轴 为 对称轴 ，… Ｊ：球 形埘头 建 ＿ｒ从刈‘称轴 为起始点 的完 整模 ） ，软什 动处 为一个Ｈ ｆ ｌｇ￣，！ｉ构 ，所 以顶部 尤须 再 约 条件。 简端 ５施 ＪＪｆ１轴 何 移约 ， １人Ｊ 施 ＪＪＪＩ汁 』 Ｊ ８．５ ＭＰａ。 ＡＮＳＹＳ软什 中建 ，Ｊ ￣ｌｌｌＸｄ‘称十Ｉ！， 以 技 乐受的均 ¨～ ｆＨ１ １昕示。
长度变 化对于应力分布规律 的影 响研究 尚不多见 。由 于 ＧＢ １５０— ２０１１《压力 容器 》 中对 于锥 形过 渡段长 度 只是 规定了范 围 】，即 Ｌ不小于 ３倍 的单侧厚度差 ， 实际设 计 中 上具体 取值 由设 计 者确 定 ，但 该尺 寸是 否 越 大越 好也 不得 而 知 。本 文对 较 大 的变化 范 围 进行应 力分布影响研究 ，以对结构尺寸选择提供有效 指 导 。
气瓶应力分析和强度计算
气瓶应力分析和强度计算气瓶应力分析和强度计算气瓶是一种承受内压的压力容器，一般由圆筒、封头、封底所组成。
从受力情况看(这是强度设计的力学基础)，它可以分为头部及其影响区、简体、底部及其影响区三部分。
而强度设计的任务就是要正确确定每一部分的结构形状及其尺寸，保证在整个使用年限内安全运行。
对已有的气瓶，则可利用应力分析及强度设计有关公式进行安全校验和剩余寿命的估算。
图4—1为一凹形底气瓶的应力分布图。
强度设计的基本原则是安全可靠，经济合理。
一、气瓶筒体的应力状态气瓶筒体部分是一薄壁圆柱形壳体，或称薄壁圆筒。
由于气瓶的公称工作压力可达30MPa，属于高压容器。
制造气瓶的材料一般都选用强度较高的优质结构钢，所以其壁厚S相对于半径Ri来说仍是很小的，一般S／Ri<1／10。
根据力学分析及有关压力容器的设计规定，当圆筒外、内直径之比Do／Di≤1．2时，可认为是薄壁圆筒，均可按薄壁圆筒设计。
所谓薄壁圆筒，从力学上讲，就是指：当圆筒的壁厚相对于半径很小时，圆筒断面上承受弯矩的能力很小，筒壁主要承受拉力或压力，因此，可以近似地认为应力在整个筒壁上，沿壁厚度是均匀分布的，即所谓无力矩理论。
按无力矩理论计算求得的应力称为薄膜应力。
现在我们来分析气瓶简体即薄壁圆筒的应力状态。
圆筒是最简单的一种回转壳体，也是压力容器中最基本的部分。
薄壁圆筒的无力矩理论应力状态可以用分析回转壳体应力状态的一般方法求解，也可以更简单的从静力平衡方程式直接求得。
以图4—2为例，如果我们在气瓶中部以垂直于轴线的平面(横截面)将气瓶截为上下二段，则作用在环断面的经向应力(亦称轴向应力)的合力为πDSo经，此力应与由内压P 作用在气瓶底端的总轴向力(不管封头形状如何，均为π/4D2i p)相平衡，即因系薄壁圆筒，故内径D”可近似地等于平均直径Di．即D1≈D，由此，可求得作为了求得环向应力(亦称周向应力或切向应力)，则可取长度为L的一段圆筒，并以通过轴线的纵向截面将此圆环沿轴线切开,如图4—3所示，一辟两半，并沿Y--Y方向列公式(4．1)及(4．2)中圆筒的直径均为内径，所以有时亦称内径公式。
压力容器检验员资格培训考核统考试卷
辽宁省2002年度压力容器检验员资格培训考核试卷一、填空题（每题1分，共20分）1．设计厚度是指与之和。
2．采纳补强圈补强时，要求钢材的标准抗拉强度下限值、壳体名义厚度、补强圈厚度。
3．换热器的公称长度LN是指换热管的长度。
换热管为直管时取，换热管为U形管时取的长度。
4．换热管与管板的连接方式有、、等形式。
5．压力容器的失效大致可分为、、和等四大类。
6．薄壁圆筒是指圆筒的外径和内径之比K 。
7．受均载圆形平板应力沿半径方向的分布及最大应力点的位置与周边的支承方式有关。
周边简支时，最大应力位于；周边固支时，最大应力位于。
8．钢焊缝射线透照底片上常见的缺陷有、、、、和等。
9．按JB4730—94标准，超声波检测常用的探头有探头，探头，探头、水浸探头、聚焦探头等。
10．《压力容器安全技术监察规程》中规定：对固定式压力容器，期间内，至少进行一次耐压试验，对移动式压力容器，年至少进行一次耐压试验。
11．为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑。
12．受《压力容器安全技术监察规程》监察的安全附件包括：压力容器所用的安全阀、爆破片装置、、、压力表、液面计、测温仪表等安全附件。
13．按《压力容器安全技术监察规程》的规定，压力容器的定期检验分为：外部检查、和。
14．钢材的使用温度上限为各许用应力表中各钢号所对应的。
15．进行夏比（V型缺口）低温冲击实验时，试样取样方向为。
16．《在用压力容器检验规程》中规定：检验单位应保证检验（包括缺陷处理后的检验）质量，检验时应有，检验后应出具。
凡明确有检验员签字的检验报告书必须由签字方为有效。
17．按《在用压力容器检验规程》的规定，壁厚测定位置应有，并有足够的。
测定后应。
18．《压力容器安全技术监察规程》中规定：压力容器投用后首次内外部检验周期一般为年。
以后的内外部检验周期，由检验单位依照前次内外部检验情况后报当地安全监察机构备案。
19．《在用压力容器检验规程》中规定：进行内外部检验时，必须将内部介质，用隔断所有液体、气体或蒸汽的来源，设置明显的。
GB150复习题-推荐下载
GB150-2011 《压力容器》复习题一.名词解释:1.工作压力：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
2.计算厚度: 按本标准相应公式计算得到的厚度。
需要时，尚应计入其他载荷所需厚度。
对于外压元件，系指满足稳定性要求的最小厚度。
3.设计厚度: 计算厚度与腐蚀裕量之和。
4.名义厚度: 设计厚度加上材料厚度负偏差后向上圆整至材料标准规格的厚度。
5.有效厚度: 名义厚度减去腐蚀裕量和材料厚度负偏差。
6.最小成形厚度: 受压元件成形后保证设计要求的最小厚度。
7.多层压力容器: 圆筒由两层以上（含两层）板材或带材、层间以非焊接方法组合构成的压力容器，不包括衬里容器。
8.热成形: 在工件材料再结晶温度以上进行的塑性变形加工。
二.判断题:1. GB150规定了金属制压力容器（以下简称容器）材料、设计、制造、检验和验收的通用要求。
（√）2. GB150适用于设计压力低于0.1 MPa且真空度低于0.02 MPa的容器。
（×）3. GB150适用的设计压力，钢制容器不大于35MPa；其他金属材料制容器按相应引用标准确定。
（√）4. 《移动式压力容器安全监察规程》管辖的容器，也在GB150的规定范围内。
（×）5. 钢制容器的设计、制造、检验和验收除应符合本标准所有部分的规定外，还应遵守国家颁布的有关法律、法规和安全技术规范。
（√）6. GB150.1中规定：压力容器受压元件之间的焊接接头分为A、B、C、D四类。
（√）7. 非受压元件与受压元件的连接接头为E类焊接接头。
（√）8. GB150.1规定：设计温度低于-30℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制容器皆为低温容器。
（×）9. 压力容器的容器类别按《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定确定。
（√）10. GB150.1中规定：耐压试验包括：液压试验、气压试验和气液组合试验。
压力容器设计智慧树知到答案章节测试2023年华东理工大学
第一章测试1.下列哪一个是目前正在使用的压力容器设计规范？A:GB150 钢制压力容器B:GB150 压力容器C:GB151 钢制压力容器D:GB151 压力容器答案:B2.目前使用的压力容器规范是哪一年颁布的?A:1989年B:1998年C:2011年D:2017年答案:C3.下列说法哪个是正确的？A:有压力的容器就是压力容器B:压力与体积的乘积大于或者等于2.5 MPa·L的容器才是压力容器C:体积大于1 L的容器就是压力容器D:盛装气体和液体的容器就是压力容器答案:B4.常温容器是指：A:温度在室温至200℃的容器B:温度在恒定不变的温度下的容器C:温度在0℃至20℃之间的容器D:温度在室温时的容器答案:A5.薄壁容器是指：A:壁厚小于1mm的容器B:壁厚比上内径小于等于外、内径之比的五分之一的容器C:壁厚小于5mm的容器D:壁厚比上内径小于等于外、内径之比的十分之一的容器答案:D6.压力容器的失效型式有哪些？A:过度变形失效、断裂失效、表面损伤失效B:韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂C:过度变形失效、断裂失效、韧性断裂失效D:韧性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂答案:A7.特种设备是指：A:锅炉、压力容器、电梯、起重机等B:锅炉、压力容器、电梯、起重机、客运索道、大型游乐实施等C:锅炉、压力容器、电梯、起重机、客运索道等D:锅炉、压力容器答案:B8.什么是材料的韧性？A:韧性是材料抵抗冲击的能力B:韧性是材料抵抗断裂的能力C:韧性是材料抵抗变形的能力D:韧性是材料抵抗拉伸的能力答案:A9.下面哪一种说法是正确的？A:强度高的材料，塑性及韧性降低B:强度高的材料，塑性及韧性增加C:强度高的材料，塑性降低、韧性增加D:强度高的材料，塑性增加，韧性降低答案:A10.下列说法哪个是正确的？A:二类容器最危险，要求最高；B:一类容器最危险，要求最高；C:四类容器最危险，要求最高。
D:三类容器最危险，要求最高；答案:D第二章测试1.第一曲率半径与_________有关。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期:2009-08-20。
作者简介:桑如苞(1945-),男,浙江绍兴人。
从事压力容器设计工作45年,退休。
为我国压力容器国家标准GB 150和应力分析设计标准J B 4732等的开创编制人之一,获国家级、部级奖7项。
参加压力容器标准宣讲工作近30年,在全国讲坛一百五十余次,讲演获得成功。
在压力容器强度计算方面有诸建树。
对多种法兰、换热器管板、圆筒大开孔补强、一次结构、应力分类等有深入研究,论证国外方法的错误,解决工程设计中长期存在的问题,提出合理设计方法20余种,发表论文70余篇,成功应用于工程设计或标准中。
专著多部。
1999年载入《中国专家大辞典》。
Email :san grb @sei .com .cn球形封头与圆筒连接过渡结构的受力分析桑如苞1,段 瑞1,杨淑霞2(1.中国石化工程建设公司,北京100101;2.北京华福工程有限公司,北京100031) 摘 要:对球形封头与圆筒过渡连接结构中的薄膜应力状况进行了分析,论证结果表明,错误结构中的环向应力达正确结构环向应力的2倍,且超出许用应力30%。
关键词:球形封头;圆筒;连接过渡结构;受力分析中图分类号:T E969 文献标识码:B 文章编号:1006-8805(2010)02-0014-03 压力容器常用的封头有椭圆形封头、球形封头和锥形封头等。
在高压容器中多用球形封头。
球形封头受力好,其计算壁厚仅为等径圆筒厚度的1/2,并由于球壳比表面积小,为此其材料消耗最省。
为减小圆筒端部的边缘应力,GB 150—1998《钢制压力容器》中规定,当圆筒较厚时,应将圆筒端部以不小于1∶3的斜度削薄,为此可能出现如图1和图2所示的两种结构形式。
圆筒与球壳的一种正确过渡连接结构如图1所示,而图2所示的过渡连接结构则是错误的。
错误结构过渡段中的环向应力要比正确结构的高出1倍,且超出许用应力30%之多。
图1 球形封头与圆筒连接正确的结构形式示意图2 球形封头与圆筒连接错误的结构形式示意 两种过渡连接结构,它们的过渡段都是端部按≤1∶3斜度削薄的圆筒,结构尺寸相同,且在内径上都是直接承受压力P c 的作用。
两种过渡段的受力为何不同?一种解释是图1结构的过渡段属于局部加厚的球壳,受力好。
图2结构的过渡段属于局部削薄的圆筒,因此受力差。
究竟两种结构受力为何不同?主要差异在哪里?差别有多大?为对两种结构的受力进行比较,可分别将两过渡段取为单体进行分析。
1 错误结构过渡段的受力分析这种结构的过渡段,在其内径表面上受有压力P c 的径向作用。
过渡段上端作用有球形封头经向薄膜应力引起的垂直拉力N 球[见图3(a )]。
过渡段大端作用有圆筒轴向薄膜应力引起的垂直拉力N 筒[见图3(a )]。
在此N 球=N 筒=P c D i /4(以单位圆周长度计),即作用于过渡段上的轴向载荷是自身平衡的,且都不引起径向分力。
作用于过渡段上的径向力只有压力P c ,它会引起水平静设备 石油化工设备技术,2010,31(2)·14·Petro -Chemical Equipment T echnology方向的合力F [见图3(b )]。
图3 错误结构过渡段的受力分析示意 由压力P c 径向作用在半个过渡段(削薄段)上引起的水平合力F 按下式计算,F =D i ×h ×P c 。
根据半个过渡段的水平力平衡条件,由P c引起的水平合力F 应与过渡段两个纵截面上的环向力相平衡。
为此过渡段纵截面上的环向应力σ1应为:σ1=D i ×h ×P c2δ球+δ筒2×h 其中:δ球=P c D i 4[σ],δ筒≈P c D i 2[σ]≈2δ球式中:[σ]———封头、筒体材质设计温度下的许用应力,M Pa 。
则:σ1=D i ×h ×P c 3P c D i 4[σ]×h =43[σ]=1.33[σ]>[σ] 可见过渡段中的环向平均应力超过许用应力[σ]30%之多。
不满足过渡段的环向薄膜应力的强度条件。
2 正确结构过渡段的受力分析这种结构的过渡段,在其内径上也作用有压力P c [见图4(a )]。
过渡段上端作用有球形封头经向薄膜应力引起的经向拉力N 球,其可分解为垂直分量N h 和水平分量N r 两部分。
过渡段下端作用有筒体轴向薄膜应力引起的轴向拉力N 筒,由于轴向力是自相平衡的,故N 筒=N h 。
但径向力N r 的作用,会对过渡段纵截面引起水平方向的环向压缩作用。
图4 正确结构过渡段的受力分析示意 由压力P c 的径向作用,在半个过渡段上引起的水平合力F 1按下式计算:F 1=(D i -2■L )h ×P c 此力将对过渡段纵截面产生拉伸作用。
由球形封头经向薄膜应力在过渡段上端引起的经向内力素N 球[见图4(a )](以球壳内径上的单位圆周长度计)为:N 球=πD 2i 4P c /πD i =P c D i 4此内力素的水平分量N r [见图4(a )]为:N r =N 球Sin φ,其中Sin φ=h D i /2=2h D i故:N r =N 球Sin φ=P c D i 4×2h D i =P c h 2N r 为作用于过渡段端面上的均布径向力,其在半个过渡段两个截面上引起压缩力为F 2[见图4(b )]。
F 2=N r (D i -2ΔL )=P c ×h 2(D i -2ΔL ) 根据半个过渡段水平力平衡条件,过渡段纵截面将承受由F 1、F 2共同作用下引起的环向(水平)拉伸载荷为: F 1-F 2=P c ×h (D i -2ΔL )-P c ×h 2 (D i -2ΔL )=P c ×h 2D i -P c ×h 22ΔL 由于一般2ΔL D i ,为了简化,略去-2ΔL 项,则F 1-F 2=P c ·h 2D i 。
(注1:略去2ΔL 项后,使F 1-F 2计算值增大。
)再为简化计算,取过渡段一个纵截面积为:15 第31卷第2期桑如苞等.球形封头与圆筒连接过渡结构的受力分析δ球+δ筒2h =3P c D i 8[σ]h (注2:使截面积计算值偏小。
)由此在过渡段中产生的环向平均拉伸应力σ2为: σ2=F 1-F 22δ球+δ筒2h =P c D i ×h /23P c D i 4[σ]×h =0.67[σ]<[σ](注1、注2的处理结果是使σ2增大,以便于与σ1的比较。
)可见,此过渡段中的环向应力σ2小于许用应力30%之多。
将错误结构过渡段中的环向平均应力σ1与正确结构的σ2相比:σ1σ2=43[σ]/23[σ]=2倍,可见前者应力为后者应力的2倍之多。
3 两种连接结构的比较由上述分析可知,两种连接结构,虽然筒体端部尺寸相同,但正确结构中,由于过渡段上端由球形封头经向力的径向分力作用,抵消了50%的由压力P c 径向作用产生的径向载荷,为此使过渡段纵截面上的应力大大减小,以至小于球形封头的薄膜应力水平([σ])。
而错误结构中,由于过渡段上端没有球封经向力引起的径向分力的作用,无以抵消压力P c 的径向作用力,为此过渡段纵截面上受到很大的环向应力,以至大于圆筒的环向应力许用值[σ]的30%之多,使之不满足强度要求。
4 合理结构球形封头与圆筒的正确对接型式在GB150—1998附录J 中有两种:内表面对齐与中面对齐。
两种对齐方式会使过渡段中的弯曲应力有所差异,但均不会使过渡段的总应力超过许用值(3[σ]),为此都不影响安全使用,可任选。
(上接第13页)要求,Ⅱ级合格。
在热处理前除应进行100%射线检测外,还应进行不少于20%的超声波检测,超声波检测应包括全部T 型和Y 型接头500mm内的焊缝,超声波检测按照JB /T 4730—2005标准,Ⅰ级合格。
射线和超声波检测应在焊接结束后24h 以后进行。
(2)所有C 、D 类焊缝,层间都要进行100%磁粉或渗透检测,按照JB /T 4730—2005标准,Ⅰ级合格。
(3)支柱与垫板、垫板与壳体间的焊缝表面需进行100%磁粉或渗透检测,按照JB /T 4730—2005标准,Ⅰ级合格。
(4)热处理前,应分别对对接焊缝内外两侧、所有角焊缝、工卡具清除后的焊迹部位及热影响区进行100%的磁粉或渗透检测,按照JB /T4730—2005标准,Ⅰ级合格。
磁粉或渗透检测应在焊接结束36h 以后进行。
6 实际应用西气东输管道工程2003年东段投用,2004年10月全线贯通,共使用了96台PIM -Ⅱ旋风分离器,至今已安全运行了近6年,已达到了设计的各项指标。
实践证明,PSC -Ⅲ旋风子及由其组成的大气量高效低阻的PIM -Ⅱ型旋风分离器性能非常稳定。
参考文献:[1] 干气除尘器研究组.天然气集输管线用导叶式旋风子多管除尘器的工业试验及其设计[J ].华东石油学院学报,1980,(5).[2] 金有海,时铭显,杜美华,等.带有开孔单锥排尘结构的导叶式旋风管:中国,Z L 95224602.3[P ].1997.欢迎订阅《石油化工设备技术》16石 油 化 工 设 备 技 术2010年 。