压力容器分析设计2
压力容器的常规设计和分析设计
科 技 圈 向导
２１年第 ２ 期 ０２ ｌ
压力容器的常规设计和分析设计
高 峰 ｆ 矿 煤 化 工 程有 限公 司 山东 兖
【 摘
兖州
２２ Ｏ ） ７ １ ０
要】 当前 ， 分析设计 目前 已成为压 力容 器的重要设计方 法。 文首先 阐述 了压力容器分析设计与常规设计的不同。 本 然后 分析设 计中应
形 而破坏 。一次应力又分总体薄膜应力 、 一次弯 曲应力 和局部 薄膜应 力 例如承受内压圆筒 的器壁 中的环 向应力 即为 总体薄膜应力： 平封 头或 顶盖 中央部分在 内压作用下产生 的应力 即为 一次弯曲应力： 壳体 在 固定支座或接管处 由外载荷和力矩产生的应力为局部薄膜应力 ： 二 是二次应力 。 二次应力是 由于容器部件的 自身约束或相邻部件 的约束 而产 生的正应 力或剪应力。它 的基本特点具有 “ 自限性 ” ， 即局部屈服 和小量变形 就会使约束缓 和 、 变形协调 ． 只要不反复加载 ， 二次应力不 会引起容器结构破坏 ： 三是峰值应力 峰值应力是 因局部结构不连续 １常规设计与分析设计 ． 它具有最高 的应力值 它的基本特 过去压力容器及其部件 的设计基本上属于常规设计 ． 我国现在执 或形状 突变 引起 的局部应力集 中。 自限性” 局部性”峰值 应力不会 引起容器 明显 的变形 和“ ， 行 的相应的设计规范是《 钢制压力容器） ｉ Ｓ — ９ １ 常规设计的特 点具有“ ） ｎ ０ （ Ｇ ８。 ３常 规设 计 和 分 析 设 计 比较 ． 点是： 简体及其部件 的应 力不 允许超过弹性范围 内的某一许用 值 如 果达到这一要求 ． 为筒体或部件就是 比较可靠 的 这样做 比较简 即认 常规设计是一种简单易行的传统设计方法． 而分析设计则不 同． 它 单． 以现成 的设 计公 式及 曲线为依 据 ． 多年来 一直按这样 的方 法进行 需要详尽 的应力分析报告为依据 需要近代 的分析计算 工具和实验技 设 计。 然而 ， 这种方法 比较粗糙 ． 许多重要因素都 未考虑进去 。以内压 术为手段， 因而提供 了充分的强度数 据对 新工艺 、 新材料 、 新结构 和新 圆筒为例 ， 常规设计 时只考虑薄膜应力 ， 在 至于 温差应力 、 边缘应力以 工况更具科 学性 和可靠性 分析设计提高 了许用应力． 降低了安全系 及 交变应 力引起 的疲劳等 问题均未考虑 所 以在规范 中 ． 为了保证容 数 ３ 多年来 的实际运行表 明： Ｏ 采用分析设计的容器安全 可靠． 且具有 器 的安全可靠在设 计中就采用 了较高 的安全 系数 。最早 的安 全系数 经济 胜； 与常规设 计相 比， 可节省材料 ２ ％～ ０ 在一定程 度上有效减 ０ ３ ％． ｎ ５ ４ 年代末改为 ｎ ４ 这样做实 际上是企 图以高 的安全系数来包罗 少制造加工量 、 ： ．０ ＝。 降低运输费用 但对 于选 材 、 制造 、 检验和验收规定 了 各 种因素 的影 响． 存在一些 问题 比常规设计更为严格的要求 下面是 常规设计与分析设计的对比 近年来 ， 由于锅 炉、 石油 、 化工 等行 业 的发展 ， 压力容器设计 参数 ① 比较项 目： 设计准则。 常规设计 ： 弹性失效 ： 只允许存在弹性变 提高． 使用条件也越来 越苛刻 ． 如果 单纯依靠提高 安全系数 的办法来 分析设计 ： 弹性失效 ＇ 塑性失效 ； ｊ 单 允许 出现 局部 的、 可控制 的塑性变 保 证强度 ． 导致设计变得不合理 。 会 为了防止这种现象 的发生 ． 我们在 形 （． １ 极限载荷（ 一次加载 ２安定 载荷反复加载） ． 。 结构型式 与材料方 面采取相应措施外 ． 还必须从设计观 点和设 计方法 ② 比较项 目： 载荷 。 常规设计 ： 静载荷 。 分析设计 ： 静载荷 、 交变载 上加以改进和发展 目前世 界上一些先进 的国家都在运用应力分析方 荷 。 法 ． 国也 于 １９ 年颁 布 了ｆ 我 ９５ 钢制压 力容器一一 分析设计 标准） Ｂ ７ （ ４ Ｊ ③ 比较项 目： 分析方法。 常规设计 ： 薄膜理论 、 材料力学方法 、 简化 犯 一 ９ ） 要求把零部件 中的应力较为准确地设计 出来或用应 力测试 公式加经验 系数 。分析设计 ： ５． 弹性或塑性力学分析ｆ 理论方 法、 数值方 法 测定 出来 。其次是引入 了极 限分析与安定性分析 的概念 ， 对求得的 法 、 实验方法）板壳理论 。 、 应力 加以分类和加 以限制 ④ 比较项 目： 应力评定。 常规设计 ： 应力不分类 、 同一 的许用应力 、 分析设计和常规设计 的主要 区别如下： 用第一强度理论 、 基本安全系数较大 。分析设计 ： 力分类 、 应 用应力强 用第 基本安全系数较小。 ①分 析设计 比常规设 计在选材 、 结构 、 设计 、 制造 、 检脸和使 用等 度对各类应力进行评定 、 三强度理论 、 方 面都提 出了较高 的要求和较多的限击峰件。 ⑤ 比较项 目： 材料。 常规要求 。 分析设计 ： 质、 优 延性好 、 性能稳定 ②分析设计考虑容器低循环疲劳失效 。 而常规设计并未包 括疲劳 ⑥ 比较项 目： 制造 、 检验。 常规设计 ： 常规要求。 分析设计 ： 整体 陛、 连续性 、 相贯处光滑过渡 、 全焊透、０ ％ １０ 探伤 。 分 析。 ③分 析设计考虑疲劳分析时要求详细计算温差应力 ． 而常规设计 分析设计方法虽然合 理而先进－ 却需要进行大量 复杂的分析计 ｆ 旦 除个 别元件外一般无此要求 算． 需要计算机 才能完成， 因而提高 了设计 费用 和时间， 以。 所 只有当设 ④ 分析设计采用最 大剪应 力理论 ． 而常规设计 ． 最大主应 力 计高参数 、 采用 重要的容器时才 采用这种方法 。但有些容器必须采用分析 理论 。 设计而无其 它选 择 对 一般的常规容器． 长期的实践证 明采用传 统的 ⑤ 分析设计原则上要 求对容器元 件各个部位 的应力进行详 细计 常规设计方法完全可以满足容器 的安全性。 如采用 分析设 计方法． 虽然 算 ． 根据各种应力对 元件失效所起不 同的作用予 以分类 ． 并 然后对 不 节省部分钢材， 却提高了设计 、 制造 费用， 实际上是不合算的。 因而美国 同类别 的应力采用不同的应力校核条件加以限制。 而常规设甘一般不 Ａ Ｍ Ｓ Ｅ规范 同时规定 了上述两种设计准则 ’ 我国也颁 布了 Ｇ １０ １９ Ｂ５— ９８ 计算 某些 局部应力 ． 针对具体结构 引人 不 同的结构 系数 ． 仅 也不对应 《 钢制压 力容器》 Ｊ ４ ３ — ５ 钢制压力容 器—— 分析设计标准 》 和 Ｂ ７２９ 《 ， 根 力进行分类 。 据不 同情况进行不同选择 分析设计是一个整体。 计准则的不 同． 设 要 求与之配套 的一 系列规 范和措 施也不同， 包括材料选用 、 制造工艺 、 检 ２分 析 设计 中应 力分 类 及 其 应 用 ． 分析设 计涉 及了各种可能失效模式 中一些 主要 的失效模式 ， 计 验要求 、 程序 、 制造资格 等方面 ； 常规设计 方法 简单易行， 设 计算 设计 而 具 但 根据 所考虑 的失效模 式 比较详 细地 计算 了容器及受 压元件 的各 种应 有丰 富的使用经 验， 有时却无法解释压力容器 出现 的一些事 故 所 设计者应 根据实践 经验， 经济 通过 力 ． 根据各种应力本身 的性质及对失效模 式所起的不同作用予 以分 以 常规设 计和分析设 计不能混用 ， 并
压力容器及有限元分析-2
ASME压力容器及其有限元分析压力容器，英文：pressure vessel，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。
贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。
压力容器的用途十分广泛。
它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。
压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。
此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。
压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。
ASME压力容器设计意味着计算方法是按ASME第8卷中的规则和计算方法进行设计和计算，不一定要选用ASME材料，除非和客户签订的技术协议里特别注明需要使用ASME材料，容器的管路当然也是要按ASME的要求。
由于产品的安全性和经济性的要求，有限元分析应用需求是最广泛的。
根据标准的要求，设计者可以借助有限元来解决容器的结构强度、稳定性及寿命（疲劳）的设计问题。
压力容器的主要特点结构形式：压力容器主要的结构形式为回转壳，当然最典型的是柱壳（常称为筒体）和球壳（球罐和封头等）。
常见的结构主要特点是：开孔、支撑、加强构件等；壳体的厚度远小于壳体的曲率半径；结构不规则；异种材料连接等。
根据其结构形式的主要特点和用途还可以进一部分类为：塔式容器、卧式容器、换热器、球罐等。
载荷形式：1) 压力：这是最重要的载荷形式，包括内压和外压；2) 热载荷：主要是由于温度梯度引起来的热应力；3) 力和力矩：设备管道传给设备的外力，附加载荷等4) 地震：设备的地震也是必须考虑的问题；5) 风载荷：对于一些塔式容器和球罐，风载荷也是主要考虑的载荷；6) 雪载荷：对我国北方地区的室外容器；求解模式：静力，动力，屈曲，疲劳，线弹性，弹塑性，非线性，接触等压力容器的分类一、按设计压力分类：1、低压（L）0.1MPa≤P＜1.6 MPa2、中压（M）1.6 MPa≤P＜10 MPa3、高压（H）10 MPa≤P＜100 MPa4、超高压（U）P≥100 MPa二、按工艺过程中的作用分：1、反应压力容器（R）：主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器。
压力容器的设计问题分析
压力容器的设计问题分析摘要：本论文旨在对压力容器的设计问题进行分析，并探讨相关的挑战和未来发展方向。
首先介绍了压力容器的定义、分类和设计原则，以及力学性能要求。
然后详细讨论了材料选择与应力分析、结构设计与优化、焊接和连接技术，以及压力容器的安全性评估和监测等关键问题。
在现有问题和挑战方面，指出了安全性问题、材料选择和性能、环境影响以及监测与维护等方面的挑战。
本论文的研究有助于同业者更好地理解和解决压力容器设计中的问题，提高其安全性、可靠性和可持续性。
关键词：压力容器，容器设计，问题分析，探讨1压力容器设计的基本原理1.1 压力容器的定义和分类压力容器是指能够承受一定的内外压力，并用于储存、运输或处理液体、气体或多相物质的设备。
它们通常由金属或合金材料制造而成，具有一定的强度和密封性能。
现如今，压力容器广泛应用于化工、石油、能源、制药、食品等不同的领域。
根据结构和功能特点的不同，压力容器可分为以下几类：（1）容器类型：常见的容器类型包括储罐、反应器、分离器、换热器等等。
（2）压力等级：根据承受的压力范围，压力容器可分为低压容器、中压容器以及高压容器。
（3）安装位置：压力容器可以分为立式容器、卧式容器和倾斜式容器，根据实际需要安装在不同位置和方向上。
1.2 压力容器设计的基本原则和流程压力容器设计需要遵循以下基本原则和流程：（1）确定设计条件：确定容器的工作压力和温度等不同的设计条件，并根据相关规范和标准进行选择。
（2）材料选择：根据设计条件、介质性质和环境要求选择合适的材料，比如常用的钢材、合金材料等等。
（3）结构设计：设计容器的结构形式、壁厚、尺寸和连接方式等，以满足强度、刚度和泄漏要求。
（4）强度校核：进行容器的应力分析和强度校核，确保设计的容器在工作条件下具有足够的强度和稳定性。
（5）密封性设计：确保容器具有良好的密封性能，防止泄漏和安全隐患的发生。
（6）监测和维护设计：考虑容器的监测和维护手段，以保证容器安全运行和使用寿命。
低温压力容器的设计分析
低温压力容器的设计分析低温压力容器是指在低于零度的环境中工作的容器，通常用于存储和运输液态气体，液氮、液氧、液氩等均为常见的低温液体。
由于低温环境下物质的特性会发生变化，因此低温压力容器的设计必须考虑到这些因素，以确保容器在安全可靠地工作。
本文将对低温压力容器的设计要点和分析进行探讨。
一、设计要点1.材料选用2.结构设计3.绝热设计由于低温液体的蒸发潜热较高，容器内的温度会迅速下降，导致容器表面结霜。
为了减少热量的散失，提高容器的绝热性能是必要的。
可以采取增加绝热层厚度、使用保温材料等措施来提高容器的绝热性能。
4.安全阀设计低温液体具有较大的蒸气压，一旦容器内压力过高，就会导致容器爆炸。
因此，在设计中必须考虑安全阀的设置，确保在容器内压力超过设定值时能够及时安全地排放压力。
5.排水设计由于低温液体的存在，容器内部会有凝露水和结冰现象。
这些水汽会降低容器的强度和耐腐蚀性，因此必须设计合理的排水系统，定期排除容器内的凝露水和结冰。
6.储罐涂层为了保护容器免受腐蚀和低温影响，可以在容器表面涂上特殊的防腐涂层。
这些涂层能够增强容器的抗腐蚀性能，延长容器的使用寿命。
二、设计分析针对低温压力容器的设计，需要进行结构分析和性能测试，以验证容器的强度和安全性。
1.结构分析在设计初期，需要进行有限元分析等结构分析，评估容器的受力和变形情况。
通过模拟不同工况下的受力情况，确定容器的最大受力位置和最大应力值，以确保容器在工作过程中不会发生结构破坏。
2.强度测试设计完成后，需要进行强度测试，验证容器的最大承载能力是否符合设计要求。
常见的测试方法包括液压试验、氢氦试验、抗冲击测试等。
通过这些测试，可以验证容器的强度和安全性，确保容器在工作中不会发生泄漏或爆炸等情况。
3.低温性能测试设计完成后，还需要进行低温性能测试，评估容器在低温环境下的工作性能。
通过模拟低温环境下的工作情况，测试容器在不同温度下的性能表现，验证容器的低温抗裂性能和绝热性能。
压力容器分析设计分析
1 问题描述利用ANSYS软件对压力容器用标准椭圆形封头和半球形封头进行应力分析，并沿着压力容器轴向方向绘制笛卡尔坐标系下X、Y、Z方向应力曲线，三个主应力曲线以及第一强度理论，第三强度理论、第四强度理论计算方法下的应力理论值和应力曲线。
相关参数：筒体内径：400mm，筒体长度为1000mm，筒体、封头厚度均为5mm，材料弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，内压P=1MPa。
2 建模过程：单元选取：本题研究的是薄壁压力容器，对于薄壁结构，最好是选用shell单元，shell单元可以减少计算量。
而且，如果选实体单元，薄壁结构承受弯矩的时候，如果在厚度方向的单元层数太少，有时候计算结果误差比较大，反而不如shell单元计算准确。
材料特性：ANSYS 结构分析材料属性有线性 (Linear)、非线性 (Nolinear)、密度(Density)、热膨胀 (Thermal Expansion)、阻尼 (Damping)、摩擦系数 ( Friction Coefficient)、特殊材料 (Specialized Materials) 等七种。
本题选取材料模型为线弹性材料，材料参数E=206GPa，μ=0.3。
几何建模：本题采用实体建模，该方法适合于复杂模型，尤其适合于3D实体建模，需人工处理的数据量小，效率高。
允许对节点和单元实施不同的几何操作，支持布尔操作（相加、相减、相交等），支持ANSYS优化设计功能，可以进行自适应网格划分，可以进行局部网格划分，便于修正与改进。
本题采用的是从下往上的建模方式。
先建立点，再连线画圆，然后将线沿轴线旋转，得到压力容器模型，上封头为标准椭圆形封头，下封头为球形封头。
网格划分：对有限元分析，ANSYS有四种网格划分方法，自由网格划分、映射网格划分，延伸网格划分和自适应网格划分。
本题采用自由网格划分，自由网格划分功能十分强大，没有单元形状的限制，网格也不遵循任何的模式，因此适用于对复杂形状的面和体网格划分。
2、压力容器应力分析
r——平行圆半径； R1（经线在B点的曲率半径）——第一曲率半径； R2（与经线在B点处的切线相垂直的平面截交回转曲面得一平面曲线，该
平面曲线在B点的曲率半径）——第二曲率半径，R2=r/sinφ 考虑 壁厚，含纬线的正交圆锥面能截出真实壁厚，含 平行圆的横截面不能截出真实壁厚。
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b. 球形壳体
压力容器应力分析
任一点M：p=ρgR(1-cosφ)
注：充满液体
25
经推导得：
gR 2
6t
(1 2 cos2 ) 1 cos
gR 2
6t
(5 6 cos 2 cos2 ) 1 cos
gR 2
6t
(5 2 cos2 ) 1 cos
t
gx
, 则
(0 gx)R
t
注：容器上方是封闭的
23
p0
t
R
σφ
σφ
径向朝外的p0相互抵消，产生σθ而与σφ无关，朝下的p0由筒底承担， 筒底将力又传给支座和基础，朝上的p0与σφ相平衡：
2πRtσφ=πR2p0
则
p0R 2t
若容器上方是开口的，或无气体压力（p0=0）时，σφ=0
薄壁圆筒 厚壁圆筒
Do/Di≤1.1 Do/Di>1.1
压力容器应力分析 t——壳体厚度 R——中间面曲率半径
Do——圆筒外径 Di——圆筒内径
3
2.1.1 薄壁圆筒的应力
压力容器应力分析
σφ ——经向应力（轴向应力）；σθ——环向应力（周向应力）σr— —径向应力，很小、忽略
4
压力容器应力分析
第二章压力容器应力分析
《过程设备设计基础》教案2—压力容器应力分析课程名称：过程设备设计基础专业：过程装备与控制工程任课教师：第2章 压力容器应力分析§2-1 回转薄壳应力分析一、回转薄壳的概念薄壳：（t/R ）≤0.1 R----中间面曲率半径 薄壁圆筒：（D 0/D i ）max ≤1.1~1.2 二、薄壁圆筒的应力图2-1、图2-2 材料力学的“截面法”三、回转薄壳的无力矩理论1、回转薄壳的几何要素（1）回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度 * 对于薄壳，可用中间面表示壳体的几何特性。
tpD td pR tpD Dt D p i 22sin 24422====⨯⎰θπθϕϕσσαασπσπ（2）母线、经线、法线、纬线、平行圆（3）第一曲率半径R1、第二曲率半径R2、平行圆半径r（4）周向坐标和经向坐标2、无力矩理论和有力矩理论（1）轴对称问题轴对称几何形状----回转壳体载荷----气压或液压应力和变形----对称于回转轴（2）无力矩理论和有力矩理论a、外力（载荷）----主要指沿壳体表面连续分布的、垂直于壳体表面的压力，如气压、液压等。
P Z= P Z（φ）b、内力薄膜内力----Nφ、Nθ（沿壳体厚度均匀分布）弯曲内力---- Qφ、Mφ、Mθ（沿壳体厚度非均匀分布）c、无力矩理论和有力矩理论有力矩理论（弯曲理论）----考虑上述全部内力无力矩理论（薄膜理论）----略去弯曲内力，只考虑薄膜内力●在壳体很薄，形状和载荷连续的情况下，弯曲应力和薄膜应力相比很小，可以忽略，即可采用无力矩理论。
●无力矩理论是一种近似理论，采用无力矩理论可是壳地应力分析大为简化，薄壁容器的应力分析和计算均以无力矩理论为基础。
在无力矩状态下，应力沿厚度均匀分布，壳体材料强度可以得到合理的利用，是最理想的应力状态。
（3）无力矩理论的基本方程a、无力矩理论的基本假设小位移假设----壳体受载后，壳体中各点的位移远小于壁厚。
考虑变形后的平衡状态时壳用变形前的尺寸代替变形后的尺寸直法线假设----变形前垂直于中面的直线变形后仍为直线，且垂直于变形后的中面。
压力容器的分析设计
过渡区或 与筒体连 接处 平 盖 中 心 区
內
压
內
压
与 筒 体 连 接 处
內
压
局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力
PL Q
表4-15 压力容器典型部位的应力分类
接 管 接 管 壁 內 压 一次总体薄膜应力 局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力 峰值应力 薄膜应力二次应力 弯曲应力二次应力 峰值应力 Pm PL Q F Q Q F Q F
4.4.2.1 应力分类
一次应力P （3）一次局部薄膜应力PL 在结构不连续区由内压或其它机械载荷产生的薄膜应力和 结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。 作用范围是局部区域 。 具有一些自限性，表现出二次应力的一些特征，从保守 角度考虑，仍将它划为一次应力。
实例：壳体和封头连接处的薄膜应力； 在容器的支座或接管处由外部的力或力矩引起的薄膜应力。
一次总体薄膜应力强度SⅠ；
一次局部薄膜应力强度SⅡ； 一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力（PL+Pb）强度SⅢ； 一次加二次应力（PL+Pb+Q）强度SⅣ； 峰值应力强度SⅤ（由PL+Pb+Q+F算得）。
4.4.3 应力强度计算
应力强度计算步骤 除峰值应力强度外 ，其余四类应力强度计算步骤为： （1）在所考虑的点上，选取一正交坐标系， 如经向、环向与法向分别用下标x 、q 、z表示， 用x、q和z表示该坐标系中的正应力， txq、txz、tzq表示该坐标系中的剪应力。 （2）计算各种载荷作用下的各应力分量，并根据定义将各 组应力分量分别归入以下的类别：一次总体薄膜应力 Pm；一次局部薄膜应力PL；一次弯曲应力Pb；二次应 力Q；峰值应力F。
4.4.3 应力强度计算
压力容器--设计基础(二)
压力容器的强度与设计（江苏省压力容器检验员培训考核班专题讲座）第三节强度理论一、压力容器的失效压力容器在设定的操作条件下，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象，称为压力容器失效。
尽管失效的原因多种多样，失效的最终表现形式均为泄漏、过度变形和断裂。
压力容器的失效形式大致可分为强度失效、刚度失效、稳定失效和泄漏失效等四大类。
1.强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效。
包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。
韧性断裂：是压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。
其特征是断后有肉眼可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄；没有或偶尔有碎片。
厚度过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。
脆性断裂：是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于所用材料的强度极限时所发生的断裂。
这种断裂是在较低应里状态下发生，故又称为低应力脆断。
其特征是断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。
材料脆性和缺陷两种原因都会引起压力容器发生脆性断裂。
疲劳断裂：压力容器在服役中，在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。
交变载荷是指大小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷，它包括压力波动、热应力变化、开车停车等；原材料或制造过程中产生的裂纹，在交变载荷的反复作用下扩展也会导致压力容器的疲劳破坏。
由于疲劳源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。
随着交变载荷反复作用次数的增加，疲劳裂纹不断扩展。
只有当疲劳裂纹扩展到一定值时，才回发生疲劳破坏。
因此，疲劳破坏需要有一定时间。
蠕变断裂：压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂的现象，称为蠕变断裂。
压力容器结构设计要点分析及解读
压力容器结构设计要点分析及解读压力容器属于特种设备，为保障压力容器的安全使用，预防和减少事故，保护人民生命和财产安全，促进社会经济发展，压力容器结构设计工作十分重要。
由于压力容器的工作介质具有复杂多样性，操作压力、操作温度随不同的工艺单元更是不同，随着现在生产技术的飞速升级，高温、高压、低温、深冷各种工况频出，因此在结构设计中必须要注重安全性问题，需要设计者掌握压力容器结构设计要点，不断提高设计质量。
基于此，本文重点对压力容器结构设计要点进行分析。
标签：压力容器;结构设计;要点;分析0 引言压力容器设计中，合理的结构设计是设计工作的重中之重，必须要确保结构的设计质量，由于现有压力多在高温、高压、低温、疲劳及腐蚀介质等各种苛刻工况下工作，安全使用寿命要长达20年甚至更久，国家也加强了对压力容器各环节的管理特别是结构设计的管理工作，使得压力容器在制造、安装、使用、维修中的质量得到了保证。
现如今，压力容器结构设计也在逐渐摆脱传统思想的束缚，彰显了现代化工艺设计理念，以安全性、时效性、经济性和谐统一为基础，全面加强压力容器结构设计的合理性。
1 压力容器结构设计要求压力容器，特别是化工压力容器，其内部结构带有装配内件，设计工作十分繁琐、复杂，如果压力内部结构设计不当就会直接影响压力容器的性能，甚至会造成安全隐患，对设备及工艺单元的安全正常运行会造成极大的影响。
这就需要结合压力容器的具体使用条件：使用介质、工作压力、工作温度、连接管口、工作环境等，根据现行有效的压力容器的设计法规、标准进行系统风险评估后方可始设计工作，这样才能够充分考虑潜在的风险因素，在设计的过程予以规避，保障设计质量，满足日益苛刻的使用要求，使得压力容器在设计使用寿命期间，设备能够安全可靠的运行。
2 压力容器结构设計要点分析2.1 主体结构设计在进行压力容器的主体设计时，要根据设备使用条件，按规则设计或应力分析设计的方法，对设备进行综合风险评估，确定合理的设备长径比及焊接结构。
压力容器结构设计要点分析及解读
压力容器结构设计要点分析及解读摘要：随着现代化工企业的发展，压力容器越来越广泛地使用在石油、化工、制药、食品等各个领域。
压力容器作为承受压力等较高载荷的设备，若设计不合理，可能会导致容器变形甚至爆炸，给人员和环境带来严重危害。
为此，笔者结合多年的工作实践经验，对现代压力容器结构设计的要点进行了分析和总结。
关键词:压力容器;结构设计;要点引言随着工业化进程的不断推进，各类化工制品的需求量也与日俱增，压力容器作为一种安全系数较高的特种设备，在生产中承担了越来越重要的作用。
压力容器是一种封闭结构，通常用于储存或运输气体、液体或其他物质。
它们必须承受高压和高温等特殊工作状态，同时还必须防止泄漏和爆炸等危险。
这些要求使压力容器的设计变得至关重要，这不仅涉及容器中包含的介质，还涉及压力的大小、温度以及容器的结构、尺寸等方面。
因此，压力容器结构设计是至关重要的。
注重立足于安全、及时、经济和谐的原则，全面优化压力容器结构设计，会使其设计更加科学合理。
1压力容器结构设计要求压力容器广泛应用于精细化工、石化、医药行业、石化电子和机械电器等行业，特别是化工压力容器，其内部采用的材料大多为装配式的内件，设计过程复杂繁琐，如果产品设计有问题，将对压力容器的稳定性造成威胁，甚至可能形成重大安全隐患，影响设备的正常运行。
在压力容器的设计过程中，应根据其工况、介质特性、环境温度、工作气压、连接管口等使用条件，结合当前压力容器的相关设计法规和标准，进行系统风险评估，以确保产品在设计过程中不会出现风险问题，确保容器质量达到使用最高要求。
2压力容器结构设计的原则2.1 应力的均匀性在设计压力容器时，应该特别注意壳体结构的连续性，以确保它能够承受较大的应力变化，避免突变情况的发生。
如壳体结构有难于连续之处，为保证应力的均匀分布，应采用圆滑过渡的办法。
2.2应力集中或削弱强度的结构相互错开在设计压力容器时，应该尽量避开在结构强度较弱或应力集中的部位进行设计，以防止应力的叠加情况发生。
6.5压力容器的应力分析设计-II 对各类应力强度的限制
6.5化工容器的应力分析设计-Ⅱ各类应力强度的限制
13
第二节 化工容器的应力分析设计
三、分析设计法对各类应力强度的限制
(三) 安定性准则
(3)
1=2y 这是安定与不安定的界限。第一次加载
卸载的应力应变回线为OABC，这是不出现反向屈服 的最大回线，以后的加载卸载的应力应变循环均沿一 条最长的BC线变化，不再出现新的塑性变形，表现出 最大的弹性行为，即达到安定状态。与此对应的虚拟 应力1正好为2y，因此1≤2y 即为出现安定的条件。
3
第二节 化工容器的应力分析设计
三、分析设计法对各类应力强度的限制
(一)应力强度及基本许用应力强度 2．基本许用应力强度Sm
6.5化工容器的应力分析设计-Ⅱ各 类应力强度的限制
4
第二节 化工容器的应力分析设计
三、分析设计法对各类应力强度的限制
(一)应力强度及基本许用应力强度 3．应力强度的限制条件
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第二节 化工容器的应力分析设计
三、分析设计法对各类应力强度的限制 (三) 安定性准则
含二次应力(Q)的组合应力强度若仍采用由极限载荷准则导出的1.5Sm来
限制则显得很保守。这是由于二次应力具有自限性， 只要首先满足对一次应力强度的限制条件(Pm≤Sm及PL+Pb≤1.5Sm)，则二 次应力的高低对结构承载能力并无很显著的影响。 在初始几次加载卸载循环中产生少量塑性变形，在以后的加载卸载循环 中即可呈现弹性行为，即结构呈安定状态。 但若载荷过大，在多次循环加载时可能导致结构失去安定。丧失安定后 的结构并不立即破坏，而是在反复加载卸载中引起塑性交变变形，材料 遭致塑性损伤而引起塑性疲劳。 此时结构在循环应力作用下会产生逐次递增的非弹性变形，称为“棘轮 现象”(Ratcheting)。
第二章 压力容器应力分析2.1-2.2
2.2 回转薄壳应力分析
2.2 回转薄壳应力分析
2.2.1 薄壁圆筒的应力 2.2.2 回转薄壳的无力矩理论 2.2.3 无力矩理论的基本方程 2.2.4 无力矩理论的应用 2.2.5 回转薄壳的不连续分析
过程设备设计
40
2.2 回转薄壳应力分析
2.2.3 无力矩理论的基本方程
过程设备设计
求解思路
制造安装 正常操作
开停工 压力试验
检修 等等
正常操作工况 特殊载荷工况 意外载荷工况
根据不同载荷工况，分别计算载荷
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2.1 载荷分析
过程设备设计
1、正常操作工况
载荷
设计压力 液体静压力 重力载荷 风载荷 地震载荷 其他载荷
隔热材料、衬里、内件、物 料、平台、梯子、管系、支 承在容器上的其他设备重量 等
绝对压力
以绝对真空为 基准测得的压 力。 通常用于过程 工艺计算。
表压
以大气压为基准 测得的压力。 压力容器机械设 计中，一般采用 表压。
8
2.1 载荷分析
压力容器中的压力来源
过程设备设计
1
流体经泵或压 缩机，通过与 容器相连接的 管道，输入容 器内而产生压 力，如氨合成 塔、尿素储罐 等。
2
3
加热盛装液体 的密闭容器， 液体膨胀或汽 化后使容器内 压力升高，如 人造水晶釜。
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2.2 回转薄壳应力分析
过程设备设计
B点受力分析
B点
内压P
轴向：经向应力或轴向应力σφ 圆周的切线方向：周向应力或环向应力σθ 壁厚方向：径向应力σr
σθ 、σφ ＞＞σr 三向应力状态
二向应力状态
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2.2 回转薄壳应力分析
2 压力容器分析设计概述
第1章压力容器分析设计概述1.1 压力容器基本知识1.2 压力容器设计规范13压力容器分析设计思想1.3 压力容器分析设计思想从业人员要求14压力容器分析设计从业人员要求 1.4 压力容器分析设计从业人员要求1.1压力容器基本知识1.1 压力容器基本知识（1）压力容器定义《特种设备安全监察条例》的第八章“附则”中：压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0．1MPa（表压），且压力与容为最高工作压力大于或者等于（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2．5MPa·L的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于0．2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于1．0MPa·L的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60℃液体的气瓶；氧舱等。
（2）压力容器分类低压容器（代号L）0.1MPa≤p＜1.6MPa中压容器（代号M） 1.6MPa≤p ＜10MPa16MPa≤高压容器（代号H）10MPa≤p ＜100MPa超高压容器（代号U）p ≥100MPa按《压力容器安全技术监察规程》（99版、09版）：按压力容器安全技术监察规程①第三类压力容器高压容器；中压容器（极度毒性和高度危害）②第二类压力容器中压容器；低压容器（极度毒性和高度危害）③第类压力容器第一类压力容器除第二和第三类外，所有低压容器按《固定式压力容器安全技术监察规程》（09版）第一组介质：第介质毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质；易燃介质；液化气体第二组介质：由除第组以外的介质组成如水蒸气氮气等由除第一组以外的介质组成，如水蒸气、氮气等第类第三类第二类第一组（3）压力容器失效形式强度失效：爆破、过度变形稳定性失效：失稳稳定性失效失稳刚性失效：泄漏疲劳失效：疲劳开裂腐蚀失效：均匀腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀压力容器常规设计计算一般要解决三类问题：强度：在内压作用下不允许产生塑性（永久）变形，是涉及安全的主要问题，如筒体、封头等；刚性：在外力作用（制造、运输、安装与使用）下产生不允刚性在外力作用（制造运输安装与使用）下产生不允许的弹性变形，如法兰（密封）、管板等；稳定性：在外压作用下防止突然失去原有形状的稳定性，如在外压作用下防止突然失去原有形状的稳定性如外压及真空容器。
压力容器的稳定性分析与设计优化
压力容器的稳定性分析与设计优化压力容器是一种能够储存和运输高压介质的设备，广泛应用于石化、化工、能源、医药等众多领域。
然而，由于高压环境下容器受力情况复杂，容器的稳定性问题一直是工程师们关注的焦点。
本文将从压力容器的稳定性分析和设计优化两个方面进行论述，探讨如何在容器设计中降低事故风险，提高运行安全性。
一、压力容器的稳定性分析1. 弯曲稳定性分析在高压环境下，容器会承受来自介质内部以及外部环境的力，容器壁的弯曲稳定性是保证容器不发生变形和破裂的重要因素。
因此，对容器的弯曲稳定性进行分析是容器设计的基础。
首先，需要计算容器在弯曲时的应力和应变分布情况，通过有限元分析等手段，确定容器壁的最大应力点和最大应力值。
然后，结合材料的力学性能，进行强度校核，确保容器能够满足正常使用条件下的强度需求。
2. 局部稳定性分析容器壁的局部几何缺陷或开口可能导致局部应力集中，引发容器的局部失稳或破裂。
因此，在容器设计中需要对局部稳定性进行充分考虑。
针对容器壁的几何缺陷或开口，可以采用应力集中系数和强度减少系数等方法进行评估。
通过计算得到的应力集中系数和强度减少系数，判断局部失稳的可能性，并进行优化设计，降低缺陷处的应力集中程度，提高容器的局部稳定性。
二、压力容器的设计优化1. 材料选择与工艺优化在压力容器的设计过程中，正确选择合适的材料对提高容器的稳定性至关重要。
材料的力学性能、耐腐蚀性能以及可焊接性等因素都应该被考虑。
同时，还需要优化焊接工艺，避免焊缝处的强度降低，以提高容器的整体稳定性。
2. 结构优化与加强设计容器的结构设计对其稳定性具有重要影响。
合理的结构设计可以提高容器的整体刚度，降低容器的应力集中程度，从而提高容器的稳定性。
在结构设计过程中，可以采用有限元分析等先进的计算方法，优化容器的结构，减少质量，提高容器的刚度，从而提高容器的整体稳定性。
3. 考虑温度和压力变化容器在运行过程中，温度和压力的变化会对容器的稳定性产生影响。
压力容器分析设计
压力容器典型部位的应力分类：见表4-15
注意:只有韧性较高的材料,允许出现局部塑变,上述分类才有意义
(即应力分类的前提条件是材料为塑性材料); 若是脆性材料,P和Q影响没有明显不同,应力分类就没有意义; 压缩应力主要与容器稳定性有关，也不需分类。
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3 应力强度计算
1. 应力强度
S
压力容器的强度设计和计算中，必须根据强度理论建立各个主应力与许用应力之间 引进 的关系 应力强度的概念 应力强度: 最大主应力与最小主应力之差 分类:
外加 机械载荷
整体，非均 外载 内力 局部，非均
平衡
3. 总体 不连续效应
几何 外载 突变 材质
相互约束
变形协调
局部，非均
弹～塑性失效 （材料部分失效）
5
载荷
径向 4. t 轴向
σ产生原因
求解方法
σ范围， σ沿δ分布
对失效影响
自身约束
变形协调
t 总 弹～塑性失效 , 非均 t （材料部分失效） 局
4. 采用较高的许用应力: , 提高有效载荷 , 重量
5. 给出防止疲劳失效的设计方法及相应的设计曲线。
五、应力分析法基础:
1. 弹性与塑性应力分析 2. 应力分类
3. 对材料、制造、检验更严格的要求。 4. 严格质量控制。 7
2 容器的应力分类
应力产生的原因 分类原则: 根据 应力分布 对失效影响 ㈠、一次应力P 定义: 由外载（压力和其它机械载荷）在容器中产生的应力 （正应力或剪应力） 特点:1）满足外载～内力平衡 2）非自限：载荷 一次总体薄膜应力Pm 包括: 一次局部薄膜应力PL 一次弯曲应力Pb
3.无法校核容器的疲劳寿命。 4.仅靠采用 或 n 办法控制材料在弹性范围内是不合理的, 也是不现实的，有时甚至起到相反作用。 例如： 成本 ↑， 热 ，甚至掩盖问题实质（裂纹）。 5.规定了具体的容器结构形式，无法应用于规范中未包含的其它 容器结构和载荷形式，不利于新型设备的开发和使用。
压力容器分析设计
2 应力特性
2.4 壳体不连续区
2 应力特性
2.4 壳体不连续区
边缘应力的特点： （Ⅰ）边缘局部范围，并非遍及整个容器； （Ⅱ）具有自限性； （Ⅲ）边缘应力中，内力引起均匀分布的正应力，内力 矩引起线性分布的弯曲应力，均匀分布应力的危害大于 线性分布应力的。
2 应力特性
2.5 容器支座区
2 应力特性
1分析设计概述 1.3 与常规设计的规范比较
2 应力特性
2.1 中低压容器
薄膜应力特点：
（Ⅰ）应力值决定于第一曲率半径与第二曲率半径；
（Ⅱ）存在整个壳体，沿壁厚均匀分布； （Ⅲ）与外载平衡，增大载荷，应力增大，无自限； （Ⅳ）承受外压，为薄膜压应力，失稳的临界应力。
1分析设计概述 1.2 分析设计的基本思想 分析设计的主要特点
（Ⅰ）采用塑性失效设计准则； （Ⅱ）进行详细应力分析； （Ⅲ）对不同性质的应力区别对待； （Ⅳ）引入虚拟应力概念。
分析设计的三大环节
（Ⅰ）应力分析：对容器各部位的各种应力进行详细计 算，或对模拟容器的应力进行实验测试； （Ⅱ）应力分类：根据不同应力引起失效的危害程度不 同，进行应力分类； （Ⅲ）应力评定：对不同类型的应力进行分析、组合，形 成当量应力，采用不同的失效准则给予限定。
（3）一次弯曲应力(代号
)
作用于整体结构，由机械载荷引起，沿截面线性分布
3 应力分类
3.2 二次应力（代号 ）
特点：由变形不连续引起，自限性，总体结
构不连续引起的弯曲应力
3.3 峰值应力（代号 ）
特点：由局部结构变形不连续引起，有自限 性，不引起结构明显变形，导致疲劳
4 应力评定
1 应力强度 应力强度：按一定强度理论对复杂应力状态组合为与 单向应力可以比较的当量应力。 具体内涵：按一定标准（强度理论），确定一个与应 力状态无关的应力值（当量应力），认为 一旦达到该应力值，材料就发生破坏。 应力强度 =2×最大剪应力 或
压力容器分析设计
永远不说永远，从来不说重来，生命不相信如果，不要让每一次过错与错过都重新来过目录第1章引言1第2章概述32.1 分析设计直接法概述32.2 术语和定义52.2.1 与失效相关的术语52.2.2 与载荷有关的术语92.2.3 与模型有关的术语132.2.4 与厚度相关的术语152.2.5 与响应相关的术语152.2.6 与设计校核有关的术语172.3 载荷特征值和特征函数概述212.3.1 承压设备指令中的要求212.3.2 根据PED要求得到的载荷特征值和特征函数222.4 设计模型和本构关系概述242.4.1 设计模型242.4.2 材料本构关系概述26第3章设计校核与载荷工况333.1 设计校核333.2 载荷工况343.3 步骤383.3.1 步骤一建立载荷工况清单383.3.2 步骤二建立设计校核表393.3.3 步骤三建立设计模型403.3.4 步骤四进行校核403.3.5 步骤五结论413.4 工程实际案例41第4章总体塑性变形设计校核(GPD-DC)424.1 前言424.2 步骤444.3 设计模型454.4 载荷设计值484.5 原理494.6 应用准则514.7 工程实际案例51第5章渐增塑性变形设计校核(PD-DC)525.1 引言525.2 步骤575.3 设计模型585.4 载荷设计函数605.5 原理605.6 应用准则615.7 工程实际案例63第6章稳定性设计校核(S-DC)646.1 引言646.2 步骤736.3 设计模型736.4 载荷设计值与载荷设计函数756.5 原理766.6 应用准则766.7 工程实际案例76第7章疲劳设计校核(F-DC)777.1 引言777.1.1 疲劳设计校核概述777.1.2 未焊接区域循环疲劳设计校核概述79 7.1.3 焊接区域疲劳设计校核(F-DC)概述84 7.2 步骤887.3 设计模型897.3.1 焊接区的要求897.3.2 未焊接区要求897.3.3 焊接区与非焊接区的通用要求897.4 载荷设计值和设计函数907.5 原理917.6 未焊接区的修正系数917.6.1 塑性修正系数917.6.2 有效应力集中系数937.6.3 表面粗糙度修正系数947.6.4 厚度修正系数947.6.5 平均应力修正系数957.6.6 温度修正系数957.7 焊接区域的修正系数967.7.1 塑性修正系数967.7.2 厚度修正系数967.7.3 温度修正系数977.8 设计疲劳曲线977.8.1 焊接区域的设计疲劳曲线977.8.2 非焊接区域的设计疲劳曲线987.9 循环计数987.9.1 概述987.9.2 水库循环计数法997.10 疲劳损伤累积1017.11 疲劳设计校核方法评述1017.12 焊接区域及表面热点的疲劳设计校核方法1027.13 焊接区域和内部热点的疲劳设计校核方法1037.14 非焊接区域的疲劳设计校核方法1047.15 工程实际案例107第8章静平衡设计校核(SE-DC)1088.1 引言1088.2 步骤1088.3 设计模型1098.4 载荷设计值1098.5 原理1118.6 工程实际案例111附录A 一些实用的安定定理112附录E 实例115附录E.3 如何建立设计校核表115E.3.1 建立夹套快开门容器设计校核表115附录E.4 总体塑性变形设计校核(GPD-DC)118E.4.1 加氢裂化反应器的总体塑性变形设计校核119E.4.2 圆柱壳和半球壳连接过渡区的设计校核125E.4.3 空气冷却器封头的总体塑性变形设计校核(GPD-DC)133E.4.4 半球形封头上接管的总体塑性变形设计校核(GPD-DC)143附录E.5 渐增塑性变形设计校核(PD-DC)151E.5.1 加氢裂化反应器的渐增塑性变形设计校核(PD-DC)151E.5.2 空气冷却器封头的渐增塑性变形设计校核(PD-DC)158E.5.3 带接管的半球形封头的渐增塑性变形设计校核(PD-DC)163附录E.6 稳定性设计校核(S-DC)169E.6.1 夹套搅拌容器的第一次稳定性设计校核(S-DC)169E.6.2 夹套搅拌容器的第二次稳定性设计校核(S-DC)173附录E.7 疲劳设计校核(F-DC)175E.7.1 圆柱壳与半球形壳体过渡区的疲劳设计校核(F-DC)175E.7.2 空气冷却器封头的疲劳设计校核(F-DC)178附录E.8 静平衡设计校核(SE-DC)182E.8.1 裙座支承的重型反应塔的静平衡设计校核(SE-DC)182E.8.2 裙座支承的轻型压力容器的静平衡设计校核(SE-DC)186E.8.3 腿式支承的立式贮存容器静平衡设计校核(SE-DC)192附录L：ANSYS输入命令流198L.4.1 加氢裂化反应器的总体塑性变形设计校核(GPD-DC)198L.4.2 圆柱壳与半球形封头连接处的总体塑性变形设计校核(GPD-DC)201L.4.3 空气冷却器封头的总体塑性变形设计校核(GPD-DC)202L.4.4 半球形封头上接管的总体塑性变形设计校核(GPD-DC)209L.5.1 加氢裂化反应器的渐增塑性变形设计校核(PD-DC)(模型同L.4.1 模型)210L.5.2 空气冷却器封头的渐增塑性变形设计校核(PD-DC)210L.5.3 半球形封头上接管的渐增塑性变形设计校核(PD-DC)(模型关键点同L.4.4 )216L.6.1 夹套快开容器的第一次稳定性设计校核(S-DC)216L.6.2 夹套快开容器的第二次稳定性设计校核(S-DC)219后记221参考文献222序言欧洲标准化委员会技术委员会第54工作组C小组(CEN TC 54 WG C)首次发表分析设计中所使用的新方法草案已有12年之久，该方法被压力容器设计应用的法定基础［即承压设备指令［1］(PED)］所采纳已有7年，《分析设计手册》［3］(一本基于新方法草案的手册)发布也已有5年。