压力容器零部件的结构和计算

分析设计： 分析设计：
必须先进行详细的应力分 析，即通过解析法或数值方 法，将各种外载荷或变形约 束产生的应力分别计算出来， 产生的应力分别计算出来， 然后进行应力分类，再按不 然后进行应力分类，再按不 同的设计准则来限制，保证 同的设计准则来限制，保证 容器在使用期内不发生各种 形式的失效。 分析设计可应用于承受各 分析设计可应用于承受各 种载荷、任意结构形式的压 力容器设计，克服了常规设 力容器设计，克服了常规设 计的不足
2、刚度失效
由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。 由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。 例如，露天立置的塔在风载荷作用下， 例如，露天立置的塔在风载荷作用下，若发生过大的 弯曲变形， 弯曲变形，会破坏塔的正常工作或塔体受到过大的弯 5 曲应力。 曲应力。
2． 压力容器失效形式 ．
t
当内压和内直径相同时， 当内压和内直径相同时， 球壳的壁厚约为圆筒的一 消耗钢材最少。 半，消耗钢材最少。 另外球形容器占地面积小， 另外球形容器占地面积小， 其表面积也最小， 其表面积也最小，相应带 来的保温等费用也少， 来的保温等费用也少，因 此球形容器在石油、化工、 此球形容器在石油、化工、 冶金、 冶金、国防等工业中得以 广泛应用， 广泛应用，如用以储存乙 液氢、氧气、 烯、液氢、氧气、液化石 油气、天然气等。 油气、天然气等。
压力容器零部件 压力容器零部件的结构和计算 容器零部件的结构和计算
武汉工程大学化工设备设计研究所
2007 2007年7月
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本次课程主要内容
1、压力容器设计方法 2、压力容器失效形式 3、强度判据和强度理论 4、圆筒的厚度计算 5、封头的厚度计算 6、压力容器开孔及补强设计
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1.压力容器设计方法 压力容器设计方法
常规设计： 常规设计：
它以薄膜应力分析和 它以薄膜应力分析和弹性 失效设计准则为基础进行压 失效设计准则为基础进行压 力容器的强度设计，在开孔 接管等局部应力较复杂的部 位采用经验设计的方法进行 处理。 只考虑单一载荷，不考虑 交变载荷、容器的疲劳寿命。 目前各国压力容器设计中 仍大量采用常规设计的方法
图 薄壁圆筒在内压作用下的应力 周向应力或环向应力σθ 周向应力或环向应力 经向应力或轴向应力σφ 经向应力或轴向应力
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薄壳圆筒的应力（续） 薄壳圆筒的应力（ B点受力分析 点受力分析
B点 点
轴向：经向应力或轴向应力 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 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 壁厚方向：径向应力σr σθ 、σφ ＞＞σr 三向应力状态
圆筒中径公式适用范围
•K≤1.5，等价于Pc≤0.4[σ]tφ K≤1.5，等价于Pc≤0.4[σ] K≤1.5
σ =
t
D 2δ
PC =
Di +δ 2δ
PC =
Di
K +1 2( K −1)
PC ≤ [σ ]
t
Di + δ =
D0 + Di 2
=
K −1 2
K +1 2
δ=
D0 − Di 2
=
D0 K= ≤ 1.5 Di
作用y截面x 作用y截面x方向内力 2tσ θ
y
σ
ϕ
t
σθ
Di
p
p
x
σϕ
σθ
(a)
(b)
半圆环上外力 2∫02 pRi sin α dα
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π
2.2.1 薄壳圆筒的应力（续） 薄壳圆筒的应力（
2 ∫ 2 pRi sin αdα = 2tσ θ 周向平衡 0
π
pD σθ = 2t
pD σϕ = 4t
焊缝采用双面对焊，局部无损探伤 Φ=0.85 t 筒体材料16MnR 筒体材料16MnR 插GB150 [σ ] =170MPa 计算厚度按 pc Di 0.8 1000 = 2×170××0.85−0.8 δ= 2[σ ]t ϕ − pc
= 2.78mm
设计厚度
δ d = δ + C2 = 2.78 + 2 = 4.78mm
内压P 内压
二向应力状态
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薄壳圆筒的应力 截面法
轴向外力 4
σ
ϕ
π
D2 p
σθ
y
t
Di
p
p
x
σϕ
σθ
轴向内力 πDtσ ϕ
(a)
(b)
图 薄壁圆筒在压力作用下的力平衡
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2.2.1 薄壳圆筒的应力（续） 薄壳圆筒的应力（
轴向平衡
π
4
D 2 p = πDtσ ϕ
pD σϕ = 4t
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2.2.1 薄壳圆筒的应力（续） 薄壳圆筒的应力（ 截面法
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3.第一强度理论（最大主应力理论） 3.第一强度理论（最大主应力理论） 第一强度理论
材料无论在什么状态下，当三个主应力中 材料无论在什么状态下， 有一个在简单拉伸或压缩时发生的破坏的数值 材料便认为是已经破坏了。 时，材料便认为是已经破坏了。
σ 1 ≤ [σ ]
对于内压薄壁容器的回转壳体， 对于内压薄壁容器的回转壳体，周向应力 经向应力
pc Di δ= 4[σ ]t ϕ − p c
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球壳的厚度计算
1、球壳中径公式适用范围
p c ≤ 0.6[σ ] ϕ
t
2、球壳的应力校核公式为
p c ( Di + δ e ) σ = ≤ [σ Fra Baidu bibliotekt ϕ 4δ e
t
3、圆筒的应力校核公式为
pc ( Di + δ e ) σ = ≤ [σ ]t ϕ 2δ e
3
2． 压力容器失效形式 ．
1、失效的概念
压力容器因机械载荷或温度载荷过高而 丧失正常工作能力。 丧失正常工作能力。
2、压力容器及过程设备的失效形式
强度失效 刚度失效 失稳失效 泄漏失效
4
2． 压力容器失效形式 ．
1、强度失效
因材料屈服或断裂引起的压力容器失效， 因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称 为强度失效。容器中某最大应力点超过屈服点 为强度失效。 后就会出现不可恢复的变形。随着载荷的增大， 后就会出现不可恢复的变形。随着载荷的增大， 容器的朔性区不断扩大， 容器的朔性区不断扩大，当载荷大到某一极限 朔性区就会扩展到一定的一定范围， 时，朔性区就会扩展到一定的一定范围，容器 便会失去了承载能力。 便会失去了承载能力。
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解:工作介质对碳钢、低合金钢有轻微腐蚀,C2=0.1x20=2mm. 工作介质对碳钢、低合金钢有轻微腐蚀,C
焊缝采用双面对焊，局部无损探伤 Φ=0.85 t 筒体材料 Q235-B 插GB150 [σ ] =113MPa Q235计算厚度按 pc Di 0.8 1000 = 2×113××0.85−0.8 δ= 2[σ ]t ϕ − pc
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球壳的厚度计算
球形容器的壳体， 作用时， 球形容器的壳体，在承受均匀内压 作用时， 其周向薄膜应力与环向薄膜应力相等， 其周向薄膜应力与环向薄膜应力相等，即
pD σϕ = σθ = 4δ σr ≈ 0
第一强度理论
pD σ1 = ≤ [σ ]t 4δ
考虑了容器内直径与平均直径的关系和焊接接头系 数后， 数后，球壳的计算厚度公式为
C1 = 0 钢材厚度负偏差 名义厚度 δ n = δ d + C1 = 4.78 → 6mm
检查: 检查:
[σ ]
t
没变化, 没变化,故名义厚度
δ n = 6mm
结论: Q235- 名义厚度8mm,16MnR 结论:对Q235-B 名义厚度8mm,16MnR名义厚度 8mm,16MnR名义厚度 6mm,从经济性考虑最终选用Q235- 为宜. 从经济性考虑最终选用Q235 6mm,从经济性考虑最终选用Q235-B 为宜.
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圆筒的厚度计算
pD σ1 = ≤ [σ ]t 2δ
D = Di + δ
p( Di + δ ) ≤ [σ ]t ϕ 2δ
pc Di δ= 2[σ ]t ϕ − p c
圆筒中径公式适用范围
•K≤1.5，等价于Pc≤0.4[σ]tφ K≤1.5，等价于Pc≤0.4[σ]tφ K≤1.5
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圆筒的厚度计算
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几个厚度之间关系
1、计算厚度 δ 2、设计厚度 δ d 3、名义厚度 δ n 4、有效厚度 δ e
pc Di δ= 2[σ ]t ϕ − p c
δ d = δ + C2
δ n = δ d + C1 +
圆整量， 圆整量， 为钢材厚度负偏差) (C1为钢材厚度负偏差)。
δd = δn − C
δ ≤ δe ≤ δd ≤ δn
σϕ
σθ
即为第一主应力， 即为第一主应力，经向应力
为第二主应力
另一个主应力是径向应力
σr
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无力矩理论（薄膜理论） 无力矩理论（薄膜理论）
K = Do / Di ≤ 1.2
薄壁壳体在内压作用下必产生应力而向外变形， 薄壁壳体在内压作用下必产生应力而向外变形， 在内压作用下必产生应力而向外变形 使其曲率半径增大，故必存在拉伸和弯曲应力。 使其曲率半径增大，故必存在拉伸和弯曲应力。 在特定条件下，认为， 在特定条件下，认为，弯曲应力相对于拉伸应 力可以忽略， 力可以忽略，采用这近似方法分析薄壁壳体的 理论为无力矩理论。 理论为无力矩理论。
3、失稳失效
在压应力作用下， 在压应力作用下，压力容器突然失去其原 有的规则几何形状引起的失效称为失稳失效
4、腐蚀失效
是指与介质接触的器壁受到腐蚀性介质的侵蚀而受到 的破坏。 的破坏。
6
3.强度判据和强度理论 3.强度判据和强度理论
我国压力容器设计标准GB150 我国压力容器设计标准GB150采用的强度 GB150采用的强度 判据是弹性失效准则 判据是弹性失效准则
假定壁厚与直径相比很小，认为壁厚很薄 假定壁厚与直径相比很小， 几乎像薄膜一样，只承受拉应力或压应力， 几乎像薄膜一样，只承受拉应力或压应力，不 承受弯矩， 承受弯矩，且认为壳体内的应力沿厚度是均匀 9 薄膜应力。 分布的。这种器壁应力又称为薄膜应力 分布的。这种器壁应力又称为薄膜应力。
薄壁圆筒的应力 基本假设 壳体材料连续、均匀、各向同性； 壳体材料连续、均匀、各向同性； 受载后的变形是弹性小变形； 受载后的变形是弹性小变形； 壳壁各层纤维在变形后互不挤压。 壳壁各层纤维在变形后互不挤压。 典型的 薄壁圆筒
= 4.18mm
设计厚度
δ d = δ + C2 = 4.18 + 2 = 6.18mm
钢材厚度负偏差 C1 = 0.8mm 名义厚度 δ n = δ d + C1 = 6.78 + 0.6 = 7.48 → 8mm 检查: 检查:
[σ ]
t
没变化, 没变化,故名义厚度
δ n = 8mm
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解:工作介质对碳钢、低合金钢有轻微腐蚀,C2=0.1x20=2mm. 工作介质对碳钢、低合金钢有轻微腐蚀,C
Di
p c ≤ 0.4[σ ] ϕ
t
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圆筒的设计
1）应力状况：两向薄膜应力、环向应力为轴向应力的两 ）应力状况：两向薄膜应力、 倍。 pc Di 2）壁厚计算公式： δ = ）壁厚计算公式： t 2[σ ] ϕ − pc 符号说明见GB 150。称中径公式：适用范围，K≤1.5， 符号说明见GB 150。称中径公式：适用范围，K≤1.5，等 价于Pc≤0.4[σ] 价于Pc≤0.4[σ]tφ 3）公式来由：内压圆筒壁厚计算公式是从圆筒与内压的 ）公式来由： 静力平衡条件得出的。 静力平衡条件得出的。
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例题1 例题1
例1 一个内压圆筒，设计压力p＝0.8MPa，设计温度t＝100 ℃， 一个内压圆筒，设计压力p 0.8MPa，设计温度t ℃， 圆筒内径Di＝1000mm，焊缝采用双面对焊，局部无损探伤； 圆筒内径Di＝1000mm，焊缝采用双面对焊，局部无损探伤； 工作介质对碳钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率为 Ka＜0.1mm／ ，设计受命B 20y，试在Q235- 16MnR两种材 Ka＜0.1mm／y，设计受命B＝20y，试在Q235-B、16MnR两种材 料中选用两种作筒体材料，并分别确定两种材料下简体壁厚各 为多少，由计算结果讨论选择哪种材料更省料。
认为容器只有完全处于弹性状态时，才是安全的， 认为容器只有完全处于弹性状态时，才是安全的， 一旦结构内某点计算应力进入朔性范围， 一旦结构内某点计算应力进入朔性范围，即达到 或超过材料的屈服点，即认为容器失效了。 或超过材料的屈服点，即认为容器失效了。 以壳体主体的基本薄膜应力不超过材料的许用应 壳体主体的基本薄膜应力不超过 不超过材料的许用应 力值；而对于因总体结构不连续的附加应力， 力值；而对于因总体结构不连续的附加应力，以应力 增强系数的形式引入壁厚计算公式。 增强系数的形式引入壁厚计算公式。
σ θ = 2σ ϕ
周向应力或环向应力 经向应力或轴向应力
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圆筒的厚度计算
容器圆筒承受均匀内压 作用时，其器壁中产 作用时， 生如下薄膜应力(设圆筒的平均直径为D,壁厚为 生如下薄膜应力(设圆筒的平均直径为D,壁厚为 )
pD σθ = 2δ 第一强度理论 pD pD σ1 = ≤ [σ ]t σϕ = 2δ 4δ σr ≈ 0