压力容器分析设计基础

16MnR正火，6-100mm -20 16MnDR正火，6-32mm, -40 09Mn2VDR正火,6-20mm,-50 09MnNiDR正火,6-60mm,-70 σb ≤450MPa >450-515MPa >515-590MPa >590-650MPa 不可 ≥20J ≥24J ≥27J ≥31J
3. 规则设计与常规设计的比较
比较项目 1 2 规范名称 规范历史 （第一版或 前身 出版年代） 设计压力 （最高） 设计温度 不适用工况 设计准则 采用强度理论 应力分类 按规则设计 GB150-1998《钢制压力 容器》 1989年 按分析设计 JB4732-95《钢制压力容器-分析 设计标准》 1994年
o o o
o
NθPo , M o 6 M θPo , M o σ θo = ± T T2
非线性部分
σ f = σθ −σ m −σ
一、应力性质
2. 厚壁容器 应力的特点：
均匀分布的应力与薄壁容器中的薄膜应力具有相同的性质， 来源于与内压力的平衡，遍及整个筒体，无自限性。 应力梯度实际上是由筒体内外各处变形不同引起的。源于 变形协调，具有自限性。 非线性分布应力为应力梯度中的非线性部分。具有自限性， 只出现在局部小范围。
一、应力性质 4、壳体不连续区
容器上不连续区的应力可以由薄膜 应力与边缘应力叠加得出： * σ φ = σ φ + σ φo 经向应力 周向应力 σ = σ * +σ o
θ θ θ
边缘应力需由壳体边缘的连续条 件解出边缘剪力和边缘弯矩，然后按 壳体的力矩理论得出。 N xP , M 6 M xP , M o o ± σφ = σ x = 圆筒形壳体边缘应力的形式为 T T2
2 3
制造用材料应 有确认标记 封头的形状偏 差(封头内径为 Df) 焊缝对口错边 量
4
增加考虑材料因素，且允许错边量从严，例如 不考虑材料因素，按焊 缝类别和厚度规定允许 σb>540MPa,条件与GB150相同，允许错边量 错边量。例如纵向焊缝， ≤2.4mm 厚度≤50mm,错边量允许 ≤3mm
比较项目 1 采用的钢板标准 钢板常温强度指标 2 钢板超声波监测条件与合 格级别(逐张) GB150-98 GB 高合金钢板 无 包扎容器内筒钢板 地合金钢板，>25mm 16MnR, >30mm 20R, >38mm 调质钢板 包扎容器内筒钢板 20R,16MnR 15CrMoR 0Cr19Ni9 JB4732-95 YB(T),冶金部推荐，技术要 求较高；GB 有 Ⅱ级 包扎容器内筒钢板 Ⅲ级 调质钢板 Ⅲ级 不分材料，>20mm Ⅳ级 调质钢板 包扎容器内筒钢板 厚度>50mm 475 ℃ 20R,16MnR 550 ℃ 15CrMoR 700 ℃ 0Cr19Ni9 375 ℃ 475 ℃ 425 ℃ Ⅱ级 Ⅱ级 Ⅱ级
压力容器分析设计基础
压力容器规则设计Байду номын сангаас分析设计 应力分析设计方法概要
压力容器规则设计与分析设计
1、规则设计 2、分析设计 3、规则设计与分析设计的比较
1、规则设计
设计准则
弹性失效准则——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的最大应力进入塑性范围，即 达到或超过材料的屈服极限，就认为整个容器失效。 依据：静载构件、平均应力
9
10 焊接引弧要求 不做具体规定
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焊后热处理
规定需要进行热处理的材料厚度，需要进行热处理的材料厚度 不规定热处理方法 同GB150,但明确规定焊后热 处理方法，包括进出炉最高 炉温，升降温速度和炉温均 匀性的要求 规定有条件的每台容器应制备焊 接试板，例如厚度≥20mm的
15MnVR容器，或σb>540MPa钢制容器 等
对热应力的考虑 通常与机械应力迭加 应力评定判据 基本安全系数 （最小）
材料控制（以钢 符合压力容器常规要求 板为例） 许用应力分类 GB150-98,约27种 按压力容器常规要求 要有压力容器制造许可 证 一般结构的容器综合经 济性好 制造与检验 制造资格
15
16
综合经济性
关于材料的要求（钢板）
一、应力性质
2.
厚壁容器
为了分析应力的性质，将非线性分布的应力视为均 匀分布、线性分布和非线性分布的三部分的叠加。
σb −σb
Ri
σθ
R0
σm
按合 力等 效原 则确 定
σ
按净 弯矩 等效 原则 确定
σf
一、应力性质
2. 厚壁容器
合力等效原则——均布部分
σ m ∫ dr = ∫ σ θ dr
Ri Ri R0 R0
一、应力性质 3、平板端盖
环向应力 径向应力
3p σ θ = ∓ 2 1.3R 2 − 1.9r 2 8T
(
)
3p σ r = ∓ 2 1.3R 2 − 3.3r 2 8T 8T
(
)
应力主要特点： 应力沿板厚线性分布，最大值在板表面，中间面应力 为零； 与外载荷相平衡，无自限性，随半径r不同而变化; 板的上下表面首先屈服，之后应力沿板厚重新分布。
5
两板厚度不等， δ2 ≤10mm，厚度差≥3mm; 不分板厚，厚度差>25%δ2 ,或≥3mm 需要减薄的条 δ2 >10mm，厚度差 件(薄板厚度为 ≥30%δ2;或≥5mm δ2)
6 7
壳体直线度允 长度 L≤20mm,允差2/1000; 不分长短档次，允差1/1000 差 20mm<L≤30mm,允差1/1000 接管底部要求 没有规定 内表面转角半径r≥1/4壳厚， 且不大于20mm 对于插入接管， r≥1/4管厚， 且不大于10mm
1 σm = 2 R0 − Ri2
∫
R0
Ri
R02 p p (1 + 2 )dr = K 2 −1 r K −1
净弯矩等效原则——线性部分
∫
R0
Ri
σrdr = ∫ (σ θ − σ m )rdr
Ri
R0
σ=
σb
K −1
(K + 1 −
2r ) Ri
σb =
3 pK 2K (1 − 2 ln K ) ( K − 1) 2 K −1
3
拉伸和冲击试验（逐张）
4
最高使用温度(举例)
使用温度下限
-20℃
0℃(低于0℃或－10℃做冲 击试验）
低温用钢板最 低使用温度 （最低冲击试 验温度）
16MnR正火，6-25mm, -20 ℃ 16MnDR正火，6-32mm, -40℃ 09Mn2VDR正火,6-32mm,-70℃ 06MnNbDR正火,6-16mm,-90℃ 20R ≥18J 16MnR,15MnVR ≥20J 15MnVNR,18MnMoNbR, 18MnNiMoNbR ≥27J p ≤1.0MPa, t=0-350 ℃
12
焊接试板
每台容器至少制备一块焊接 试板
13
焊缝探伤要求
规定以外的对接焊缝，允许局部 探伤，检查长度≥20%，且不少于
250mm 合格级别； 100%射线探伤、Ⅱ级，
对接焊缝与厚度≥65mm的角焊
接头，应进行100%射线或超声波 探伤。合格级别：射线探伤，Ⅱ
级； 超声波探伤，Ⅰ级；局部射线探伤，超声波探伤，Ⅰ级 Ⅲ级，超声波探伤， Ⅱ级
℃ ℃ ℃ ℃
5
钢板的韧性要 求(以冲击功Akv 表示)
6
可否使用非压 力容器用钢板 可否使用沸腾 钢板
δ≤16mm,可用A3或阿AY3
p ≤0.6MPa, t=0-250 ℃ 不可
7
δ≤12mm,可用A3F或AY3F
制造和检验的要求
比较项目 1 使用范围 GB150-98 单层压力容器 多层包扎压力容器 热套压力容器 不明确 检查用样板弦长不小于 3/4Df JB4732-95 单层压力容器 多层包扎压力容器 热套压力容器 锻焊压力容器 明确 并对使用硬印标记有限制 封头深度不大于45%Df,检查样板弦长等于Df 封头深度大于45%Df,一律按外压封头从严要求 封头直边纵向皱折深度不大于1.5mm
3 4 5 6 7 8
35MPa
100MPa
材料的许用温度 材料的蠕变温度以下 （可高于材料蠕变温度） 反复受载疲劳分析 弹性失效准则 最大主应力理论① 不分类 高温蠕变 塑性失效准则；疲劳失效准则 最大切应力理论 按应力性质不同分类
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应力分析方法 计算复杂性
材料力学，板壳力学 以膜应力为基础计算， 简单 取相同判据 nb=3,ns=1.6
弹性有限元法，弹性理论和板桥理 论解析法，试验应力测试法 各种应力均需全面计算，复杂 作为二次应力 按应力分类取不同判据 nb=2.6,ns=1.5 比前者要求严格 JB4732-95,约27种 比前者要求严格 必须有相应的许可证，例如第三类 压力容器许可证 大型、复杂结构的容器综合经济性 好（用户需提供详细的设计任务书）
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对焊缝的接头 按施焊方法与焊缝深δ规定 考虑材料因素与焊缝深度δ规 余高 余高。例如手工焊， 定余高，例σb>540MPa, 25mm<δ≤50mm,余高0-10%δ, 25mm<δ≤50mm余高0-3mm 且≤3mm; δ>50mm,余高≤3mm δ>50mm,余高0-4mm 焊接接头表面 裂纹、气孔、弧坑、夹渣； 裂纹、气孔、咬边、弧坑、夹 不应有的缺陷 除规定材料不得咬边外，其 渣 他咬边深≤0.5mm，长 ≤100mm，两侧咬边总厂度 不得超过焊缝长度的10% 禁止在非焊接部位引弧
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焊缝探伤人员 资格
劳动部门颁发的资格证书
劳动部门颁发的Ⅱ级探伤或
Ⅰ级超声波探伤资格证书
焊接工艺规程， 7年 施焊与热处理 记录等保存期
10年
应力分析设计方法概要
一、应力性质
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
薄壁容器 厚壁容器 平板端盖 壳体不连续区 容器支座区 容器接管区 容器热应力
一、应力性质
1.薄壁容器
pr2 2T pr r σ θ = 2 (2 − 2 ) 2T r1
σφ =
应力特点： 沿壁厚均布； 平衡外载，无自限性； 外压时为压应力，需 考虑失稳。
一、应力性质
2.
厚壁容器
R02 p σ θ = 2 (1 + 2 ) K −1 r p R02 σ r = 2 (1 − 2 ) K −1 r p σz = 2 K −1 R K= 0 Ri
1、规则设计
缺点与局限性
由于不考虑可变载荷对容器各个部位引起不同的应力与变 形，故无法进行疲劳分析和预计寿命，亦不能推测失效起 源于何处。 弹性失效并不表明容器的承载能力已经耗尽。不同性质的 应力取同一应力评定判据是不合理的，这对设计复杂结构 的大型容器很不经济。而有效利用结构的塑性行为已被证 明是可行的。 取较高的安全系数无疑掩盖了失效的实质。其结果增加了 材料消耗和制造成本，而对容器安全有时适得其反。
2、分析设计
设计准则
塑性失效准则——只有当结构沿厚度方向全部屈服时， 结构才失效。 疲劳失效准则——一定许循环应力幅作用下的构件，只 有其循环次数超过允许的最大循环次数后，才会发生疲 劳破坏。
2、分析设计
先进性
考虑了超出弹性范围以后结构的塑性行为，放弃传统的弹性 失效准则。引入极限分析与安定分析概念，采用塑性失效设计 准则。 应用电子计算机技术和实验测试技术，对复杂结构的容器整 体，包括任何不连续区域都可以做详细的弹性应力分析与计算。 按不同性质的应力分类和失效形式给予不同的限制条件。机 械应力以极限载荷为界限；不连续应力或热应力以安定载荷为 界限。当反复受载需作疲劳分析时以疲劳试验应力幅为界限。 引用虚拟应力概念可以方便地对高应变区作弹性分析。