压力容器强度计算(20210201112022)

1、压力容器强度计算第一节设计参数的确定1我国压力容器标准与适用范围我国现执行GB150GB150 - 9898钢制压力容器”国家标准。该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则, 应用解析法进行应力计算，比较简便。JB4732-1995JB4732-1995钢制压力容器 一分析设计标准，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相 应地减少，重量减轻。其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则，计算比较复杂，和美国的ASMEASME标准思路相似。2、容器直径（diameter of vessel考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。对于用钢板

2、卷制的 筒体，以内径作为其公称直径。表1 1压力容器的公称直径（mmmm）（B90）IMiEDO600(fiBO)footoo1000 |(1100)U0QQSOO)(ISM)1700)JSOOUSQO)2000U100)32QQ3400seoo200I4M3 SOD31QQJ他1崔*符描号的公*亶庄晝摩不采用.如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径。表2 2无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mmmm）3、设计压力（design pressure（1 1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力）工作压力PW：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力

3、。 由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器， 直立进行水压试验的压力和卧置时不同; 工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶部的压力并不是其实际最高工作压力（thethe maximummaximum allowableallowable workingworking pressurepressure ）。 标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。设计压力指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于 工作压力。 对最大工作压力小于 0.1Mpa0.1Mpa的内压容器，设计压力取为 0.1Mpa0.1Mp

4、a; 当容器上装有超压泄放装置时，应按超压泄放装置”的计算方法规定。 对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范围内，设计压力由工作条件下，可能达到的最高金属温度确定。（详细内容，参考 GB150-1998GB150-1998，附录B B （标准的附录），超压泄放装置。）常H吨订itu Jt 下的出眼点诰计皑咆FtJ In h小时描愼的月小时性3E书1的體童権亂为0 2L斤!沁*二弓L -乩计算压力PC是GB150-1998GB150-1998新增加的内容，是指在相应设计温度下， 用以确定元件厚度的压力， 其中包括液柱静压力，当静压力值小于5 5%的设计压力时，可略去静压力。 注意与GB150

5、-1989GB150-1989对设计压力规定的区别；钢制压力容器规定设计压力是指在相应设计温度下，用以确定容器壳壁计算厚度的压力，亦是标注在 铭牌上的设计压力，取略高或等于最高工作压力。当容器受静压力值大于5 5%设计压力时，应取设计压力与液柱静压力之和进行元件的厚度计算。使许多设计人员误将设计压力和液柱静压力之和作为容器的设计 压力。 一台设备的设计压力只有一个，但受压元件的计算压力在不同部位可能有所变化。 计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现，只在计算书中出现。4、 设计温度(Design temperature设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属

6、温度。主要用于确定 受压元件的材料选用、强度计算中材料的力学性能和许用应力，以及热应力计算时设计到的材料物理性能 参数。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度；当设计温度在 o oc以下时，不得高于元件金属可能达到的最低温度；当容器在各部分工作状态下有不同温度时，可分别设定每一部分的设计温度；5、 许用应力(Maximum allowable stress values)许用应力是以材料的极限应力除以适当的安全系数，在设计温度下的许用应力的大小，直接决定容器的强 度，GB150-GB150-19981998对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力。表3 3钢制压力容器中使用的钢

7、材安全系数6、焊接接头系数(Joint efficiency的影响(1) 焊接接头的影响焊接接头是容器上比较薄弱的环节，较多事故的发生是由于焊接接头金属部分焊接影响区的破裂。一般情 况下，焊接接头金属的强度和基本金属强度相等，甚至超过基本金属强度。但由于焊接接头热影响区有热 应力存在，焊接接头金属晶粒粗大，以及焊接接头中心出现气孔和未焊透缺陷，仍会影响焊接接头强度， 因而必须采用焊接接头强度系数，以补偿焊接时可能产生的强度消弱。焊接接头系数的大小取决于焊接接 头型式、焊接工艺以及焊接接头探伤检验的严格程度等。(2) 焊接接头系数的选取：由接头形式和无损探伤的长度确定双面焊对接接头和相当于双面焊

8、的全焊透对接接头：100100%无损探伤，= 1.001.00 ;局部无损探伤， = 0.850.85 ；单面焊的对接接头，沿焊接接头根部全长具有紧贴基本金属的垫板：100100%无损探伤，=1.001.00 ;局部无损探伤，=0.80.8；无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝，无垫板：=0.60.6；第二节内压容器筒体与封头厚度的设计PC （必要时尚需计入其他载PD(1)PD2、.则有:PDi2二广式中D D为中径，当壁厚没有确定时，则中径也是待定值，利用D=DD=Di+ +则有:成为有1 内压圆筒（cylindrical shelD的厚度设计（1 1）理论计算厚度（requiredrequir

9、ed thickthick nessness）GB150-1998GB150-1998定义：按各章公式计算得到的厚度，为能安全承受计算压力 荷）。内压圆筒壁内的基本应力是薄膜应力，由第三强度理论可知薄膜应力的强度条件为:式中：T- 1mm1mm ;对于不锈钢，当介质腐蚀性能极微时，取C C2= 0 0。（3 3） 名义厚度（normalnormal thicknessthickness ）设计厚度-d加上钢板负偏差 C C1后向上圆整至刚才标准规格的厚度， 即标注在设计图样上的壳体厚度。r 二G G （5 5）C C1 钢板负偏差。任何名义厚度的钢板出厂时，都允许有一定的负偏差。钢板和钢管的负

10、偏差按钢材标准 的规定。当钢板负偏差不大于0.25mm0.25mm，且不超过名义厚度的6 6 %时，负偏差可忽略不计。表4 4钢板负偏差值钢板厚度（mm）22.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5负偏差（mm）0.180.190.20.220.250.30.5钢板厚度（mm）6782526303234364042505260负偏差（mm）0.60.80.91.01.11.21.3（4 4）有效厚度名义厚度冷减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差，从性质上可以理解为真正可以承受介质压强的厚度,II设計厚!ft也效厚度。数值上可以看作是计算厚度加上向上钢材圆整量。 e = -n _ C1

11、 _ C2( 6)厚度系数1 1 :圆筒的有效厚度和计算厚度之比称为圆筒的厚度系数。(5 5)最小厚度、：min为满足制造、运输及安装时刚度要求，根据工程经验规定的不包括腐蚀裕量的最小壁厚。碳素钢和低合金钢制造的容器，最小壁厚不小于3mm3mm;囤高合金钢制容器，(如不锈钢制造的容器)，最小壁厚不小于 2mm2mm。当筒体的计算厚度小于最小厚度，应取最小厚度作为计算厚度，这时筒体的名义厚度可以分为两种不同的 情况分别计算。(1)当；min- Cl，:n=；min+C2 + ：(厶可以等于零)(2) 当Fin-AG时，必须考虑钢板负偏差，min +C2 +C1+-：表5 5钢板的常用厚度表),6

12、.8,10.1234 46.32,31 J&.383Q.42 JS.5O.55閒嗣,7) J5.&D.SS.90J20表6 6几种厚度之间的相互关系用哽削営EGWill Mr聘件祥fit G计 Wffaa2、内压球壳(sphere)的厚度设计PD球壳的任意点处的薄膜应力均相同，且；亠-m，根据薄膜应力第三强度条件：二r二F F 46采用内径表示：PlD1, mm或者简化为PcDi (7)(7)4r-Pc4巴严其他的厚度计算与筒体一样。3、内压封头的厚度设计(1 1)半球形圭寸头(hemisphericalhemispherical headhead)半球形封头的厚度采用球壳的壁厚设计公式进行计

13、算。KPcDi2打-0.5pc(8)如图所示，由半个椭球和一段高为h ho的圆筒形筒节(称为直边)构成，封头曲面深度h L，直边高度4与封头的公称直径有关。表7 7封头的直边高度/ /伽封头的公称直径 DN2000封头的直边高度 h2540对于标准椭圆封头，最大的薄膜应力位于椭球的顶部，大小和圆筒的环向应力完全相同，其厚度和圆筒形的计算一样。但是和下面的GB150-1998GB150-1998规定的不太一样，主要是因为在简化是产生的，影响不大。K K为椭圆封头形状系数，标准椭圆封头为K=1.0K=1.02；彳 - 0.5pc应当注意，承受内压时椭圆封头的赤道处为环向压缩应力，为了避免失稳，规定

14、标准椭圆的计算厚度不得 小于封头内径的 0.15%0.15%。(3 3)碟形封头又称带折边球形封头，有三部分组成，以R Ri为半径的球面壳体、半径为r r的圆弧为母线所构成的环状壳体(折边或过渡圆弧)。球面半径R Ri 一般不大于筒体直径 D Di;折边半径r r在任何情况下不得小于球面半径的10%10%，其应大于三倍的封头厚度。图1 1半球形封头示意图图2 2椭圆形封头示意图(2 2)标准椭圆形圭寸头(ellipsoidalellipsoidal headhead)MpcR2二-0.5 pc(9(9)碟形封头厚度的计算公式:式中：M M碟形封头形状系数碟形封头的厚度如果太薄，则会出现内压下的

15、弹性失稳，所以规定:M 1.34, 、e -0.15%Di ；M 1.34, e _0.3%Dj（4 4）球冠形封头（没有折边）封头的结构，为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的过度圆弧和直边部分去掉，将球面部分直接 焊接到圆柱壳体上，如下图所示。作容器的端封头；用作容器中两个相邻承压空间的中间封头。 封头的厚度（凹面受压时）：Q!PcDj（ ioio）2匚-巳图3 3碟形封头图4 4球冠形圭寸头(12(12)PD4、.1cos 二PDQ2：1cos 二二根据第，或第三强度理论，并以内径表示可得:巳DiPc Di-1 -2二cos： Pc 2二Pc(11(11)Q Q为系数主要和球形半径和

16、筒体内径之比、压力和许用应力及焊缝系数有关，可以根据图表查得。在任何情况下，与球冠形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；端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度L L均应不小于2 0.5D。（5 5）内压锥形圭寸头（conecone headhead）锥形封头和椭圆形、半球形封头相比强度较差。在工业生产中，但当操作介质含有固体颗粒或当介质粘度 很大时，采用锥形封头有利于出料，亦有利于流体的均匀分布。此外，顶角较小的锥壳还可用来改变流体 的流速，另外锥形壳体用来连接两个直径不等的圆筒，作变径段。因此，锥形封头仍得到广泛应用，一般

17、 锥形封头有三种形式：不带折边锥形封头的壁厚锥形封头的最大薄膜应力位于锥体的大端:由于无折边锥形封头与筒体的连接处曲率半径突变，所以存在着较大的边界应力，如果利用（1111）计算的壁厚满足边界应力不得超过3 3倍时，则可以直接使用，否则需要增加连接处的壁厚，因此无折边封头的计算公式写为：QP； Dj2汀-巳图5 5锥形封头示意图2 S； . cos：圆筒加强段的长度 L L应不小于2 0.5D：；。图6 6锥壳大端与圆筒连接处Q Q值图P1Q值随着一的增大而减少，水平直线代表Q =-cr牝cos a采用加强的壁厚焊接比较繁琐、成本也较高，是否可以整体采用加强后计算的壁厚，目前还没有 定论；教材

18、中采用此图目的是不用进行判断，与GB150-1998GB150-1998存在差异，实际设计时严格按照 GB150-1998GB150-1998。在任何情况下，加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。锥壳加强段的长度L Li应不小于折边锥壳分为锥壳大端有折边以及锥壳大端、小端均有折边两种。此处只讲解大端部分，小端的计算方法详见GB150-1998GB150-1998的第7 7部分。大端的壁厚应同时计算过渡段厚度和与其相连接的锥壳厚度，取二者大值。过渡部分的壁厚：KPcDi； (1313)2刁-0.5PcD Di 连接筒体内直径；K K 过渡部分形状系数。 K K系数由表4 4所示。表8 8系数K

19、K值r/Xm ID0- 150.300.40m so10*0 $S44Or (1110. 578V0. 54030. USB0. $(X0.a tisra. cutaunO.&2230. 50000. 7BMQ.mr6 E3B90. &OOC35*ft.0, TillG Htta 551 54070. 5 tKXl斗0. 8547Q.rsoi.61270.550|3.50MJ45*m am0. SMI0t T410aM028 S350. 5 MXI50*L |U0, B045-C.6755a 5&04乳 soooL IVOSA.III0L仇 5 WXJ1 -2rf f锥形封头形状系数，f1-c

20、os/2cos，其值列于表5 5。Di教材中，认为折边部分与锥体部分厚度相同时，折边内的压力总是小于锥体部分的压力，所以只 对大端进行计算，然后取折边和大端等厚度，所以只给出了一个计算公式，而且其系数由于公式 的改变是GB150-GB150-19981998的两倍，有点欠妥。学生可以采用二者之一的公式，但是必须注意公式和系数的准确性。表9 9系数f f值ND、aM00. 15a. 200. 30U. 40fl. 5010-仇 50620.50554, JH70. 503037山SOK200- 5570+ 52S5Q 51036 $128九刘闘o. soao5C6. 9M4.3M2fi.5+45

21、4.SS105SS0. sooc35眞弓閒日imQ. M3a HO山52U0.刃DO40*a I22EOnfiMSG 59140.56110.闘驚0.5CHX)妍0. IK?0. twc4. MUG SIMfl- Ml0.別凶str0. 72230. tM3C. 6S6Ha *1120, 5556Q5D( (K)5S4.7H30.7GO2C, T23O认酣冀0.57430 bUW60*扎 fX0. R5D0n, aXK仇 roanM MOO仇 snrao中司值担内捆椎.(6 6)平板圭寸头(circularcircular flatflat headsheads)圆形平板作为封头承受压力时，处

22、于受弯的不利状态，而且造成筒体在边界处产生较大的边界应力，所以 一般不使用平板封头。但是压力容器的人孔、手孔等为平板。在实际工程中，可把圆形平盖简化为受均匀分布横向载荷的圆平板，最大弯曲应力公式为：PD2匚max二K厂应用第一强度理论，结合实际工程经验，其设计公式为：(18(18)B=DjK,(式中：K K 结构系数，从相关的表中查取;De-计算直径，一般为筒体内直径；:B -平板的计算厚度。第三节压力试验与在用压力容器的强度校核1、压力试验(hydrostatic test pressure容器制造时，钢板经过了弯卷、焊接、拼装等工序以后，会存在以下的问题：是否能够承受规定的工作压力？是否会

23、发生过大变形？在规定的工作压力作用下，焊缝等处是否会发生局部渗漏？因此需要进行压力试验，试验的项目和要求应在图样中注明。压力试验可以选用液压和气压。由于气压试验的危害性大，故一般都采用液压试验，只有不易做液压试验 的容器才采用气压试验。(1) 液压试验试验介质，一般用水，试验压力为：R R =1.25卩上丄(1616)盯二t 设计温度下材料的许用应力，MPaMPa;二试验温度下材料的许用应力，MPaMPa。液压试验方法：液压试验时，压力应缓慢上升，达到规定试验压力时，保持3030分钟，然后将压力降至规定试验压力的8080%,并保持足够长时间以便对所有焊缝和连接部位进行检查。实验结果以无渗漏和无

24、可见的残余变形为合格。(2) 气压实验不适合做液压实验的容器，例如由于工艺要求，容器内不允许有微量残留液体，或由于结构原因，不能充满液体的容器，才允许用气压实验。凡采用气压实验的容器其焊缝需进行100100 %的无损探伤，且应增加实验场所的安全措施，并在有关安全部门的监督下进行。试验介质，01干燥气体或者O2洁净的空气、氮气、惰性气体。试验压力为：R =1.15P 耳(1717)二气压试验方法：试验时压力应缓慢上升，至规定试验压力0.1P0.1P，且不超过0.05MPa0.05MPa，保压5 5分钟，检查焊接接头部位。若存在泄漏，修复，重新进行水压实验。合格后，方可重新进行气压实验。2、强度校

25、核的思路(1 1)许用应力校核即根据有效厚度计算出容器在校核压力下的计算应力，判断其是否小于材料的许用应 力。在用容器在校核压力P Peh ( PW, P Pk oror P P)作用下的计算应力为:KPeh Di2e钢板的负偏差取： 6=6= 0.80.8 m；腐蚀裕度取：C2 =0.1 15=1.5mm对于使用多年的容器：飞二-Cmin-2 n-式中：-实测的年腐蚀率，mmmm /a/a；cmin -受压元件的实测最小厚度；n n检验周期。(2(2)在用容器最大允许工作压力P二 2 小(1919)KPchDi但是在工程实际中，应该严格按照GB150-1998GB150-1998 或者 JB

26、4732-1995JB4732-1995 进行校核。准椭圆封头，一端采用半球形封头，操作温度不超过5050 C。罐顶装有安全阀，安全阀的开启压力PcDi2汀-巳式中：K K 形状系数，其值根据受压元件形状确定，对于圆柱形筒体和标准椭圆形封头，K=1.0K=1.0 ;对于球壳与半球壳封头，K=0.5K=0.5 ;碟形封头，K=MK=M :;无折边封头锥形封头，K=QK=Q ;折边锥形封头，K=K= f0。乜筒体或者封头的有效厚度，对于新容器筒体：=-：n - G -C2例题1 1 :有一圆筒计量罐，内装浓度为9999%的液氨，筒体内径 Dj = 2200mm，筒高32003200 mm,mm, 端采用标P =