压力容器设计基础

1、压力容器地强度与设计<江苏省压力容器检验员培训考核班专题讲座）董金善南京工业大学过程装备研究所第一节概述一、容器地结构在工厂中可以看到许多设备.在这些设备中，有地用来储存物料，如各 种储罐、计量罐；有地进行热量交换，如各种换热器、蒸发器、冷凝器、 结晶器等；有地用来进行化学反应，如反应釜、聚合釜、发酵罐、合成塔 等.这些设备虽然尺寸大小不一，形状结构不同，内部构件地型式更是多种 多样,但是它们都有一个外壳，这个外壳就叫作容器.容器一般是由筒体 < 圆筒）、封头 < 端盖）、法兰、支座、接管、人 孔<手孔）、视镜、安全附件等组成 <图1）.它们统称为压力容器通用零

2、部件,常、低压压力容器通用零部件大都已有标准，设计时可直接选用.二、压力容器常用标准1. 国务院特种设备安全监察条例（2003>2. 国家质量技术监督局压力容器安全技术监察规程（1999>3. 国家质量监督检验检疫总局特种设备行政许可工作程序（2003>4. 国家质量监督检验检疫总局特种设备行政许可实施办法（2003>5. 国家质量监督检验检疫总局特种设备行政许可分级实施范围 (2003>6. 国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器制造监督管理办法 (2003>7. 国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器制造许可工作程序 (2003>8. 国家质量监督检验

3、检疫总局锅炉压力容器制造许可条件 (2003>9. 国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器产品安全性能监督检验 规则 (2003>10. 国家质量监督检验检疫总局压力容器压力管道设计单位资格许可 与管理规则 (2002>11. GB150- 1998钢制压力容器12. GB151- 1999管壳式换热器13. JB/T4735 1997钢制焊接常压容器14. JB4710- 1992钢制塔式容器15. JB4731 -XXXX钢制卧式容器16. HG/T20569-1994机械搅拌设备17. GB12337- 1998钢制球形储罐18. GB16749- 1997压力容器波形膨

4、胀节19. JB4732- 1994 钢制压力容器-分析设计标准20. H32058C 1998钢制化工容器设计基础规定21. HG20581- 1998钢制化工容器材料选用规定22. HG20582- 1998 钢制化工容器强度计算规定23. HG20583- 1998 钢制化工容器结构设计规定24. HG20584- 1998钢制化工容器制造技术要求25. HG20585- 1998 钢制低温压力容器技术规定26. HG20531- 1993 铸钢、铸铁容器27. JB/T4734 2002铝制焊接容器28. JB/T4745 2002钛制焊接容器29. GB/T15386 1994空冷式

5、换热器30. GB16409 1996板式换热器31. HG/T2650 1995钢制管式换热器32. GB5842 1996液化石油气钢瓶33. JB/T4750 2003制冷装置用压力容器34. JB/T6539-1992 微型空气压缩机用钢制压力容器35. JB8701 1998制冷用板式换热器36. JB/T4751 2003螺旋板式换热器37. GB18442 2001低温绝热压力容器38. GB12130 1995医用高压氧舱39. GB9019-1988压力容器公称直径40. JB/T47004707 2000压力容器法兰41. H32059A 20635- 2009钢制管法兰、

6、垫片、紧固件42. GB/T9112 9124 2000钢制管法兰43. JB/T7490 1994管路法兰及垫片44. JB/T4746 2002钢制压力容器用封头45. JB/T4736 2002补强圈46. HGJ527- 1990补强管47. JB/T4712 1992鞍式支座48. JB/T4713 2007腿式支座49. JB/T4724 1992支承式支座50. JB/T4725 1992 耳式支座51. GB16749- 1997波形膨胀节52. HG501502 1986压力容器视镜53. H321584 21591 1995玻璃板液面计54. HG21592- 95玻璃管液

7、面计55. HG/T21584 95磁性液面计56. HG2151仆21527 1995碳钢、低合金钢人孔57. HG21524 21535- 1995碳钢、低合金钢人孔58. HGJ504509 1986不锈钢人孔59. HGJ51C513 1986不锈钢手孔60. HG21537 1992填料箱61. HG215721572- 1995机械密封62. HG2156A 21569- 1995搅拌传动装置63. HG5 220222 1965搅拌器64. HG/T21574 1994设备吊耳65. GB41 1986I型六角螺母C级66. GB6170- 1986I型六角螺母A和B级67. G

8、B5780- 1986六角头螺栓C级68. GB5782- 1986六角头螺栓A和B级69. JB/T4714 1992浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数70. JB/T4715 1992固定管板式换热器型式与基本参数71. JB/T4716 1992立式热虹吸式重沸器型式与基本参数72. JB/T4717 1992U型管式换热器型式与基本参数73. HG21503 1992 钢制固定式薄管板列管换热器74. GB567- 1989拱形金属爆破片形式与参数75. GB/T14566 93正形金属爆破片形式与参数76. GB/T14567-93 反形金属爆破片形式与参数77. GB/T14568

9、93 开缝形金属爆破片形式与参数78. HG/T206682000 化工设备设计文件编制规定79. TCED41002-2000化工设备图样技术要求80. GB6654- 1996压力容器用钢板81. GB713- 1986锅炉用碳素钢和低合金钢板82. GB 353 1 1 9 96低温压力容器用低合金钢钢板83. GB4237 1992不锈钢热轧钢板84. GB8165- 1987 不锈钢复合钢板85. GB8163- 1999输送流体用无缝钢管86. GB9948- 1988石油裂化用无缝钢管87. GB6479- 1986化肥设备用高压无缝钢管88. GB5310- 1995高压锅炉用

10、无缝钢管89. GB/T14976-94 流体输送不锈钢无缝钢管90. GB13296- 91锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管91. JB4726-2000 压力容器用碳素钢和低合金钢锻件92. JB4727- 2000低温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件93. JB4728- 2000压力容器不锈钢锻件94. GB/T983 - 1995不锈钢焊条95. GB/T51 17- 1995 碳钢焊条96. GB/T51 18- 1995 低合金钢焊条97. GB5293- 1985 碳素钢埋弧焊用焊剂98. GB12470- 1990低合金钢埋弧焊用焊剂99. GB/T14957- 1994熔化焊用

11、钢丝100. GB/T14958- 1994 气体保护焊用钢丝101. GB/T8110- 1995气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝102. JB/T2835- 1979 低温钢焊条103. JB4708- 2000钢制压力容器焊接工艺评定104. JB/T4709- 2000钢制压力容器焊接规程105. JB4730-1994压力容器无损检测106. JB/T4711 2003压力容器涂敷与运输包装107. JB/T613 1993锅炉受压元件焊接技术条件108. HG20660- 2000压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分 类109. GB/T18182- 2000金属压力容器声

12、发射检测及结果评价方法三、压力容器许可证1. 锅炉制造许可证级别制造锅炉范围发证部门A不限质检总局B额定蒸汽压力w 2.5MPa地蒸汽锅炉；有机热载体炉质检总局C额定蒸汽压力w 0.8MPa且额定蒸发量w 1t/h地蒸汽锅炉；额定出水温度120C地热水锅炉；有机热载体炉质检总局D额定蒸汽压力w 0.1 MPa地蒸汽锅炉；额定出水温度120C且额定热功率w 2.8MW地热水锅炉省技术监督局2. 压力容器制造许可证类别级别制造压力容器范围）发证部门AA1:超高压容器、高压容器A2:三类低压容器、中压容器A3:球形储罐现场组焊或球壳板制造A4:非金属压力容器A5:医用氧舱质检总局BB1:无缝气瓶B2

13、:焊接气瓶 乙炔气瓶,液化石油气钢瓶）B3:特种气瓶 低温气瓶，机动车用气瓶）质检总局CC1:铁路罐车C2:汽车罐车或长管拖车C3:罐式集装箱质检总局DD1：第一类压力容器D2:第二类低、中压容器省技术监督局3. 压力容器设计许可证类别级别制造压力容器范围）发证部门AA1:超高压容器、高压容器A2:三类低压容器、中压容器A3:球形储罐现场组焊或球壳板制造A4:非金属压力容器质检总局CC1:铁路罐车C2:汽车罐车或长管拖车C3:罐式集装箱质检总局DD1：第一类压力容器D2:第二类低、中压容器省技术监督局SAD压力容器分析设计质检总局注: 锅炉设计图纸由省级交由被核准地检验检测机构鉴定； 气瓶B类

14、）、氧舱设计图纸由总局核准地检验检测机构鉴定； 客运索道、大型友游乐设施设计图纸由总局核准地检验检测机构鉴定4. 压力管道设计许可证类另U级另U发证部门长输管道GA1质检总局<GA )GA2公用管道GB1省技术监督局<GB )GB2工业管道GC1质检总局<GC)GC2省技术监督局第二节压力容器应力分析一、无力矩理论1无力矩理论锅炉压力容器地主要承压结构是壳体，而壳体是两个近距同形曲面围 成地结构.两曲面地垂直距离叫壳体地厚度，平分壳体厚度地曲面叫壳体 地中间面.壳体地几何形状可由中间面形状及壳体厚度确定 .中间面为回转曲面地壳体叫回转壳体.圆筒壳、圆锥壳、球壳、椭球壳等 都是

15、回转壳体当回转壳体地 外径与内径之比 1.2时,称为薄壁回转壳体，简称回转薄壳；当> 1.2时，称为厚壁回转壳体当然，这种区分是相对地,薄壳与厚壳并没有严格地界限.压力容器中地回转壳体，其几何形状及压力载荷均是轴对称地，相应压力 载荷下地应力应变也是轴对称分布地.对于回转薄壳，认为其承压后地变 形与气球充气时地情况相似，其内力与应力是张力，沿壳体厚度均匀分布， 呈二向应力状态，壳壁中没有弯矩及弯曲应力.这种分析与处理回转薄壳 地理论叫无力矩理论或薄膜理论.无力矩理论是一种近似分析及简化计算理论，在锅炉及一般压力容器应力 分析和强度计算中得到广泛应用，具有足够地精确度.严格来说,任何回转

16、壳体都具有一定壁厚，承压后其应力沿壁厚并不均匀分布，壳体中因曲率 变化也有一定地弯矩及弯曲应力，当壳体较厚且需精确分析时，应采用厚 壁理论及有矩理论处理.2薄膜方程按无矩理论对回转薄壳进行应力分析时，因为应力沿壁厚均布，常将壳体 应力简化到中间面上分析.如图2 1所示，壳体中间面由平面曲线 AB绕 同一平面内回转轴 OA旋转一周而成.通过回转轴地平间面与回转面地交 线叫经线；作圆锥面与壳体中间面正交，所得交线叫纬线.经线方向存在 经向应力，以 表示；纬线方向存在环向应力或周向应力，以表示. 经向应力可用下述正交截面法求得.如图2 2所示,用一与回转壳体表面正交 <垂直）地圆锥面将壳体分成

17、两 部分,考虑其中一部分在丫方向地受力平衡，则有：式中： 内压力；垂直于壳体轴线地圆截面地平均半径;n经向应力;壳体在被圆锥面截开部分地厚度;圆锥面地半顶角从而有:<2 - 1)区域平衡方程-1囿尊轴的中国式2- 中地是 锥母线地 度,即回转体曲面在纬线上地主曲率半径，或纬线曲率半径 第二曲率半径）回转壳体中地环向应力，作用在壳体地径向截面内.但在径向截面地不同纬线上,环向应力并不相同，因而无法用径向截面法求解环向应力，而只能 用微元法,通过分析微元体地受力平衡求解.如图2-3所示,用两个相近地径向平面及两个相近地与经线正交地圆锥面在回转壳体 上截取微元体.设： 为微元体上地经向应力，作

18、用在上下两个周 纬）向圆锥截面上;为微元体上地环向应力，作用在相邻两个经向截面上；为壳体厚度；为微元体沿经线地长度；微 元 体 沿 环 向 地国27回转売体环阴应力幷折心）懂元4的貌秋 仕】At元休的厘力（Q柚尤侬注找力向的旻力卒熾长度;为微元体纬线曲率半径;n为微元体经线曲率半径;为两经向截面地夹角;为两圆锥截面地夹角考虑微元体曲面法线方向地受力平衡，可有:I因及都很小,所以有:即ji整理得：丘 微体平衡方程）2-2 ）式2 I ）和式22）是求解薄壁回转壳体在内压作用下应力地基 本公式.简称薄膜方程.二、回转薄壳地薄膜应力锅炉和压力容器回转薄壳地应力，都可用薄膜方程求解.由薄膜方程求 得地

19、应力叫薄壳地薄膜应力.一）圆筒壳圆筒壳地中间面是一条直线围绕与之相平行地另一条直线旋转一周形 成地.对圆筒壳来说，其纬线曲率半径 圆筒平均半径）；经线是直线，其曲 率半径为无穷大.由式2 2）可得：a|.可 <2-3)由式<2 I )可得：I <2-4)比较式2 3）和式2 4）可知，在薄壁圆筒壳体中，其环向应力与经力在数值上是经向应力地两倍0=2-4売怵的应力向应力 轴向应力）和内压、圆筒半径成正比，和壁厚成反比；且环向应二）圆锥壳与圆荷壳相似，其经线是直线，曲率半径为无 穷大，纬线是经线截锥地母线，纬线曲率半径是截锥母线长度随圆锥经线到旋转轴地距离而变化 见图2-4 ）

20、即二，丨、f,为圆锥壳地半顶角，因而有:X I <2-5)<2-6)不难看出，圆锥壳上不同点地应力是不同地，从锥顶到锥底，应力随 地增 大而增大.锥底地环向应力是圆锥壳上地最大应力；在圆锥壳确定地一点其环向应力是经向力地2倍；圆锥壳地半顶角对其应力有显著影响，半顶 角越应圆锥形壳体地应力大，圆锥壳体中地应力越大.<三)球壳除球形容器外，某些锅炉锅筒及压力容器地封头是由半个球壳构成地 半球壳与完整地铁壳在内庄作用下地应力状态基本是相同地对球壳来说，其曲面各个方向地曲率半径都是相同地 ，即为球壳地平 均半径R.因而有：|.可 <2-7)即 y |<2-8)由式<

21、28)可看出球壳内地经向应力与环向应力是相等地，如果球 壳与圆筒壳直径及壁厚相同，且承受同样地内压，则球壳中地经向应力和 环向应力都等于圆筒壳中地经向应力.<四)椭球壳椭球壳是锅炉压力容器中使用得最为普遍地封头结构形式.椭球壳地中间面是由椭圆围绕其短轴旋转一周而成地曲面 ，即椭球壳 曲面地母线是椭圆.设该椭圆地长轴为 ，短轴为，并取如图2-5所示 地坐标,则椭圆方程为：要利用薄膜方程确定椭球壳内地应力，关键是正确地确定经线曲率半 径和纬线曲率半径 .椭球壳地经线是椭圆，经线曲率半径即椭圆地曲率半径；椭球壳地纬线是 垂直于壁厚地圆锥面与椭球壳中性面地交线，纬线地曲率半径则是圆锥面地母线.由

22、高等数学可知，如果曲线地方程为.亠I ,则曲线上某点 L地 曲率半径为：由椭圆方程得:从而得出椭圆上某点地曲率半径为:即椭球壳经线上某点地曲率半径为:由图2-5可知,椭球壳纬线上某点地曲率半径 圆锥面地母线），可由下式求得:式中，为圆锥面地半顶角，它在数值上等于椭圆在同一点地切线与轴地夹角.因而有：所以将，之值代入薄膜方程，即可求得椭球壳上任一点地应力:(2-10>ZJ及地分布如下:在椭圆壳顶点，：有1 ,则： I在椭球壳赤道部位，有E ,则：n地分布情况如图2-6所示.而当凶时,EE1即在椭球壳地极点上，其环向应力与经向应力相等；其大小取决于椭球长 短轴地比值.椭球长短轴地比值越大，极

23、点处地应力数值也越大.当冃时,，此时地大小和正负取决于椭球长短轴地比值:图2-7斯球克环向应力叭的分布锅炉压力容器上所用地椭圆封头一般是标准椭球封头，即冋地椭球封头对于标准椭球封头顶点部位：| 2-11)赤道部位:<2-13<2-12)嶺施楠球対员应力井甫其应力分布如图2 8所示.用标准椭球封头与半径等于其长半轴地圆筒壳比较，如果二者有相同地壁厚并承受同样内压，则封头赤道上地环向应力与圆筒壳上地环向应 力大小相等，方向相反；圭寸头赤道上地经向应力与圆筒壳上地经向应力大 小相等,方向相同；圭寸头极点处应力 环向及经向)地大小及方向都与圆 筒壳上地环向应力相同.因而标准椭球封头可以与同

24、厚度地圆简壳衔接匹如果,即S,为正值；如果,即S，耳为零；如果LHJ,即a,为负值 压缩应力)；环向应力地分布如图2-7所示.配,所得到地容器受力比较均匀.三、圆平板地应力1圆平板在内压作用下地弯曲由材料力学可知，当梁承受横向载荷产生弯曲变形时 ，梁中某截面上地内力、应力、应变及挠度之间存在着下列关系：平板在内压作用下地内力及变形情况，与梁承受横向均布载荷时地内 力及变形情况在本质上是相同地，两者都产生弯曲变形，内力是弯矩及剪 力.但梁地横向尺寸比梁地长度小得多，故受横向载荷后只是沿长度在载 荷作用方向发生弯曲变形；平板则具有一定地长度和宽度，长宽都比其厚度大得多.在横向载荷作用下，在平板地长

25、度方向、宽度方向及平板平面 内地其他各个方向，都产生弯曲变形，即产生面地弯曲.面地弯曲可以用两 个互相垂直方向地弯曲来描述，常简称为双向弯曲.平板产生双向弯曲 时,弯曲应力沿板厚地分布仍然是线性地 ，即只随 离中性轴地距离 发生变化，公式亠一仍然成立.但此处弯矩 及惯 性矩与梁地情况不同.锅炉压力容器地平封头、平端盖、人孔盖、手孔盖都是承受内压地 平板,而且大多数是圆平板.因为承受均匀分布地内压，国平板地内力及变 形都对称于过平板中心而垂直于平板面地轴,如图2-9所示.以柱坐标系分析圆平板地双向弯曲，设微元体上环向弯矩为，径向弯矩为 ，径向剪力为.则可通过弯曲后地挠度求解弯曲内力和应力.IB

26、2-9岡平栋弯曲时的受力悄况2挠度微分方程及其求解弹性力学关于小挠度薄板地分析表明，圆平板某点在内压作用下地弯矩,取决于圆平板在该点地挠度：式中： 圆平板中某点承受内压后地挠度 该点离圆平板中心地径向距离；材料地泊松比；圆平板板条地抗弯刚度,N mm, N |,这里 是材料弹性模量，是圆平板厚度.而圆平板地挠度 取决于压力载荷二与自身抗弯刚度 ：上式为圆平板承受均布横向载荷时地挠度微分方程式 ，其解为:对无孔圆平板，在板中心处挠度最大但此处 F ,相应于F地.I是无意义,所以:,从而有:式<3-14）中地 及耳,可根据圆平板周界地支承条件决定.3周边铰 <简）支圆平板圆平板地周边是

27、连接在圆筒体上地.圆筒体对圆平板周边地约束情况 由二者地相对刚度来决定、当圆筒体地壁厚比圆平板地壁厚小很多时，圆筒体只能限制圆平板在圆筒体轴线方向地位移，而对圆平板在连接处地转 动约束不大，这样地约束可简化成铰支地圆平板.设铰支圆平板地半径为，则有：i 一 解得：<2-15）经计算整理，得圆平板径向及环向弯矩为：<2-16 )<2-17)因为网及 是截面中单位宽度上地弯矩，在计算弯曲应力时必须采 用截面单位宽度上地惯性矩相应于 及，截面单位宽度地惯性矩为,因此圆平板内某点地径向弯曲应力及环向弯曲应力分别为:<2-18 )<2-19)最大应力产生于圆平板中心 <

28、; 亠）地表面,分别为:和梁弯曲时一样，圆平板双向弯曲时，以中性面为分界面，沿厚度上下两 半部分地应力正负符号是相反地为简化起见，上列各应力计算公式仅表示 圆平板受拉表面地应力铰支圆平板弯矩及表面弯曲应力地分布如图2-10所示.4周边固支圆平板如果与圆平板连接地筒体壁厚很厚，筒体不仅限制了原平板周边 沿筒体轴向地位移，而且限制了原平板在连接处地转动，则可把筒体 对圆平板周边地约束情况简化为固支.固支圆平板地边界条件为：1, U<2-22相应地弯矩方程式为:<2-25)<2-26)<2-24)圆平板上下表面 <)处任一点地径向弯曲应力及环向弯曲应力分别最大弯曲应力为

29、原平板边缘表面地径向弯曲应力，即:固支圆平板弯矩及表面弯曲应力沿半径地分布如图2-11所示.IU2- II囲支團平橫专笔及衷间毎曲遢力的？布5 与相连圆筒壳地比较综合周边铰支、固支两种情况，圆平板在内压 作用下地最大弯曲应力近似为：三】周边铰支K=0.31、固支K=0.188.而相连接地圆筒壳在内压 作用下地环向薄膜应力为：假定圆平板厚度与圆筒壳相同，且近似取圆平板半径等于圆筒壳平均 半径,则：通常圆筒壳地厚度因远小于D,因而吕远大于勺.绝大多数容器地上 值均超过50,这就意味着在等厚度、同直径条件下，平板内产生地最大弯 曲应力至少是圆筒壁中薄膜应力地 20-30倍.如欲使圆平板中地最大弯曲应

30、力与圆筒壳地薄膜应力相同，则圆平板地壁厚 必须远大于圆筒壳壁厚：四、圆筒壳地边界效应i基本概念承受内压地圆筒形元件，总是和其他相应地元件一一封头、管板、端 盖等连接在一起，组成一个封闭体，才能承受内压，以满足使用要求.在圆筒元件与其他元件相接之处，承受内压之后，其变形和受力情况 与非连接部位有很大不同，这是圆筒与相连元件在相连处变形不一致、互 相约束造成地.以圆筒与凸形封头连接为例 见图2-12),连接线上各点是圆筒与封头地公共点作为圆筒筒身上地点，承受内压后其径向位移丨可按以下关系求出.根据广义 虎克定律，环 向应变 为：图2-】2圜簡喘与凸形封头连接时的边界效砲分析环向应变与径向位移地关系

31、,有:因而同样可以求出，作为封头上地点，连接处承受内压后地径向位移 为：式中，,是凸形封头长轴与短轴之比，或长半径与短半径之比 对标准椭球封头，I占，因而有：即是说,在连接线上，作为筒身地一部分应沿径向向外位移丨；作为封头地一部分,应沿径向向外或向内位移但封头在连接线上地径向位移量总是不同于筒身在连接线上地径向位移量，筒身向外地径向位移总是大于 封头向外地径向位移.实际情况是，连接线上地点在承受内任后只能有一个径向位移，最后地变形位置只能在二者单独变形地中间位置，这样才能保持构件在连接处变形后是连续地.即二者在连接处互相约束限制封头对圆筒地约束和限制，相当于沿圆筒端部国间连续均匀地施加弯 矩和

32、剪力，使圆筒端部产生“收口”弯曲变形，以抵消内压作用于圆筒所 产生地向外径向位移.因而,封头对圆筒地附加载荷及相应引起地变形都 是轴对称地.薄壁圆筒地抗弯能力很差，上述附加弯矩和剪力有时会在连接部位产 生相当大地弯曲应力，甚至超过由内压造成地薄膜应力.但这种现象只发 生在不同形状地元件相连接地边界区域 ，所以叫做“边界效应”.由边界 效应产生地应力叫“不连续应力”，这是抵消不同元件在连接处变形不 连续,保持实际上地变形连续在元件内出现地局部附加应力 边界应力.2圆筒壳与凸形封头连接时地边界效应圆筒壳与凸形封头连接时，在连接处二者地几何形状是连续地承受内 压后二者虽因连接处变形不相同互相牵制，但

33、最终到达地位置仍保持了连 接部位地连续连接处有同一地径向位移和转动角度 .当凸形封头与圆 筒壳地材质、壁厚都相同时，相应地凹3因而，当凸形圭寸头与圆筒壳相连接时，在圆筒壳连接部位附近因内压引 起地附加内力为:(2-37>(2-38>(2-39>(2-39>以上各式中，为椭球封头长短轴直径之比.,随 地变化趋势如图2-14所示.边界应力变化趋势）内力及应力连接处图2“+用，楙團餐軸向的变址超勢因为连接处弯矩等于零，因而没有相应地附加弯曲应力连接处地径向剪力 在连接处横截面上引起剪应力，平均剪应力为：H1连接处附加环向力在连接处造成附加环向应力:由式2 - 39）及式2 4

34、0）可知，和 都是随 地增加而减小地， 连接处地 及 是最大剪力及最大环向力，因而， I .因为地绝对数值较小，可忽略不计因而连接处地主要附加应力是 环向附加应力 连接处总地应力应是内压引起地薄膜应力与附加应力 地代数和：二）附加弯矩最大截面地内力和应力I，冈 地值随 而变化.当 ，或者J1 取 I以下同）时，达到最大值，相应地附加轴向弯曲应力为：在同一位置，冈及相应地附加环向应力也达最大值，其数值为:在附加弯矩最大地截面上，径向剪力匸减小为零，附加环向力为:由附加环向力引起地附加环向应力为:作用于该截面内某点地总应力为内压造成地薄膜应力及附加应力之 和对于标准椭圆球封头相连地圆筒，内壁处最大

35、地环向总应力为：I内外壁面处地轴向总应力分别为：I 五、对圆筒壳边界效应地结论1. 圆筒壳地边界效应是圆筒壳与相连元件承载后变形不一致，互相制 约而产生附加内力和应力地现象在下列情况下均会产生边界效应及不 连续应力： 结构几何形状突变； 同形状结构厚度突变； 同形同厚结构材料突变.在分析元件应力状态时，必须有边界效应和边界应力地基本概念.2. 边界应力，自连接处起沿圆筒壳轴向迅速衰减，其影响范围仅在两元件地连接边界附近计算表明，当 I或时,截面中 等附加内力已衰减到边界上相应内力地 5%以下.因此常把 1 地区域视为边界效应地影响区域一般钢材 一 =A ，因 决定了边界效应区域地大小及衰减快慢

36、，故称之为边界效应衰减系数.3. 边界效应中地主要附加内力是轴向附加弯矩和周向附加力轴向附加弯矩引起地附加弯曲应力沿壁厚呈线性分布，在内外壁面分别为拉伸应 力或压缩应力.拉伸应力与轴向薄膜应力叠加而使总地轴向应力加大；周 向附加力引起地周向附加应力是压缩应力，可以抵消一部分周向薄膜应力， 降低边界附近总地周向应力水平.4. 凸形封头与圆筒壳相连时，边界处地不连续应力很小，通常可以不予 考虑；厚圆平板与圆筒壳连接时，边界处地不连续应力较大.在结构设计中, 考虑边界效应，应尽量采用凸形封头而少用平板封头.采用平板封头时,要 考虑采用相应地结构及工艺措施，以充分保证构件地安全.六、应力分类前面介绍了

37、在内压等作用下元件内产生地一些应力 ，实际压力容器元 件中地应力还不止这些，比如,元件因热胀冷缩约束所产生地 热应力；元 件自重、内部介质重量等会在兀件内引起 弯曲应力或拉伸 < 压缩）应 力；支座反力会在元件被支撑部位造成 局部应力 ；立式容器受风会引起 附加弯曲应力 ；冷热加工变形会在金属内产生加工 残余应力 ；等等 .这 些应力,有地数值较大 , 有地较小；有地沿元件壁厚均匀分布 薄膜应力） 有地沿壁厚不均匀分布 弯曲应力）；有地发生在大面积范围内 , 有地仅 出现于元件地局部区域 . 它们对元件安全地影响也各不相同 .研究应力地目地是为了控制应力 , 保证元件有足够地强度 .长期

38、以来 , 因为对上述各种应力对元件强度地影响缺乏精确地了解,加上计算比较困难因而在锅炉压力容器受压元件强度设计中 , 仅根据内 压引起地元件大面积上地平均应力进行强度计算通过采用一定地安全 系数来保证元件地安全 . 这就是按规则设计地原则或常规强度设计准则 .1968 年美国提出了一种按应力分类进行强度设计计算地方法, 对世界各国锅炉压力容器强度设计产生了重要地影响 . 我国在按规则设计规范 进行锅炉压力容器常规强度设计时 , 已经考虑和适当采用了应力分类地观 点和原则,从而减少了设计地盲目性 , 增加了设计地可靠性 .在锅炉压力容 器安全评定及事故分析中 , 也经常采用应力分类地观点和方法

39、, 并颁布了 我国地按应力分类进行设计地压力容器设计标准 JB 4732钢制压力容 器分析设计标准） . 受压元件中地应力可分为一次应力二次应力及峰值应力等 . 一）、一次应力一次应力也叫直接应力 ,是由外载 内压）引起并与外载平衡地应力 . 一次应力又分为一次薄膜应力、局部薄膜应力及一次弯曲应力等种 .1 一次薄膜应力一次薄膜应力是由外载 介质压力）引起地且与外载相平衡地筒壁应 力平均值 .例如, 圆筒形壳体、球形封头、椭球形封头上沿壁厚平均地环 向应力 周向应力）、经向应力 轴向应力）等都属于一次薄膜应力 .一次 薄膜应力常简称为薄膜应力 .随着介质压力地增加 ,薄膜应力相应升高 . 当压力达到一定值时 ,元件 内将出现大面积塑性变形，使材料性能变坏抗腐蚀能力、塑性、韧性 及热强性能下降；进一步增加压力，最终将导致元件破裂.这种薄膜应力 对元件强度地影响最大，因而用基本计算公式加以控制.一次薄膜应力地当量应力应满足：.-1|<2-45)2局部薄膜应力局部薄膜应力是由外载及边界效应引起地沿截面