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1、强度、结构与应力分析,中国特种设备检测研究中心贾国栋,提纲,压力容器强度计算概述压力容器强度校核压力容器的结构概述压力容器应力分类和局部应力压力容器分析设计概述,压力容器强度计算概述设计压力范围,一、常用设计规范及适用的压力范围GB1501998钢制压力容器设计压力P：0.135MPa；真空度：0.02MPaJB473295钢制压力容器-分析设计标准设计压力P：0.1100MPa；真空度：0.02MPa疲劳载荷；高温蠕变GB1511999管壳式换热器设计压力P：0.135MPa；真空度：0.02MPaGB123371998钢制球形储罐设计压力：P4MPa；公称容积：V50M3,压力容器强度计算
2、概述设计载荷,二、设计时应考虑的载荷GB1501998钢制压力容器：（1）内压、外压或最大压差；（2）液体静压力(5%P)；需要时，还应考虑以下载荷（3）容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；（4）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；（5）风载荷、地震力、雪载荷；（6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；（7）连接管道和其他部件的作用力；（8）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；（9）包括压力急剧波动的冲击载荷；（10）冲击反力,如流体冲击引起的反力等；（11）运输或吊装时的作用力。,压力容器强度计算概述术语压力,1、压力
3、（除注明者外，压力均为表压力）（5）最大允许工作压力Pw：指在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力。该压力是根据容器壳体的有效厚度计算所得，且取最小值。最大允许工作压力可作为确定保护容器的安全泄放装置动作压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。（6）安全阀的开启压力PZ：安全阀阀瓣开始离开阀座，介质呈连续排出状态时，在安全阀进口测得的压力。（7）爆破片的标定爆破压力Pb：爆破片铭牌上标明的爆破压力。,压力容器强度计算概述设计压力选取,压力容器强度计算概述术语温度,2、温度（1）温度金属温度：容器元件沿截面厚度的温度平均值。工作温度：容器在正常工作情况下介质温度。（2）最高、最低
4、工作温度：容器在正常工作情况下可能出现介质最高、最低温度。（3）设计温度：容器在正常工作情况，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为压力容器的设计载荷条件。（4）试验温度：系指压力试验时容器壳体的金属温度。,压力容器强度计算概述术语厚度,3、厚度（1）计算厚度：容器受压元件为满足强度及稳定性要求，按相应公式计算得到的不包括厚度附加量的厚度。（2）设计厚度d：计算厚度与腐蚀裕量之和。（3）名义厚度n（即图样标注厚度）：设计厚度加上钢材厚度负偏差后，向上圆整至钢材（钢板或钢管）标准规格的厚度。（4）有效厚度e：名义厚度减去厚度附加量（腐蚀裕量与钢材厚度负偏差
5、之和）。（5）最小实测厚度：实际测量的容器壳体厚度的最小值。（6）厚度附加量：设计容器受压元件时所必须考虑的附加厚度，包括钢板（或钢管）厚度负偏差C1及腐蚀裕量C2。注意：容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度min：对碳素钢、低合金钢，不小于3mm对高合金钢，不小于2mm,压力容器强度计算概述失效准则、强度理论,四、失效准则:容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆破，因此容器强度失效准则有三种观点：（1）弹性失效常规设计（GB150等）弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒
6、内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。（2）塑性失效分析设计（JB4732）塑性失效准则将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。（3）爆破失效高压、超高压设计爆破失效准则认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限。*用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。,压力容器强度计算概述失效准则、强度理论,五、弹性实效准则下的四个强度理论：第一强度理论（最大主应力理论）常规设计（GB150等）这个理论也叫做
7、“最大正应力理论”，该理论假定材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力，就是说，材料不论在什么复杂的应力状态下，只要三个主应力中有一个达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时，材料就要发生破坏。第二强度理论（最大变形理论）这个理论也称为“最大线应变理论”，它认为材料的破坏取决于最大线应变，即最大相对伸长或缩短。第三强度理论（最大剪应力理论）分析设计（JB4732）此即“最大剪应力理论”。该理论认为，无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。第四强度理论（剪切变形能理论）该理论也称作“形状改变比能理论”认为材料的破坏取决于变形比能，把材料的破坏归结为应力与变形
8、的综合。*用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系式。,压力容器强度计算概述计算公式筒体,六、计算公式1.内压圆筒体计算公式2.内压球壳计算公式注意：1、公式中各参数的含义、单位制、确定原则及注意事项。2、d=+C2n=+C2+C1+(圆整)e=+,压力容器强度计算概述计算公式封头,压力容器强度计算概述计算公式封头,压力容器强度校核校核公式,一、校核公式1.内压圆筒体按壁厚校核测2.内压圆筒体按压力校核P,压力容器强度校核校核参数选取（1）,二、校核参数的选取（1）原则：腐蚀裕量=腐蚀速率（mm/年）至下一个检验周期的年数实际：用减薄量估算（2）压力Pc：取容器实际最高工作压力；
9、装有安全泄放装置取:安全阀开启压力或爆破片爆破压力；盛装液化气体容器取原设计压力。注意温度、组分当容器的液柱静压力5%Pc,要计入液柱静压力（球形储罐均要计入液柱静压力）。（3）温度：温度主要用来确定材料许用应力，强度校核温度一般取实际最高壁温，当无准确壁温值时，取容器的实际最高工作温度（热介质的最高工作温度），低温压力容器，取常温（20）值。（4）许用应力压力容器的材料牌号明确的，直接按相应材料牌号选取许用应力，当材料牌号不明确，可按压力容器同类材料的最低标准值选取，如不能满足强度要求时，则进行材料化验、硬度测定确定强度等级，选取许用应力值。选取许用应力值时取最高工作温度或壁温下的许用应力；
10、液化气储罐，取设计温度下的许用应力；低温容器取20下的许用应力。,压力容器强度校核校核参数选取（2）,二、校核参数的选取（5）直径：内直径按实测最大值选取。（6）焊接接头系数焊接接头系数根据焊接接头的实际结构形式和无损检测比例，按照有关标准选取。对焊接接头形式不清，又无出厂资料可取=0.6，不能满足强度条件时，可采用X射线或超声波探伤，确认焊接接头实际结构形式和焊接接头内在质量后确定焊接接头系数。如进行局部抽查合格按局部探伤选焊接接头系数，如进行100探伤合格，可按100探伤选取焊接接头系数。对远离焊接接头母材的局部腐蚀，用最小实测壁厚验算母材应力水平时，焊接接头系数可取1。三、例题必须会进行
11、强度校核,压力容器强度校核压力试验应力校核,（3）夹套容器对于带夹套的容器，应在图样上分别注明内筒和夹套的试验压力。当内筒设计压力为正值时，按内压确定试验压力。当内筒设计压力为负值时，按外压进行液压试验。在内筒液压试验合格后，再焊接夹套。并对夹套进行压力试验，在确定了试验压力后，必须校核内筒在该试验外压力作用下的稳定性。如果不能满足稳定要求，则应规定在作夹套的液压试验时，必须同时在内筒保持一定压力，以使整个试验过程（包括升压、保压和卸压）中的任一时间内，夹套和内筒的压力差不超过设计压差。图样上应注明这一要求，以及试验压力和允许压差。（4）对立式容器卧置进行液压试验时，试验压力应为立置时的试验压
12、力加液柱静压力。,压力容器强度校核压力试验应力校核,压力容器强度校核压力试验应力校核,压力容器强度校核压力试验应力校核,压力容器结构概述,压力容器一般是由筒体（又称壳体）、封头（又称端盖）、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。它们统称为过程设备零部件，这些零部件大都有标准。其典型过程设备有换热器、反应器、塔式容器、储存容器等。压力容器的结构形状主要有圆筒形、球形、和组合形。圆筒形容器是由圆柱形筒体和各种成型封头（半球形、椭圆形、碟形、锥形）所组成。球形容器由数块球瓣板拼焊成。承压能力很好，但由于安置内件不便和制造稍难，故一般用作贮罐。压力容器的筒体、封头（端盖）、人孔盖、人孔法兰
13、、人孔接管、膨胀节、开孔补强圈、设备法兰；球罐的球壳板；换热器的管板和换热管；M36以上的主螺栓及公称直径大于250mm的接管和管法兰均作为主要受压元件。,压力容器结构概述典型结构,压力容器结构概述典型结构,压力容器结构概述典型结构,压力容器结构概述典型结构,压力容器结构概述典型结构,压力容器结构概述典型结构,压力容器结构概述零部件,1.筒体圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件方便、而且承压能力较好，因此应用最广。圆筒形容器又可以分为立式容器和卧式容器。由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题，而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定的，所以不但管子有公称直径，
14、筒体也制定了公称直径系列。对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直径，其系列尺寸有300、400、500、600等，如果筒体是用无缝钢管制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。,压力容器结构概述零部件,2.封头（1）球形封头壁厚最薄，用材比较节省。但封头深度大、制造比较困难。（2）椭圆形封头椭圆形封头纵剖面的曲线部分是半个椭圆形，直边段高度为h，因此椭圆形封头是由半个椭球和一个高度为h的圆筒形筒节构成。椭圆壳体周边的周向应力为压应力，应保证不失稳。（3）碟形封头碟形封头是由三部分组成。第一部分是以半径为Ri的球面部分，第二部分是以半径为Di/2的圆筒形部分，第三部分是连接这两部分的过渡
15、区，其曲率半径为r,Ri与r均以内表面为基准。不连续过渡导致边缘应力。,压力容器结构概述零部件,（4）球冠形封头球冠形封头可用作端封头，也可以用作容器中两独立受压室的中间封头，由于封头为一球面且无过渡区，在连接边缘有较大边缘应力，要求封头与筒体联接处的T形接头采用全焊透结构。（5）锥形封头锥形封头有无折边锥形封头和折边锥形封头。（6）平盖弯曲应力较大，在等厚度、同直径条件下，平板内产生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜应力的2030倍。但结构简单，制造方便。,压力容器结构概述零部件,3.支座支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位置。支座一般分为立式容器支座、卧式容器支座。立式容器支座分为耳式支座、支
16、承式支座、腿式支座和裙式支座。卧式容器多使用鞍式支座。4.法兰法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。法兰分类主要有以下方法：（1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。（2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。（3）按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。5.人孔与手孔,压力容器结构概述开孔与补强,1为何要进行开孔补强通常所用的压力容器，由于各种工艺和结构的要求，需要在容器上开孔和安装接管，由于开孔去掉了部分承压金属，不但会削弱容器的器壁的强度，而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较高的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到基本薄膜应力的3倍，甚至5-6倍。再加上开孔接管处有时还会受到各种外载荷、温度等影响，并且由于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不便等原因的综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。主要表现不疲劳破坏和脆性裂纹，所以必须进行开孔补强设计。2压力容器为何有时可允许不另行补强压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素：容器在设计制造中，由于用户要求
