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1、第三章 压力容器总体设计问题,潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院,第三章 压力容器总体设计问题,2,第一节 总体设计问题概述 第二节 开孔及补强设计 第三节 卧式容器支座设计 第四节 局部应力计算 第五节 容器设计中的结构设计问题,第三章 压力容器总体设计问题,第三章 压力容器总体设计问题,3,一、总体结构分析及局部应力问题二、容器设计中的结构设计问题,第三章 压力容器总体设计问题 第一节 总体设计问题概述,第三章 压力容器总体设计问题,4,第一节 总体设计问题概述 一、总体结构分析及局部应力问题,化工容器可以分为许多基本部件，卧式容器分解部件的情况如图所示。除支座以外的各种部件都是承受压力
2、载荷的部件，可称为基本受压部件，而不受压力载荷的部件（如支座）则称为非受压部件。,第三章 压力容器总体设计问题,5,当将各个部件组合成容器整体时，会碰到一系列问题： 1、如封头与筒体的连接，由于总体结构几何不连续的存在将会产生不连续应力。 2、容器接管开孔及与容器圆筒体的连接破坏了容器筒体内薄膜应力分布的连续性，会产生不连续应力和应力集中。 3、容器将受到各种各样的局部（机械）载荷作用，这些载荷不同于压力载荷，将在容器壳体上产生叠加在内压薄膜应力之上的局部应力。局部应力的求解方法比较复杂，至今也没有统一的方法。,第一节 总体设计问题概述 一、总体结构分析及局部应力问题,第三章 压力容器总体设计
3、问题,6,1.局部应力：常常是叠加在由压力引起的薄膜应力之上的应力，多数是局部弯曲应力（也有沿壁厚均匀分布的薄膜应力），局部应力有时会达到很高的数值，而且一般不具备轴对称性，局部应力过高可能会导致结果出现局部的过度变形而使结构发生弹塑性失效。由于局部应力的作用范围有限，一般应作局部强度校核来确定是否需要局部加强及如何加强。,第一节 总体设计问题概述 二、容器设计中的结构设计问题,第三章 压力容器总体设计问题,7,2.总体结构几何不连续而产生的不连续应力不连续应力有局部性和自限性，只要在结构上有妥善考虑，一般对强度不会有严重威胁。因而相关壳体的强度设计只考虑薄膜应力而不考虑不连续应力。必要时，也
4、应加以考虑，例如凸形封头设计中的形状系数，其中就包含了对不连续应力影响的考虑。一般来说，结构不连续应力虽然总是存在的，由于对容器的安全不会有很大影响，在结构的部件强度计算和结构设计中给与足够的考虑即可。所以常规的容器设计方法中就可避免进行不连续应力的繁复计算。从而使常规设计方便而又保证安全。,第一节 总体设计问题概述 二、容器设计中的结构设计问题,第三章 压力容器总体设计问题,8,3. 应力集中应力集中常常发生在容器上有过渡圆角的地方，分布范围很小，常规设计中不予计算，只是在疲劳设计时才予考虑，至于容器接管根部，既存在过渡圆角的应力集中，也存在开孔削弱等问题，比较复杂。 局部应力的求解方法比较
5、复杂，也没有统一的方法。只能按具体对象分别求解，有时甚至无法求解，只能按实验测定或数值计算方法求出。,第一节 总体设计问题概述 二、容器设计中的结构设计问题,第三章 压力容器总体设计问题,9,第一节 总体设计问题概述 二、容器设计中的结构设计问题,本章要讨论的容器设计问题主要涉及两大类结构问题：1、如何从强度上合理进行结构设计的问题。 2、如何进行焊接结构设计的问题。,第三章 压力容器总体设计问题,10,1、如何从强度上合理进行结构设计的问题从强度上考虑主要是设计时如何使结构的不连续应力、局部应力及应力集中尽可能的减小，或者如何进行合理的局部补强，还涉及到结构的工艺性问题。实际上在作部件设计时
6、已经涉及到结构设计问题， 例如封头设计和法兰设计本身都有许多结构设计问题。本章主要从部件组成容器整体时所需考虑的一些结构问题进行分析。,第一节 总体设计问题概述 二、容器设计中的结构设计问题,第三章 压力容器总体设计问题,11,2、如何进行焊接结构设计的问题容器的各个部件进行组装时都需要经过焊接，对焊接进行质量控制是整个容器质量保证体系中最重要的一环，作为容器设计环节必须对容器各个部分焊接接头的结构进行合理的设计，这就是焊接结构设计问题。化工受压容器对焊接质量的要求是所有焊接设备中要求最高的一种。焊接接头的结构涉及到接头的形式及接头的坡口形式、几何尺寸等等。,第一节 总体设计问题概述 二、容器
7、设计中的结构设计问题,第三章 压力容器总体设计问题,12,一、开孔应力集中及应力集中系数 二、开孔补强设计的要求 三、等面积补强计算,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,第三章 压力容器总体设计问题,13,容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响:(1) 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。(2) 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。(3) 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,第三章 压力容器总
8、体设计问题,14,常用应力集中系数Kt来描述开孔接管处的力学特性。 若未开孔时的名义应力为，开孔后按弹性方法计 算出的最大应力为max，则弹性应力集中系数为压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： 研究开孔应力集中程度，估算Kt值； 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,第三章 压力容器总体设计问题,15,1.平板开小孔的应力集中平板开孔的最大应力在孔边 处 孔边沿r=a处：,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,第三章 压力容器总体设计问题,16,(一)开孔的应力集中1.平板开小孔的应力集中,第二节 开孔
9、及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,应力集中系数：,p101, (3-2),第三章 压力容器总体设计问题,17,2.薄壁球壳开小圆孔的应力集中,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,第三章 压力容器总体设计问题,18,3.薄壁圆柱开小圆孔的应力集中孔边处r=a，,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,最大应力在孔边，应力集中最严重。孔边应力集中有局部性，衰减较快。,第三章 压力容器总体设计问题,19,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,上述内容仅涉及开孔，若开孔处有接管相连时，开孔处因壳体与接管之间在内压作用下发生变形协调而导致不
10、连续应力出现。,第三章 压力容器总体设计问题,20,(二)开孔并带有接管时的应力集中这种情况下的应力为局部应力，并很快衰减。最大应力是球壳开孔边外侧的环向应力，应力集中系数在2以上。圆柱壳开孔后与接管之间的变形协调及附加弯曲应力也有同样的性质，但由于理论分析的复杂性，未必能得到满意的理论解，有时还的借助试验测定或有限元等数值解的方法求的结果。,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,第三章 压力容器总体设计问题,21,(三) 应力集中系数的计算,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,应力指数法是美国压力容器研究委员会(PVRC)以大量实验分析为依据的一种简易的
11、计算壳体(包括封头)和接管连接处最大应力的简易方法，现已列入ASME-、ASME-2和JISB 8250等规范中。中国压力容器的分析设计标准(JB 473295)附录C中也列入此法。,接管处的三向应力如图36所示，是所考虑截面上的经向应力st、径向应力sr、法向应力sn。应力指数I(也有用K)是指所考虑的各应力分量与容器在无开孔接管时的周向计算薄膜应力之比，其含义实际上类同于前述的应力集中系数。,第三章 压力容器总体设计问题,22,(三) 应力集中系数的计算,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,对于球壳和成型封头：,该法仅适用于单个开孔接管，且DitnlOO，diDi0.5
12、，此外接管根部的内外侧均需按规范给出足够的过渡圆角及加强高度尺寸。应力指数法也仅考虑受内压载荷时的应力集中。,对于圆柱壳：,第三章 压力容器总体设计问题,23,(三) 应力集中系数的计算,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,应力指数与应力集中系数Kt的区别：,应力指数 I 是指所考虑点(可以是一个或数个点)的应力分量(s、 st 、sr)与容器无开孔接管时的周向计算薄膜应力之比。 应力集中系数Kt主要指结构某一局部区域具有最大应力分量的点(只有一个点)的最大应力分量与无应力集中时的计算应力(对容器来说也是无开孔接管时的周向计算薄膜应力)之比。 因此Kt更具有代表结构特性的含
13、义，一个局部区域只有一个Kt值。Kt的大小可以衡量结构应力集中的优劣。 结构的应力指数 I 可以有多个(如拐角的内侧、外侧、不同方向)，而且不一定是最大的(第六章疲劳设计中还论述此问题)。,第三章 压力容器总体设计问题,24,(三)应力集中系数的计算,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,2.球壳开孔接管处应力集中系数曲线,为便于设计、对不同直径的和不同厚度的壳，带有不同直径与厚度的接管，按理论计算得到的应力集中系数综合绘制成一组组曲线。 图3-7为球壳带平齐式接管在内压作用下的应力集中系数图。,第三章 压力容器总体设计问题,25,(三)应力集中系数的计算,第二节 开孔及补强
14、设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,2.球壳开孔接管处应力集中系数曲线,图38为内伸式接管的图图中采用了与应力集中系数相关的两个无因次的结构几何参数，也是通过理论分析得出的两个几何相似准数。其一是开孔系数 ：,第三章 压力容器总体设计问题,26,(三)应力集中系数的计算,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,2.球壳开孔接管处应力集中系数曲线,另一个无因次量为t /T,由图可知，当 越大，即开孔直径越大时应力集中系数越高。相反，减小孔径，增大壳壁厚度均可降低应力集中系数。,另外，内伸式接管的应力集中系数较低，尤其是内伸接管壁厚较厚时能有效地降低应力集中。,第三章 压力容器总
15、体设计问题,27,(三)应力集中系数的计算,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,2.球壳开孔接管处应力集中系数曲线,上述应力集中系数曲线有一定的适用条件。当 过小或过大时上述曲线均会有较大的误差，因此第一个适用条件为：,其次，当壳壁过厚，即RmT 过小时，应力沿壁厚分布的不均匀性增大，应力集中系数将明显比图示值减小，但RmT 过大时，即极薄容器的情况，因不连续效应施加给壳体的附加弯曲效应更为明显，使Kt值明显过大，使实际的应力集中系数比曲线偏大：因此第二个限制条件为：,第三章 压力容器总体设计问题,28,2.球壳开孔接管处应力集中系数曲线,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应
16、力集中及应力集中系数,上述图线也可推广到球壳局部补强的情况。如图3-9所示，此时将开孔系数 中的厚度T 改为T 即可。这是因为开孔接管处的应力集中有局部性，超过一定范围后T 变为T 时，对应力集中系数也没有什么影响了。严格地讲应将补强部分的厚度T 视为整体壁厚。,第三章 压力容器总体设计问题,29,3.椭圆形封头开孔的应力集中系数,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,椭圆形封头中心区开孔接管处的应力集中系数也可以近似地采用上述球壳开孔接管的曲线，只要将椭圆中心处的曲率半径折算为球的半径即可：,第三章 压力容器总体设计问题,30,4.圆筒开孔接管及其他情况的应力集中系数圆筒上的开孔接管应力集中系数可采用上述球壳开孔接管的曲线近似的用于圆筒上，也有一些经验曲线可使用。 当球壳或圆筒上的接管上作用有轴向力、剪力或弯矩，可先求出各自的最大应力，再进行代数叠加而得到。,第二节 开孔及补强设计 一、开孔应力集中及应力集中系数,第三章 压力容器总体设计问题,
