壓力容器分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、壓力容器規(guī)則設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì) 1、規(guī)則設(shè)計(jì) 2、分析設(shè)計(jì) 3、規(guī)則設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì)的比較 1、規(guī)則設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 彈性失效準(zhǔn)則容器只有完全處于彈性狀態(tài)時(shí)才是 安全的，一旦結(jié)構(gòu)內(nèi)某點(diǎn)計(jì)算的最大應(yīng)力進(jìn)入塑性范圍，即 達(dá)到或超過(guò)材料的屈服極限，就認(rèn)為整個(gè)容器失效。 依據(jù)：靜載構(gòu)件、平均應(yīng)力 1、規(guī)則設(shè)計(jì) 缺點(diǎn)與局限性缺點(diǎn)與局限性 由于不考慮可變載荷對(duì)容器各個(gè)部位引起不同的應(yīng)力與變 形，故無(wú)法進(jìn)行疲勞分析和預(yù)計(jì)壽命，亦不能推測(cè)失效起 源于何處。 彈性失效并不表明容器的承載能力已經(jīng)耗盡。不同性質(zhì)的 應(yīng)力取同一應(yīng)力評(píng)定判據(jù)是不合理的，這對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu) 的大型容器很不經(jīng)濟(jì)。而有效利用結(jié)構(gòu)的塑性行為已被證

2、 明是可行的。 取較高的安全系數(shù)無(wú)疑掩蓋了失效的實(shí)質(zhì)。其結(jié)果增加了 材料消耗和制造成本，而對(duì)容器安全有時(shí)適得其反。 2、分析設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 塑性失效準(zhǔn)則只有當(dāng)結(jié)構(gòu)沿厚度方向全部屈服時(shí)， 結(jié)構(gòu)才失效。 疲勞失效準(zhǔn)則一定許循環(huán)應(yīng)力幅作用下的構(gòu)件，只 有其循環(huán)次數(shù)超過(guò)允許的最大循環(huán)次數(shù)后，才會(huì)發(fā)生疲 勞破壞。 考慮了超出彈性范圍以后結(jié)構(gòu)的塑性行為，放棄傳統(tǒng)的彈性 失效準(zhǔn)則。引入極限分析與安定分析概念，采用塑性失效設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則。 應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的容器整 體，包括任何不連續(xù)區(qū)域都可以做詳細(xì)的彈性應(yīng)力分析與計(jì)算。 按不同性質(zhì)的應(yīng)力分類和失效形式給予不同的限制條件。機(jī) 械

3、應(yīng)力以極限載荷為界限；不連續(xù)應(yīng)力或熱應(yīng)力以安定載荷為 界限。當(dāng)反復(fù)受載需作疲勞分析時(shí)以疲勞試驗(yàn)應(yīng)力幅為界限。 引用虛擬應(yīng)力概念可以方便地對(duì)高應(yīng)變區(qū)作彈性分析。 2、分析設(shè)計(jì) 先進(jìn)性先進(jìn)性 比較項(xiàng)目按規(guī)則設(shè)計(jì)按分析設(shè)計(jì) 1規(guī)范名稱GB150-1998鋼制壓力 容器 JB4732-95鋼制壓力容器-分析 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 2規(guī)范歷史 （第一版或 前身 出版年代） 1989年1994年 3設(shè)計(jì)壓力 （最高） 35MPa100MPa 4設(shè)計(jì)溫度材料的許用溫度 （可高于材料蠕變溫度） 材料的蠕變溫度以下 5不適用工況反復(fù)受載疲勞分析高溫蠕變 6設(shè)計(jì)準(zhǔn)則彈性失效準(zhǔn)則塑性失效準(zhǔn)則；疲勞失效準(zhǔn)則 7采用強(qiáng)度理論最大主

4、應(yīng)力理論最大切應(yīng)力理論 8應(yīng)力分類不分類按應(yīng)力性質(zhì)不同分類 3. 規(guī)則設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)的比較 9應(yīng)力分析方法材料力學(xué)，板殼力學(xué)彈性有限元法，彈性理論和板橋理 論解析法，試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試法 10計(jì)算復(fù)雜性以膜應(yīng)力為基礎(chǔ)計(jì)算， 簡(jiǎn)單 各種應(yīng)力均需全面計(jì)算，復(fù)雜 11對(duì)熱應(yīng)力的考慮通常與機(jī)械應(yīng)力迭加作為二次應(yīng)力 12應(yīng)力評(píng)定判據(jù)取相同判據(jù)按應(yīng)力分類取不同判據(jù) 13基本安全系數(shù) （最?。?nb=3,ns=1.6nb=2.6,ns=1.5 14材料控制（以鋼 板為例） 符合壓力容器常規(guī)要求比前者要求嚴(yán)格 許用應(yīng)力分類GB150-98,約27種JB4732-95,約27種 15制造與檢驗(yàn)按壓力容器常規(guī)要求比前者

5、要求嚴(yán)格 制造資格要有壓力容器制造許可 證 必須有相應(yīng)的許可證，例如第三類 壓力容器許可證 16綜合經(jīng)濟(jì)性一般結(jié)構(gòu)的容器綜合經(jīng) 濟(jì)性好 大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的容器綜合經(jīng)濟(jì)性 好（用戶需提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)任務(wù)書） 關(guān)于材料的要求（鋼板） 比較項(xiàng)目GB150-98JB4732-95 1采用的鋼板標(biāo)準(zhǔn)GBYB(T),冶金部推薦，技術(shù)要 求較高；GB 鋼板常溫強(qiáng)度指標(biāo)高合金鋼板 無(wú)有 2鋼板超聲波監(jiān)測(cè)條件與合 格級(jí)別(逐張) 包扎容器內(nèi)筒鋼板 級(jí) 地合金鋼板，25mm 級(jí) 16MnR, 30mm 級(jí) 20R, 38mm 級(jí) 包扎容器內(nèi)筒鋼板 級(jí) 調(diào)質(zhì)鋼板 級(jí) 不分材料，20mm 級(jí) 3拉伸和沖擊試驗(yàn)（逐張）調(diào)質(zhì)

6、鋼板 包扎容器內(nèi)筒鋼板 調(diào)質(zhì)鋼板 包扎容器內(nèi)筒鋼板 厚度50mm 4最高使用溫度(舉例)20R,16MnR 475 15CrMoR 550 0Cr19Ni9 700 20R,16MnR 375 15CrMoR 475 0Cr19Ni9 425 使用溫度下限-200(低于0或10做沖 擊試驗(yàn)） 低溫用鋼板最 低使用溫度 （最低沖擊試 驗(yàn)溫度） 16MnR正火，6-25mm, -20 16MnDR正火，6-32mm, -40 09Mn2VDR正火,6-32mm,-70 06MnNbDR正火,6-16mm,-90 16MnR正火，6-100mm -20 16MnDR正火，6-32mm, -40 09

7、Mn2VDR正火,6-20mm,-50 09MnNiDR正火,6-60mm,-70 5鋼板的韌性要 求(以沖擊功Akv 表示) 20R 18J 16MnR,15MnVR 20J 15MnVNR,18MnMoNbR, 18MnNiMoNbR 27J b 450MPa 20J 450-515MPa 24J 515-590MPa 27J 590-650MPa 31J 6可否使用非壓 力容器用鋼板 p 1.0MPa, t=0-350 16mm,可用A3或阿AY3 不可 7可否使用沸騰 鋼板 p 0.6MPa, t=0-250 12mm,可用A3F或AY3F 不可 比較項(xiàng)目GB150-98JB4732-

8、95 1使用范圍單層壓力容器 多層包扎壓力容器 熱套壓力容器 單層壓力容器 多層包扎壓力容器 熱套壓力容器 鍛焊壓力容器 2制造用材料應(yīng) 有確認(rèn)標(biāo)記 不明確明確 并對(duì)使用硬印標(biāo)記有限制 3封頭的形狀偏 差(封頭內(nèi)徑為 Df) 檢查用樣板弦長(zhǎng)不小于 3/4Df 封頭深度不大于45%Df,檢查樣板弦長(zhǎng)等于Df 封頭深度大于45%Df,一律按外壓封頭從嚴(yán)要求 封頭直邊縱向皺折深度不大于1.5mm 4焊縫對(duì)口錯(cuò)邊 量 不考慮材料因素，按焊 縫類別和厚度規(guī)定允許 錯(cuò)邊量。例如縱向焊縫， 厚度50mm,錯(cuò)邊量允許 3mm 增加考慮材料因素，且允許錯(cuò)邊量從嚴(yán)，例如 b540MPa,條件與GB150相同，允許

9、錯(cuò)邊量 2.4mm 5兩板厚度不等， 需要減薄的條 件(薄板厚度為 2) 2 10mm，厚度差3mm; 2 10mm，厚度差 30%2;或5mm 不分板厚，厚度差25%2 ,或3mm 制造和檢驗(yàn)的要求 6殼體直線度允 差 長(zhǎng)度 L20mm,允差2/1000; 20mmL30mm,允差1/1000 不分長(zhǎng)短檔次，允差1/1000 7接管底部要求沒有規(guī)定內(nèi)表面轉(zhuǎn)角半徑r1/4殼厚， 且不大于20mm 對(duì)于插入接管， r1/4管厚， 且不大于10mm 8對(duì)焊縫的接頭 余高 按施焊方法與焊縫深規(guī)定 余高。例如手工焊， 25mm50mm,余高0-4mm 考慮材料因素與焊縫深度規(guī) 定余高，例b540MPa

10、, 25mm50mm,余高3mm 9焊接接頭表面 不應(yīng)有的缺陷 裂紋、氣孔、弧坑、夾渣； 除規(guī)定材料不得咬邊外，其 他咬邊深0.5mm，長(zhǎng) 100mm，兩側(cè)咬邊總廠度 不得超過(guò)焊縫長(zhǎng)度的10% 裂紋、氣孔、咬邊、弧坑、夾 渣 10焊接引弧要求不做具體規(guī)定禁止在非焊接部位引弧 11焊后熱處理規(guī)定需要進(jìn)行熱處理的材料厚度， 不規(guī)定熱處理方法 需要進(jìn)行熱處理的材料厚度 同GB150,但明確規(guī)定焊后熱 處理方法，包括進(jìn)出爐最高 爐溫，升降溫速度和爐溫均 勻性的要求 12焊接試板規(guī)定有條件的每臺(tái)容器應(yīng)制備焊 接試板，例如厚度20mm的 15MnVR容器，或b540MPa鋼制容器 等 每臺(tái)容器至少制備一塊

11、焊接 試板 13焊縫探傷要求規(guī)定以外的對(duì)接焊縫，允許局部 探傷，檢查長(zhǎng)度20%，且不少于 250mm 合格級(jí)別； 100%射線探傷、級(jí)， 超聲波探傷，級(jí)；局部射線探傷， 級(jí)，超聲波探傷， 級(jí) 對(duì)接焊縫與厚度65mm的角焊 接頭，應(yīng)進(jìn)行100%射線或超聲波 探傷。合格級(jí)別：射線探傷， 級(jí)； 超聲波探傷，級(jí) 14焊縫探傷人員 資格 勞動(dòng)部門頒發(fā)的資格證書勞動(dòng)部門頒發(fā)的級(jí)探傷或 級(jí)超聲波探傷資格證書 15焊接工藝規(guī)程， 施焊與熱處理 記錄等保存期 7年10年 應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法概要 一、應(yīng)力性質(zhì) 1.薄壁容器 2.厚壁容器 3.平板端蓋 4.殼體不連續(xù)區(qū) 5.容器支座區(qū) 6.容器接管區(qū) 7.容器熱應(yīng)力

12、 一、應(yīng)力性質(zhì) 1.薄壁容器 )2( 2 2 1 22 2 r r T pr T pr 應(yīng)力特點(diǎn)： 沿壁厚均布； 平衡外載，無(wú)自限性； 外壓時(shí)為壓應(yīng)力，需 考慮失穩(wěn)。 一、應(yīng)力性質(zhì) 2.厚壁容器 i z r R R K K p r R K p r R K p 0 2 2 2 0 2 2 2 0 2 1 )1 ( 1 )1 ( 1 一、應(yīng)力性質(zhì) 2.厚壁容器 為了分析應(yīng)力的性質(zhì)，將非線性分布的應(yīng)力視為均 勻分布、線性分布和非線性分布的三部分的疊加。 RiR0 mf b b 按合 力等 效原 則確 定 按凈 彎矩 等效 原則 確定 合力等效原則均布部分 一、應(yīng)力性質(zhì) 2. 厚壁容器 00 R R

13、R R m ii drdr 1 )1 ( 1 10 2 2 0 222 0 K p dr r R K p RR R R i m i 凈彎矩等效原則線性部分 00 )( R R m R R ii rdrrdr ) 2 1( 1 i b R r K K )ln 1 2 1 ( ) 1( 3 22 K K K K pK b 非線性部分 mf 應(yīng)力的特點(diǎn)： 均勻分布的應(yīng)力與薄壁容器中的薄膜應(yīng)力具有相同的性質(zhì)， 來(lái)源于與內(nèi)壓力的平衡，遍及整個(gè)筒體，無(wú)自限性。 應(yīng)力梯度實(shí)際上是由筒體內(nèi)外各處變形不同引起的。源于 變形協(xié)調(diào)，具有自限性。 非線性分布應(yīng)力為應(yīng)力梯度中的非線性部分。具有自限性， 只出現(xiàn)在局部小范

14、圍。 一、應(yīng)力性質(zhì) 2. 厚壁容器 一、應(yīng)力性質(zhì) 3、平板端蓋 環(huán)向應(yīng)力 徑向應(yīng)力 應(yīng)力主要特點(diǎn)： 應(yīng)力沿板厚線性分布，最大值在板表面，中間面應(yīng)力 為零； 與外載荷相平衡，無(wú)自限性，隨半徑r不同而變化; 板的上下表面首先屈服，之后應(yīng)力沿板厚重新分布。 22 2 9 . 13 . 1 8 3 rR T p 22 2 3 . 33 . 1 8 3 rR T p r 一、應(yīng)力性質(zhì) 4、殼體不連續(xù)區(qū) 容器上不連續(xù)區(qū)的應(yīng)力可以由薄膜 應(yīng)力與邊緣應(yīng)力疊加得出： 經(jīng)向應(yīng)力 周向應(yīng)力 邊緣應(yīng)力需由殼體邊緣的連續(xù)條 件解出邊緣剪力和邊緣彎矩，然后按 殼體的力矩理論得出。 圓筒形殼體邊緣應(yīng)力的形式為 o * o

15、* 2 , 2 , 6 6 T M T N T M T N oooo oooo MPMP o MP x MP x o x o 2、分析設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 塑性失效準(zhǔn)則只有當(dāng)結(jié)構(gòu)沿厚度方向全部屈服時(shí)， 結(jié)構(gòu)才失效。 疲勞失效準(zhǔn)則一定許循環(huán)應(yīng)力幅作用下的構(gòu)件，只 有其循環(huán)次數(shù)超過(guò)允許的最大循環(huán)次數(shù)后，才會(huì)發(fā)生疲 勞破壞。 低溫用鋼板最 低使用溫度 （最低沖擊試 驗(yàn)溫度） 16MnR正火，6-25mm, -20 16MnDR正火，6-32mm, -40 09Mn2VDR正火,6-32mm,-70 06MnNbDR正火,6-16mm,-90 16MnR正火，6-100mm -20 16MnDR正火

16、，6-32mm, -40 09Mn2VDR正火,6-20mm,-50 09MnNiDR正火,6-60mm,-70 5鋼板的韌性要 求(以沖擊功Akv 表示) 20R 18J 16MnR,15MnVR 20J 15MnVNR,18MnMoNbR, 18MnNiMoNbR 27J b 450MPa 20J 450-515MPa 24J 515-590MPa 27J 590-650MPa 31J 6可否使用非壓 力容器用鋼板 p 1.0MPa, t=0-350 16mm,可用A3或阿AY3 不可 7可否使用沸騰 鋼板 p 0.6MPa, t=0-250 12mm,可用A3F或AY3F 不可 應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法概要 一、應(yīng)力性質(zhì) 1.薄壁容器 2.厚壁容器 3.平板端蓋 4.殼體不連續(xù)區(qū) 5.容器支座區(qū) 6.容器接管區(qū) 7.容器熱應(yīng)力 一、應(yīng)力性質(zhì) 2.厚壁容器 i z r R R K K p r R K p r R K p 0 2 2 2 0 2 2 2 0 2 1 )1 ( 1 )1 ( 1 一、應(yīng)力性質(zhì) 3、平板端蓋 環(huán)向應(yīng)力 徑向應(yīng)力 應(yīng)力主要特點(diǎn)： 應(yīng)力沿板厚線性分布，最大值在板表面，中間面應(yīng)力 為零； 與外載荷相平衡，無(wú)自限性，隨半徑r不同而