壓力容器的強(qiáng)度計算

1、-. z.第11章壓力容器的強(qiáng)度計算本章重點要講解容：1理解壓容器設(shè)計時主要設(shè)計參數(shù)容器徑、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、許用應(yīng)力、焊縫系數(shù)等的意義及其確定原則；2掌握五種厚度計算壁厚、設(shè)計壁厚、名義壁厚、有效壁厚、最小壁厚的概念、相互關(guān)系以及計算方法；能熟練地確定腐蝕裕度和鋼板負(fù)偏差；3掌握壓圓筒的厚度設(shè)計；4掌握橢圓封頭、錐形封頭、半球形封頭以及平板封頭厚度的計算。5熟悉壓容器強(qiáng)度校核的思路和過程。第一節(jié)設(shè)計參數(shù)確實定1、我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與適用圍我國現(xiàn)執(zhí)行GB15098 鋼制壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為規(guī)則設(shè)計，采用彈性失效準(zhǔn)則和穩(wěn)定失效準(zhǔn)則，應(yīng)用解析法進(jìn)展應(yīng)力計算，比擬簡便。4732-1995鋼制壓

2、力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其允許采用高的設(shè)計強(qiáng)度，一樣設(shè)計條件下，厚度可以相應(yīng)地減少，重量減輕。其采用塑性失效準(zhǔn)則、失穩(wěn)失效準(zhǔn)則和疲勞失效準(zhǔn)則，計算比擬復(fù)雜，和美國的ASME標(biāo)準(zhǔn)思路相似。2、容器直徑diameter of vessel考慮壓制封頭胎具的規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)件配套選用的需要，容器筒體和封頭的直徑都有規(guī)定。對于用鋼板卷制的筒體，以徑作為其公稱直徑。表1 壓力容器的公稱直徑mm如果筒體是使用無縫鋼管直接截取的，規(guī)定使用鋼管的外徑作為筒體的公稱直徑。表2 無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑mm3、設(shè)計壓力design pressure1相關(guān)的根本概念除了特殊注明的，壓力均指表壓力工作壓力PW：在正常的

3、工作情況下，容器頂部可能到達(dá)的最高壓力。 = 1 * GB3 由于最大工作壓力是容器頂部的壓力，所以對于塔類直立容器，直立進(jìn)展水壓試驗的壓力和臥置時不同； = 2 * GB3 工作壓力是根據(jù)工藝條件決定的，容器頂部的壓力和底部可能不同，許多塔器頂部的壓力并不是其實際最高工作壓力the ma*imum allowable working pressure。 = 3 * GB3 標(biāo)準(zhǔn)中的最大工作壓力，最高工作壓力和工作壓力概念一樣。設(shè)計壓力指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工作壓力。 = 1 * GB3 對最大工作壓力小于0.1Mpa 的壓容器，設(shè)計壓力取

4、為0.1Mpa； = 2 * GB3 當(dāng)容器上裝有超壓泄放裝置時，應(yīng)按超壓泄放裝置的計算方法規(guī)定。 = 3 * GB3 對于盛裝液化氣體的裝置，在規(guī)定的充滿系數(shù)圍，設(shè)計壓力由工作條件下，可能到達(dá)的最高金屬溫度確定。詳細(xì)容，參考GB150-1998，附錄B標(biāo)準(zhǔn)的附錄，超壓泄放裝置。計算壓力PC是GB150-1998 新增加的容，是指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力，當(dāng)靜壓力值小于5的設(shè)計壓力時，可略去靜壓力。 = 1 * GB3 注意與GB150-1989 對設(shè)計壓力規(guī)定的區(qū)別；鋼制壓力容器規(guī)定設(shè)計壓力是指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定容器殼壁計算厚度的壓力，亦是標(biāo)注在銘

5、牌上的設(shè)計壓力，取略高或等于最高工作壓力。當(dāng)容器受靜壓力值大于5設(shè)計壓力時，應(yīng)取設(shè)計壓力與液柱靜壓力之和進(jìn)展元件的厚度計算。使許多設(shè)計人員誤將設(shè)計壓力和液柱靜壓力之和作為容器的設(shè)計壓力。 = 2 * GB3 一臺設(shè)備的設(shè)計壓力只有一個，但受壓元件的計算壓力在不同部位可能有所變化。 = 3 * GB3 計算壓力在壓力容器總圖的技術(shù)特性中不出現(xiàn)，只在計算書中出現(xiàn)。4、設(shè)計溫度Design temperature設(shè)計溫度是指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，設(shè)定的受壓元件的金屬溫度。主要用于確定受壓元件的材料選用、強(qiáng)度計算中材料的力學(xué)性能和許用應(yīng)力，以及熱應(yīng)力計算時設(shè)計到的材料物理性能參數(shù)。

6、設(shè)計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能到達(dá)的最高溫度；當(dāng)設(shè)計溫度在0以下時，不得高于元件金屬可能到達(dá)的最低溫度；當(dāng)容器在各局部工作狀態(tài)下有不同溫度時，可分別設(shè)定每一局部的設(shè)計溫度；5、許用應(yīng)力(Ma*imum allowable stress values)許用應(yīng)力是以材料的極限應(yīng)力除以適當(dāng)?shù)钠桨蚕禂?shù)，在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力的大小，直接決定容器的強(qiáng)度，GB150-1998 對鋼板、鍛件、緊固件均規(guī)定了材料的許用應(yīng)力。表3 鋼制壓力容器中使用的鋼材平安系數(shù)6、焊接接頭系數(shù)Joint efficiency的影響1焊接接頭的影響焊接接頭是容器上比擬薄弱的環(huán)節(jié)，較多事故的發(fā)生是由于焊接接頭金屬局部焊接

7、影響區(qū)的破裂。一般情況下，焊接接頭金屬的強(qiáng)度和根本金屬強(qiáng)度相等，甚至超過根本金屬強(qiáng)度。但由于焊接接頭熱影響區(qū)有熱應(yīng)力存在，焊接接頭金屬晶粒粗大，以及焊接接頭中心出現(xiàn)氣孔和未焊透缺陷，仍會影響焊接接頭強(qiáng)度，因而必須采用焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)，以補償焊接時可能產(chǎn)生的強(qiáng)度消弱。焊接接頭系數(shù)的大小取決于焊接接頭型式、焊接工藝以及焊接接頭探傷檢驗的嚴(yán)格程度等。2焊接接頭系數(shù)的選?。河山宇^形式和無損探傷的長度確定雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接接頭： 100無損探傷，1.00；局部無損探傷，0.85；單面焊的對接接頭，沿焊接接頭根部全長具有緊貼根本金屬的墊板： 100無損探傷，1.00；局部無損探傷，0

8、.8；無法進(jìn)展探傷的單面焊環(huán)向?qū)雍缚p，無墊板：0.6；第二節(jié)壓容器筒體與封頭厚度的設(shè)計1、壓圓筒cylindrical shell的厚度設(shè)計1理論計算厚度required thickness GB150-1998 定義：按各章公式計算得到的厚度，為能平安承受計算壓力PC必要時尚需計入其他載荷。壓圓筒壁的根本應(yīng)力是薄膜應(yīng)力，由第三強(qiáng)度理論可知薄膜應(yīng)力的強(qiáng)度條件為：，1式中：-制造筒體鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；考慮到焊接接頭的影響，公式1中的許用應(yīng)力應(yīng)使用強(qiáng)度可能較低的焊接接頭金屬的許用應(yīng)力，即把鋼板的許用應(yīng)力乘以焊縫系數(shù)。，則有：式中D為中徑，當(dāng)壁厚沒有確定時，則中徑也是待定值，利用D=Di

9、+則有：2公式2一般被簡化為：32設(shè)計壁厚design thickness計算壁厚與腐蝕余量C2之和稱為設(shè)計壁厚?？梢詫⑵淅斫鉃橥瑫r滿足強(qiáng)度、剛度和使用壽命的最小厚度。4C2為腐蝕裕度根據(jù)介質(zhì)對選用材料腐蝕速度和設(shè)計使用壽命共同考慮。C2=k a， mm；k腐蝕速度corrosion rate，mm/a； a設(shè)計年限desired life time。對碳素鋼和低合金鋼，C2 1mm；對于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)腐蝕性能極微時，取C20。3名義厚度normal thickness設(shè)計厚度加上鋼板負(fù)偏差C1后向上圓整至剛剛標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在設(shè)計圖樣上的殼體厚度。5C1鋼板負(fù)偏差。任何名義厚度的鋼板出

10、廠時，都允許有一定的負(fù)偏差。鋼板和鋼管的負(fù)偏差按鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。當(dāng)鋼板負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6時，負(fù)偏差可忽略不計。表4 鋼板負(fù)偏差值鋼板厚度mm22.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5負(fù)偏差mm0.180.190.20.220.250.30.5鋼板厚度mm6782526303234364042505260負(fù)偏差mm0.60.80.91.01.11.21.3(4) 有效厚度名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負(fù)偏差，從性質(zhì)上可以理解為真正可以承受介質(zhì)壓強(qiáng)的厚度，成為有效厚度。數(shù)值上可以看作是計算厚度加上向上鋼材圓整量。6厚度系數(shù)：圓筒的有效厚度和計算厚度之

11、比稱為圓筒的厚度系數(shù)。5最小厚度為滿足制造、運輸及安裝時剛度要求，根據(jù)工程經(jīng)歷規(guī)定的不包括腐蝕裕量的最小壁厚。 eq oac(,1)碳素鋼和低合金鋼制造的容器，最小壁厚不小于3mm； eq oac(,2)高合金鋼制容器，如不銹鋼制造的容器，最小壁厚不小于2mm。當(dāng)筒體的計算厚度小于最小厚度，應(yīng)取最小厚度作為計算厚度，這時筒體的名義厚度可以分為兩種不同的情況分別計算。當(dāng)，當(dāng)時，必須考慮鋼板負(fù)偏差，表5 鋼板的常用厚度表表6 幾種厚度之間的相互關(guān)系2、壓球殼sphere的厚度設(shè)計球殼的任意點處的薄膜應(yīng)力均一樣，且，根據(jù)薄膜應(yīng)力第三強(qiáng)度條件：采用徑表示： (7)其他的厚度計算與筒體一樣。3、壓封頭的

12、厚度設(shè)計1半球形封頭hemispherical head半球形封頭的厚度采用球殼的壁厚設(shè)計公式進(jìn)展計算。圖1 半球形封頭示意圖圖2 橢圓形封頭示意圖2標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭ellipsoidal head如下圖，由半個橢球和一段高為h0的圓筒形筒節(jié)稱為直邊構(gòu)成，封頭曲面深度，直邊高度與封頭的公稱直徑有關(guān)。表7 封頭的直邊高度/封頭的公稱直徑DN20002000封頭的直邊高度h02540對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，最大的薄膜應(yīng)力位于橢球的頂部，大小和圓筒的環(huán)向應(yīng)力完全一樣，其厚度和圓筒形的計算一樣。但是和下面的GB150-1998 規(guī)定的不太一樣，主要是因為在簡化是產(chǎn)生的，影響不大。8K為橢圓封頭形狀系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)橢

13、圓封頭為K=1.0應(yīng)當(dāng)注意，承受壓時橢圓封頭的赤道處為環(huán)向壓縮應(yīng)力，為了防止失穩(wěn)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)橢圓的計算厚度不得小于封頭徑的0.15%。3碟形封頭又稱帶折邊球形封頭，有三局部組成，以Ri為半徑的球面殼體、半徑為r的圓弧為母線所構(gòu)成的環(huán)狀殼體折邊或過渡圓弧。球面半徑Ri一般不大于筒體直徑Di；折邊半徑r在任何情況下不得小于球面半徑的10%，其應(yīng)大于三倍的封頭厚度。圖3 碟形封頭碟形封頭厚度的計算公式：9式中：M碟形封頭形狀系數(shù)碟形封頭的厚度如果太薄，則會出現(xiàn)壓下的彈性失穩(wěn)，所以規(guī)定：；4球冠形封頭沒有折邊封頭的構(gòu)造，為了進(jìn)一步降低凸形封頭的高度，將碟形封頭的過度圓弧和直邊局部去掉，將球面局部直接焊接

14、到圓柱殼體上，如下列圖所示。圖4 球冠形封頭 eq oac(,1)作容器的端封頭； eq oac(,2)用作容器中兩個相鄰承壓空間的中間封頭。封頭的厚度凹面受壓時：10Q為系數(shù)主要和球形半徑和筒體徑之比、壓力和許用應(yīng)力及焊縫系數(shù)有關(guān)，可以根據(jù)圖表查得。在任何情況下，與球冠形封頭連接的圓筒厚度應(yīng)不小于封頭厚度。否則，應(yīng)在封頭與圓筒間設(shè)置加強(qiáng)段過渡連接。圓筒加強(qiáng)段的厚度應(yīng)與封頭等厚；端封頭一側(cè)或中間封頭兩側(cè)的加強(qiáng)段長度L均應(yīng)不小于。5壓錐形封頭cone head錐形封頭和橢圓形、半球形封頭相比強(qiáng)度較差。在工業(yè)生產(chǎn)中，但當(dāng)操作介質(zhì)含有固體顆?；虍?dāng)介質(zhì)粘度很大時，采用錐形封頭有利于出料，亦有利于流體的

15、均勻分布。此外，頂角較小的錐殼還可用來改變流體的流速，另外錐形殼體用來連接兩個直徑不等的圓筒，作變徑段。因此，錐形封頭仍得到廣泛應(yīng)用，一般錐形封頭有三種形式：圖5 錐形封頭示意圖 eq oac(,1)不帶折邊錐形封頭的壁厚錐形封頭的最大薄膜應(yīng)力位于錐體的大端：根據(jù)第一或第三強(qiáng)度理論，并以徑表示可得：11由于無折邊錐形封頭與筒體的連接處曲率半徑突變，所以存在著較大的邊界應(yīng)力，如果利用11計算的壁厚滿足邊界應(yīng)力不得超過3倍時，則可以直接使用，否則需要增加連接處的壁厚，因此無折邊封頭的計算公式寫為：12圖6 錐殼大端與圓筒連接處Q值圖Q值隨著的增大而減少，水平直線代表；采用加強(qiáng)的壁厚焊接比擬繁瑣、本

16、錢也較高，是否可以整體采用加強(qiáng)后計算的壁厚，目前還沒有定論；教材中采用此圖目的是不用進(jìn)展判斷，與GB150-1998存在差異，實際設(shè)計時嚴(yán)格按照GB150-1998。在任何情況下，加強(qiáng)段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度。錐殼加強(qiáng)段的長度L1應(yīng)不小于；圓筒加強(qiáng)段的長度L應(yīng)不小于。 eq oac(,2)折邊錐殼分為錐殼大端有折邊以及錐殼大端、小端均有折邊兩種。此處只講解大端局部，小端的計算方法詳見GB150-1998的第7局部。大端的壁厚應(yīng)同時計算過渡段厚度和與其相連接的錐殼厚度，取二者大值。過渡局部的壁厚：；13Di 連接筒體直徑； K 過渡局部形狀系數(shù)。K系數(shù)由表4所示。表8 系數(shù)K值過渡段與相

17、連接處的錐殼厚度：14f錐形封頭形狀系數(shù)，其值列于表5。教材中，認(rèn)為折邊局部與錐體局部厚度一樣時，折邊的壓力總是小于錐體局部的壓力，所以只對大端進(jìn)展計算，然后取折邊和大端等厚度，所以只給出了一個計算公式，而且其系數(shù)由于公式的改變是GB150-1998的兩倍，有點欠妥。學(xué)生可以采用二者之一的公式，但是必須注意公式和系數(shù)的準(zhǔn)確性。表9 系數(shù)f值6平板封頭circular flat heads圓形平板作為封頭承受壓力時，處于受彎的不利狀態(tài)，而且造成筒體在邊界處產(chǎn)生較大的邊界應(yīng)力，所以一般不使用平板封頭。但是壓力容器的人孔、手孔等為平板。在實際工程中，可把圓形平蓋簡化為受均勻分布橫向載荷的圓平板，最大

18、彎曲應(yīng)力公式為：應(yīng)用第一強(qiáng)度理論，結(jié)合實際工程經(jīng)歷，其設(shè)計公式為：15式中：K構(gòu)造系數(shù)，從相關(guān)的表中查??；-計算直徑，一般為筒體直徑；-平板的計算厚度。第三節(jié)壓力試驗與在用壓力容器的強(qiáng)度校核1、壓力試驗hydrostatic test pressure容器制造時，鋼板經(jīng)過了彎卷、焊接、拼裝等工序以后，會存在以下的問題：是否能夠承受規(guī)定的工作壓力？是否會發(fā)生過大變形？在規(guī)定的工作壓力作用下，焊縫等處是否會發(fā)生局部滲漏？因此需要進(jìn)展壓力試驗，試驗的工程和要求應(yīng)在圖樣中注明。壓力試驗可以選用液壓和氣壓。由于氣壓試驗的危害性大，故一般都采用液壓試驗，只有不易做液壓試驗的容器才采用氣壓試驗。1液壓試驗試

19、驗介質(zhì)，一般用水，試驗壓力為：16設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；試驗溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。液壓試驗方法：液壓試驗時，壓力應(yīng)緩慢上升，到達(dá)規(guī)定試驗壓力時，保持30分鐘，然后將壓力降至規(guī)定試驗壓力的80，并保持足夠長時間以便對所有焊縫和連接部位進(jìn)展檢查。實驗結(jié)果以無滲漏和無可見的剩余變形為合格。2氣壓實驗不適合做液壓實驗的容器，例如由于工藝要求，容器不允許有微量殘留液體，或由于構(gòu)造原因，不能充滿液體的容器，才允許用氣壓實驗。凡采用氣壓實驗的容器其焊縫需進(jìn)展100的無損探傷，且應(yīng)增加實驗場所的平安措施，并在有關(guān)平安部門的監(jiān)視下進(jìn)展。試驗介質(zhì)， eq oac(,1)枯燥氣體或者 eq oac(,2)干凈的空氣、氮氣、惰性氣體。試驗壓力為：17氣壓試驗方法：試驗時壓力應(yīng)緩慢上升，至規(guī)定試驗壓力0.1P，且不超過0.05MPa，保壓5分鐘，檢查焊接接頭部位。假設(shè)存在泄漏，修復(fù)，重新進(jìn)展水壓實驗。合格后，方可重新進(jìn)展氣壓實驗。2、強(qiáng)度校核的思路1許用應(yīng)力校核即根據(jù)有效厚度計算出容器在校核壓力下的計算應(yīng)力，判斷其是否小于材料的許用應(yīng)力。在用容器在校核壓力PchPW，Pk or P作用下的計算應(yīng)力為：18式中：K形狀系數(shù)，其值根據(jù)受壓元件形狀