壓力容器設(shè)計基礎(chǔ)知識

壓力容器設(shè)計基礎(chǔ)知識第一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日1第一章壓力容器設(shè)計概論

壓力容器設(shè)計復(fù)習

第二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日2第一章壓力容器設(shè)計概論

這一章內(nèi)容主要闡述了化工容器的特點，從安全性和經(jīng)濟性兩方面分析了設(shè)計壓力容器的基本要求，同時通過介紹壓力容器質(zhì)量保證體系這一重要概念，從而明確本課程的性質(zhì)、對象、范圍及方法。第三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日3第一章壓力容器設(shè)計概論

(1)明確本課程的主要任務(wù)和主要研究對象。(2)了解壓力容器的應(yīng)用特點和設(shè)計壓力容器的基本要求。(3)充分認識壓力容器建立質(zhì)量保證體系的必要性并了解其基本內(nèi)容。(4)一般了解國內(nèi)外主要的壓力容器規(guī)范。1.1基本要求第四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日4第一章壓力容器設(shè)計概論

1.2內(nèi)容要點(1)“壓力容器設(shè)計”的任務(wù)是研究容器在壓力、溫度和化學介質(zhì)等作用下的受力、變形和失效的規(guī)律，為合理設(shè)計容器截面形狀和尺寸提供有關(guān)強度、剛度、穩(wěn)定性分析和密封性的基本理論和方法。第五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日5第一章壓力容器設(shè)計概論

1.2內(nèi)容要點(2)壓力容器設(shè)計是以材料力學、機械零件、金屬材料等課程為基礎(chǔ)的一門專業(yè)主干課，因此學習本課程不僅要掌握壓力容器的一般設(shè)計方法，重在掌握基本原理和設(shè)計思想，學會綜合運用其他課程的基本理論和方法，全面考慮、分析和解決工程實際問題。第六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日6第一章壓力容器設(shè)計概論

1.2內(nèi)容要點(3)壓力容器的本身特點決定其安全性是核心問題，因此設(shè)計容器應(yīng)當是以安全為前提，綜合考慮質(zhì)量保證的各個環(huán)節(jié)，盡可能做到經(jīng)濟合理，可靠的密封性，足夠的安全壽命，即使容器滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，此外，材料消耗低，制造、操作、安裝和維修方便等。第七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日7第一章壓力容器設(shè)計概論

1.2內(nèi)容要點(4)壓力容器的質(zhì)量管理和質(zhì)量保證體系是更嚴格意義上的安全性，它是近代系統(tǒng)工程學在壓力容器領(lǐng)域中的應(yīng)用，所以也稱“壓力容器安全系統(tǒng)工程”，它包括了安全監(jiān)察、檢驗、設(shè)計制造、使用管理以及安全評估等方面。就一臺容器而言，包括了設(shè)計、材料、制造與制造過程中的檢驗、在役檢驗與監(jiān)控四個方面。其中，設(shè)計是先導，材料是基礎(chǔ)，制造是關(guān)鍵，檢驗是保征。第八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日8第一章壓力容器設(shè)計概論

1.2內(nèi)容要點(5)正確選擇和合理使用材料是壓力容器設(shè)計的一個重要組成部分，對于保證容器的結(jié)構(gòu)合理，安全使用和降低制造成本至關(guān)重要。除了適合工藝過程要求外，材料的選擇必須考慮力學性能和工藝性能兩方面的要求。前者包括適當?shù)膹姸?、良好的塑性和較好的韌性，后者包括良好的冷熱加工性能，較好的可焊性和適宜的熱處理性能等。因鋼材具有上述眾多優(yōu)點而成為主要的容器用材，但不排斥特殊的場合使用有色金屬、非金屬材料等。第九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日9第一章壓力容器設(shè)計概論

1.2內(nèi)容要點(6)

壓力容器用鋼按化學成分與用途主要有三類，即普通碳素鋼、低合金(高強度)鋼、不銹耐酸鋼和耐熱鋼。普通碳素鋼與低合金鋼又可根據(jù)制造容器的特殊要求派生出壓力容器用鋼。壓力容器用鋼區(qū)別一般用鋼主要在于降低了鋼中的硫、磷的含量，增加了沖擊功的指標和提高了質(zhì)量檢驗要求。

第十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日10第一章壓力容器設(shè)計概論

1.2內(nèi)容要點

(7)壓力容器的設(shè)計和制造都需遵循一定的標準規(guī)定，這類標準和規(guī)范是綜合了理論、試驗和經(jīng)驗的產(chǎn)物，在法律上是強制性的。我國的壓力容器設(shè)計規(guī)范主要有GB150“鋼制壓力容器”以及JB4732“鋼制壓力容器—分析設(shè)計標準”。同時作為政府部門對壓力容器安全監(jiān)督的法規(guī)主要是“壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”。此外還有關(guān)于材料、制造、檢驗等必須遵循的國家標準和行業(yè)標準。這些共同組成以GBI5O為核心的標準體系，是壓力容器質(zhì)量管理和質(zhì)量保證體系中加強法制的具體表現(xiàn)。第十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日11第一章壓力容器設(shè)計概論

1.2內(nèi)容要點(8)從安全的重要程度對壓力容器分類，對于壓力容器的技術(shù)管理和安全監(jiān)督具有特殊的意義。這里，容器的類別按壓力高低、容器大小、介質(zhì)的危害程度以及在生產(chǎn)中的重要作用劃分成三類，其中的三類容器最為重要。要求也最為嚴格。第十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日122.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力

2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力

2.3圓形平板的應(yīng)力第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)壓力容器設(shè)計復(fù)習

第十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日132.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)

本節(jié)通過介紹薄殼理論的一些基本概念、基本理論和分析方法、主要討論回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論以及在軸對稱條件下的薄膜應(yīng)力和變形的計算。第十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日142.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力

軸對稱問題是容器殼體的應(yīng)力分析和強度計算的最基本問題，對軸對稱問題的理解和掌握是薄壁容器的工程設(shè)計的理論基礎(chǔ)，同時無力矩理論所得結(jié)果總可以作為分析殼體在載荷、結(jié)構(gòu)突變處附近局部區(qū)域彎曲問題(有力矩理論)的特解，因此掌握好本節(jié)內(nèi)容將有助于后續(xù)各節(jié)的學習。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日152.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力基本要求(1)了解回轉(zhuǎn)薄殼應(yīng)力分析中采用兩種計算理論的基本原理與意義。(2)掌握回轉(zhuǎn)殼體幾伺特性的基本定義，學會對幾種典型回轉(zhuǎn)殼體第一曲率半徑和第二曲率半徑的計算。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日16(3)熟練掌握利用無力矩殼體理論求解軸對稱問題的基本方程式計算常用容器殼體的薄膜應(yīng)力以及薄膜平行圓徑向位移和經(jīng)線轉(zhuǎn)角。(4)正確理解無力矩理論的應(yīng)用條件。2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力基本要求第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日172.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(1)工程實際中，薄殼指的是殼體厚度與其中間面最小主曲率半徑的比值不超過1/10的薄壁殼體結(jié)構(gòu)。薄壁容器的外殼一般是這種，且其幾何上對稱于某一軸線的結(jié)構(gòu)，故稱回轉(zhuǎn)薄殼。容器薄殼通常承受的外部載荷對稱于同一軸線，且支承條件也是軸對稱。由于載荷、結(jié)構(gòu)是軸對稱的，因而殼內(nèi)的應(yīng)力和變形均具有軸對稱特點，解這類殼體問題統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)殼體的軸對稱問題。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日182.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(2)分析殼體的應(yīng)力有兩種基本理論——“無力矩理論(薄膜理論)”與“有力矩理論”。對于軸對稱問題，殼體中面微元四個邊上存在法向力N、N，彎矩M、M和橫向力Q等五個內(nèi)力分量(它們是沿微元側(cè)邊分布的單位長度的力與力矩)。若N、N相對于M、M、Q大得多，可將后者忽略為零。大大簡化了計算。這種殼體理論就是“無力矩理論”、反之考慮全部內(nèi)力，就是“有力矩理論”。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日192.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(3)

回轉(zhuǎn)殼體中幾何特征中的第一主曲率半徑(Rl)和第二主曲率半徑(R2)是計算殼體薄膜應(yīng)力的兩個重要幾何參數(shù)。從定義出發(fā)，Rl是殼體上任意點的經(jīng)線曲率半徑，因此可以直接由描述經(jīng)線形狀的關(guān)系式確定：而R2是垂直于該點經(jīng)線切線的截面切割殼體中面而成的曲線的主曲率半徑。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日202.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點

由于Rl的中心Ol、與R2的中心O2都在中面的法線上，和第二主曲率中心O2在回轉(zhuǎn)軸線上，R2為殼體中面上考察點沿法線至回轉(zhuǎn)軸的長度，或利用R2與垂直于回轉(zhuǎn)軸與垂直于回轉(zhuǎn)軸與中面相割的平行圓半徑的關(guān)系式求解(見圖)。注意Rl、R2可以是常數(shù)，如球殼、錐殼和圓柱殼，也可以是逐點變化的，如橢球殼，尖頂殼等。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日212.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(4)按無力矩理論計算回轉(zhuǎn)殼體薄膜應(yīng)力是薄壁容器強度計算的理論基礎(chǔ)。若對于圓柱或球形薄殼，受均勻氣壓下可采用材料力學“截面法”計算周向內(nèi)力N和經(jīng)向內(nèi)力N，但是對一般回轉(zhuǎn)殼，因沿經(jīng)線的內(nèi)力不相同，只能采用從殼體上取微體的力平衡分析得到以下兩個基本方程。以求解殼體上任意點的薄膜內(nèi)力(僅考慮受法向分布面載荷Pz)，即第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日222.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點將式(2-1)中的N

從代入式(2-2’)，并將所得表達式兩邊乘以sin，于是化為：

(2-1)(2-2’)微體平衡方程式。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日232.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(2-2)從殼體通過角截出一部分，F(xiàn)表示作用在該殼體上所有外部載荷的軸向合力，因軸對稱，N沿角截出的殼體作用邊為常數(shù)。所以根據(jù)軸向的平衡條件(見圖)，即為式(2-2)。區(qū)域平衡方程式第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日242.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(2-2)

(2-1)和(2-2)兩個方程式是求解回轉(zhuǎn)薄殼軸對稱問題的無矩內(nèi)力的基本方程式；解題的難點通常是如何采用直接的方法，根據(jù)外部載荷的具體情況，截取部分殼體列出軸向力平衡確定F以求出N。N確定以后，可由式(2-1)得出N。(2-1)第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日252.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(2-3)(5)在殼體的理論分析中，考慮的是內(nèi)力，而容器的工程設(shè)計關(guān)心的殼體內(nèi)部各點的應(yīng)力。對于上述的N、N,相當于矩形桿承受軸向載荷所引起應(yīng)力的合力,因這種應(yīng)力沿厚度均勻分布，因此環(huán)向薄膜應(yīng)力N和經(jīng)向薄膜應(yīng)力N的計算式為(其中t為殼體的厚度):根據(jù)薄膜理論的假設(shè)，徑向應(yīng)力Z≈0第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日262.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(6)軸對稱加載的回轉(zhuǎn)殼體，產(chǎn)生軸對稱變形。當薄膜應(yīng)力已知時，可以求出這種變形。并稱為薄膜變形。由于分析殼體不連續(xù)性概念與計算不連續(xù)應(yīng)力的考慮,關(guān)注的是容器邊緣處的薄膜平行圓徑向位移(或平行圓半徑增量)與經(jīng)線轉(zhuǎn)角。注意按教材的規(guī)定,平行圓徑向位移的符號約定為平行圓半徑增大為負，反之為正；轉(zhuǎn)角以回轉(zhuǎn)軸左側(cè)的經(jīng)線為準、逆時針轉(zhuǎn)動為正，反之為負。在以后殼體不連續(xù)分析時所采用的符號要與之一致。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日272.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(7)殼體的無力矩工作狀態(tài)存在兩種情況，一種是殼體的抗彎剛度非常?。畬嶋H不能抵抗彎曲，只能是無矩應(yīng)力狀態(tài)；第二種情況是殼體既然有厚度，就具有限的抗彎剛度，但由于特定的殼體形狀、加載方式以及支承條件使彎曲應(yīng)力比薄膜應(yīng)力小很多．形成事實上的無力矩應(yīng)力狀態(tài)。第一種情況雖屬于無力矩理論范圍．但不是我們研究的對象．而實現(xiàn)第二種的無力矩工作狀態(tài)就必須滿足三個限制條件，即：第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日282.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點①殼體的曲率，厚度和物理性質(zhì)或作用在殼體上的載荷都是連續(xù)的且沒有突然的變化；②殼體的邊界上沒有力矩和橫向力作用；③殼體邊界上的法向位移及轉(zhuǎn)角不受限制。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第二十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日292.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點下圖是容器上不滿足無力矩理論應(yīng)用條件的一些局部區(qū)域的實例。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日30第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)壓力容器設(shè)計復(fù)習

2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力

2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力

2.3圓形平板的應(yīng)力第三十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日312.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1基本要求(1)了解圓柱殼軸對稱彎曲問題的一般解法,掌握長圓柱殼受均勻分布的邊緣載荷作用時計算彎曲應(yīng)力的基本步驟。(2)掌握容器不連續(xù)效應(yīng)的基本概念以及不連續(xù)應(yīng)力的意義和特征。(3)學會用變形連續(xù)性條件和迭加原理計算容器在形狀、載荷、溫度等不連續(xù)情況下應(yīng)力的方法。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日322.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(1)前一節(jié)壓力容器受內(nèi)壓作用時，考慮遍布全殼沿壁厚均勻分布的法向應(yīng)力，或稱薄膜應(yīng)力。但殼體必須滿足一定的條件，使得殼體中彎曲引起的應(yīng)力比薄膜應(yīng)力小得多，因而忽略不計。實際容器殼體，由于不同的薄膜應(yīng)力而引起的不同位移將發(fā)生較大的彎曲變形，它產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力數(shù)值可以很大，僅用薄膜應(yīng)力描述應(yīng)力狀態(tài)就不充分了，需要采用有力矩理論考慮殼體的彎曲。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日332.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(2)當考慮較簡單的圓柱殼對稱彎曲問題時，殼體中不僅有薄膜內(nèi)力N、N，(其中還包含彎曲成分)，還存在彎曲內(nèi)力M、M、Q。如果僅考慮力平衡關(guān)系，不能求出未知內(nèi)力，如同材料力學中的靜不定問題，要綜合考慮力平衡條件、變形(幾何)條件和物理條件三個方面，最后歸結(jié)為求解彎曲問題的微分方程，即第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日342.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點

該方程通解等于齊次方程的通解加上一個不為零的特解，可以近似把薄膜解當作一個特解，于是第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日352.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點

為了應(yīng)用方便,w齊可表示為長圓柱殼在其邊緣上只承受均勻分布的邊緣剪力Q0和邊緣彎矩M0作用的彎曲解形式(見圖)，即(以下w齊用w(Q0,M0)表示)第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日362.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點由此得到各內(nèi)力的表達式為：第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日372.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點在受載端的撓度和轉(zhuǎn)角為：第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日382.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(3)實際容器都是由兩種(或兩種以上)不同形狀或厚度或材料的殼體組合而成，在外加載荷(機械載荷或熱載荷)作用下，相鄰殼體連接處的薄膜變形不相同，就發(fā)生了局部彎曲以保持器壁的連續(xù)性，在這些部位發(fā)生較高的附加應(yīng)力，稱為邊緣效應(yīng)或不連續(xù)效應(yīng)，產(chǎn)生的附加應(yīng)力，稱為不連續(xù)應(yīng)力。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第三十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日392.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(4)工程上分析容器殼體連接處不連續(xù)效應(yīng)的方法稱為不連續(xù)分析，其基本方法分別是求出各部分在連接處由壓力p和邊緣載荷Q0,M0引起的變形，然后利用變形連續(xù)條件和疊加原理，得到只包含未知邊緣載荷Q0,M0所組成的線性代數(shù)方程組，即第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第四十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日402.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點

據(jù)此確定Q0,M0

，再后將壓力引起的薄膜內(nèi)力和由邊緣載荷引起的彎曲內(nèi)力迭加，便得到殼體中的總內(nèi)力。因此一旦得到上述結(jié)果，就可求得如下圓柱殼體內(nèi)外表面的總應(yīng)力：內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力Q0,M0引起的彎曲應(yīng)力彎曲引起圓筒半徑伸長或縮短產(chǎn)生的周向拉壓應(yīng)力第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第四十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日412.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(5)

這是總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，基本特征之一是局部性，影響半徑與(√Rt)是同一量級；其二是自限性，局部屈服或較小畸變就能消除附加應(yīng)力發(fā)生的條件，因此對于在靜載的塑性材料，不連續(xù)應(yīng)力可以通過邊緣結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，限制其應(yīng)力水平過高，但是在容器受到交變載荷的作用，或材料在工作環(huán)境下呈現(xiàn)脆性時，確定不連續(xù)應(yīng)力具有重要的意義，因為高應(yīng)力可成為疲勞失效的發(fā)源地或直接導致脆性破裂。第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)第四十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日42第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)壓力容器設(shè)計復(fù)習

2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力

2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力

2.3圓形平板的應(yīng)力第四十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日432.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1基本要求第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)(1)理解薄板彎曲理論的基本假設(shè)及其含義。(2)了解求解圓板軸對稱彎曲問題的基本原理和步驟(3)掌握圓板在常用邊界條件和幾種簡單受力下應(yīng)力和撓度的計算。(4)了解用疊加法對實際容器結(jié)構(gòu)中環(huán)板彎曲應(yīng)力的計算方法。第四十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日442.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)(1)．圓板或圓形環(huán)板是壓力容器的重要構(gòu)件。按板厚t與中面特征尺寸l(例如直徑、邊長)相比，t/l<<1(工程上，t/l<1/5)稱為薄板，否則稱為厚板。板在橫向載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲變形，板的最大彎曲撓度w與板厚相比，當w/t<<1時稱為小撓度板，否則為大撓度板。本節(jié)的研究對象是在化工容器中常見的小撓度圓形薄板或圓環(huán)形薄板。第四十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日452.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)(2)彈性薄板小撓度理論采用三個基本假設(shè)，即直線法、不擠壓和中性面假設(shè)?；谏鲜黾僭O(shè)圓板僅處于雙向彎曲狀態(tài)，與殼體相比，板內(nèi)將承受較大彎曲應(yīng)力，而不同于殼體主要承受沿殼壁厚度均勻分布的拉(壓)應(yīng)力。第四十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日462.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)

(3)在橫向載荷和周邊支承條件軸對稱下，圓形薄板的撓度微分方程為：其通解為方程的某一特解w特與對應(yīng)齊次微分方程的通解w齊之和，即第四十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日472.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)

對于中心無孔的實心圓板，則按照中心條件；(w)r=0=有限值，(Qr)r=0=有限值，則有C1=C3=0。對于受有均布橫向載荷p的圓板：第四十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日482.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)

(4)

對于均布載荷作用下的實心圓板的最大撓度和應(yīng)力的大小與位置隨板的周邊支承條件不同而不同。周邊固支：第四十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日492.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)(4)

對于均布載荷作用下的實心圓板的最大撓度和應(yīng)力的大小與位置隨板的周邊支承條件不同而不同。周邊簡支：第五十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日502.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)

由此可見，最大彎曲正應(yīng)力與(D/t)2

成正比，最大剪應(yīng)力則與(D/t)成正比，而周邊簡支板的最大撓度為固支板的4.08倍，最大應(yīng)力是1.65倍。第五十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日512.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點第二章容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)(5)圓環(huán)形板的軸對稱彎曲問題若按下式，只需由內(nèi)外周邊的邊界條件確定四個積分常數(shù)求解，而pZ視具體問題為0或仍為pZ。在彈性范圍內(nèi)，當已有各種簡單載荷下問題的解時，可以用疊加法計算復(fù)雜載荷下的圓板或圓環(huán)形板的撓度和應(yīng)力。對于工程實用而言，往往只需要從手冊中查取各種受載條件下板(包括矩形板)中的最大應(yīng)力和撓度，如教材表2-2示例。第五十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日523.1殼體的設(shè)計

3.2法蘭的設(shè)計

3.3開孔與補強設(shè)計

3.4臥式容器與支座的設(shè)計

3.5局部應(yīng)力計算

3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計問題第三章中低壓容器設(shè)計壓力容器設(shè)計復(fù)習

第五十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日533.1殼體的設(shè)計3.1.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計

壓力容器按規(guī)則設(shè)計(DesignbyRule)又稱常規(guī)設(shè)計，特點是以彈性失效為準則，僅考慮靜載作用(主要是內(nèi)部介質(zhì)壓力作用)，并以平均應(yīng)力為基礎(chǔ)導出設(shè)計計算公式。我國壓力容器常規(guī)設(shè)計以“鋼制壓力容器”國家標準(GB150)為依據(jù)。本節(jié)介紹內(nèi)壓容器回轉(zhuǎn)殼體(包括薄壁圓筒、球殼、凸形封頭)的設(shè)計及平板封頭設(shè)計。第五十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日543.1殼體的設(shè)計3.1.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計(1)掌握殼體設(shè)計公式的計算依據(jù)、失效準則及強度條件。(2)理解設(shè)計公式中各參數(shù)，設(shè)計壓力p、設(shè)計溫度T、焊縫系數(shù)、壁厚附加量C、許用應(yīng)力[]t、安全系數(shù)n、應(yīng)力增強系數(shù)、試驗壓力pT、試驗溫度等的定義或意義，學會正確選用設(shè)計參數(shù)進行設(shè)計計算。(3)掌握各種封頭的力學與制造特性及對結(jié)構(gòu)尺寸的要求，并能結(jié)合具體條件合理選用封頭型式。(4)了解容器用鋼的基本類型、使用狀態(tài)及適用范圍，能根據(jù)其力學性能、物理性能、耐蝕性能及加工工藝性能，合理選擇與設(shè)計條件相適應(yīng)的容器用材。第五十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日553.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計(1)中低壓容器回轉(zhuǎn)殼體的設(shè)計以無力矩理論為基礎(chǔ)確定基本應(yīng)力，用彈性失效準則，并以第一強度理論建立強度條件，即組合殼體設(shè)計時，各殼體厚度分別計算；對具有明顯彎曲應(yīng)力(或邊緣效應(yīng))的殼體，在設(shè)計公式中引入應(yīng)力增強系數(shù)或局部增加壁厚。第五十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日563.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計(2)按設(shè)計公式計算而得的殼體計算壁厚t是單純滿足機械強度所需的基本壁厚，如：圓筒計算壁厚球殼計算壁厚(3-1)(3-2)殼體設(shè)計壁厚td=t+C2,是設(shè)計壽命期內(nèi)滿足強度和均勻腐蝕條件所需壁厚。殼體名義壁厚tn=td+C1并圓整至鋼板規(guī)格的厚度，即設(shè)計圖紙標注的厚度。第五十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日573.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計殼體有效壁厚te=tn-C，是實際用于承受應(yīng)力載荷的壁厚。殼體最小壁厚tmin指制造、安裝、運輸時對殼體剛度要求的最小厚度。在以強度計算確定壁厚的同時還必須使(tn-C2)不得小于tmin。圓筒最小壁厚規(guī)定如下：對于碳鋼和低合金鋼容器：內(nèi)徑Di≤3800mm時，tmin＝2Di/1000且不小于3mm；內(nèi)徑Di＞3800mm時，tmin按運輸和現(xiàn)場制造、安裝條件確定對于不銹鋼容器，tmin＝2mm第五十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日583.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計(3)主要設(shè)計參數(shù)及選擇原則①設(shè)計壓力p：相應(yīng)設(shè)計溫度下用以確定壁厚的表壓力，其值不得低于容器最高工作壓力(指容器頂部最高壓力)；對于裝有液體的容器，當要計算的受壓元件所在截面處的液柱靜壓力超過工作壓力的5%時，應(yīng)取上述設(shè)計壓力與該液柱靜壓力之和對其進行設(shè)計。第五十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日593.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計②設(shè)計溫度T：相應(yīng)設(shè)計壓力下容器正常工作時設(shè)定的受壓元件的金屬溫度(壁厚方向平均溫度)，以確定許用應(yīng)力，其值不得低于元件可能達到的最高金屬溫度，或0C以下時不得高于元件可能達到的最低金屬溫度。③焊縫系數(shù)：用以考慮容器焊縫區(qū)因焊接缺陷受到的強度削弱。對于以環(huán)向應(yīng)力(或者縱向應(yīng)力)為依據(jù)的設(shè)計公式，指縱向(或者環(huán)向)焊縫系數(shù)，其值可根據(jù)焊縫型式及探傷要求確定。第六十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日603.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計④壁厚附加量C：C=C1+C2C1為鋼板或鋼管的厚度負偏差，鋼板按GB708、709選??；如使用按YB(T)40供貨的鋼板則C1＝0.25mm，且C1≤6％tn時可取C1＝0；對于不銹鋼復(fù)合鋼板按GB8l65選取，鋼管偏差也有相應(yīng)標準。

C2為腐蝕裕量，根據(jù)介質(zhì)對材料的腐蝕速率Ka和設(shè)計壽命B確定；對碳鋼和低合金鋼C2不小于1mm，對不銹鋼、腐蝕性極微時可取C2=0；C2只對均勻腐蝕有意義，對非均勻腐蝕則必須從選材和防腐措施上加以解決。第六十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日613.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計⑤許用應(yīng)力[]t

：針對失效類型由材料相應(yīng)強度指標(強度極限b、屈服點y

、蠕變極限Ct

、持久強度Dt)除以相應(yīng)安全系數(shù)n并取其最小值所得的材料許用強度。常用材料不同溫度下的許用應(yīng)力已用表列出，可直接選用。不銹鋼復(fù)合板或多層板許用應(yīng)力為：第六十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日623.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計(4)壓力容器制造完畢必須進行耐壓試驗(液壓或氣壓)，目的是檢驗容器超工作壓力下的宏觀強度、焊縫致密性及密封可靠性。液壓試驗介質(zhì)一般是水，氣壓試驗主要在液壓試驗不宜時采用。對奧氏體不銹鋼，液壓試驗后應(yīng)將水漬去除干凈或試驗時控制介質(zhì)中Cl-≤25ppm以防止腐蝕。試驗壓力pT為：第六十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日633.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計

試驗溫度以高于材料實際NDT來確定，以防脆斷。一般要求介質(zhì)溫度≥15oC,但對碳鋼、16MnR、正火15MnVR要求液體溫度≥5oC即可。壓力試驗前需對筒體應(yīng)力進行校核(液壓時計入液體靜壓):此外，對內(nèi)裝貴重氣體、易燃易爆或有毒介質(zhì)的容器，還應(yīng)作致密性試驗(氣密性試驗或煤油滲透試驗)，氣密性試驗壓力為1.05p。

第六十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日643.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計(5)凸形封頭受力狀態(tài)由好到次排序是半球、橢圓或碟形、錐形封頭；從便于制造的角度看，排序卻相反。中低壓容器中橢圓封頭應(yīng)用最廣泛。凸形封頭壁厚設(shè)計公式及結(jié)構(gòu)尺寸要求查相應(yīng)表格。第六十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日653.1殼體的設(shè)計3.1.1內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計(6)平蓋比凸形封頭更易于制造，但因主要受彎曲應(yīng)力作用，力學性能較差，故主要用于常壓或小直徑高壓容器。設(shè)計公式以均布載荷p下圓板最大應(yīng)力為依據(jù)，按第一強度理論得平蓋計算厚度為：其中K、Dc分別為結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及平蓋有效直徑。第六十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日66第三章中低壓容器設(shè)計壓力容器設(shè)計復(fù)習

3.1殼體的設(shè)計

3.2法蘭的設(shè)計

3.3開孔與補強設(shè)計

3.4臥式容器與支座的設(shè)計

3.5局部應(yīng)力計算

3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計問題第六十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日67

法蘭連接是化工容器、管道常用的一種可拆連接型式。本節(jié)從如何滿足法蘭連接密封的可靠性、足夠的強度等出發(fā)，簡要介紹墊片、螺栓及法蘭本體的設(shè)計等問題。3.2法蘭的設(shè)計第三章中低壓容器設(shè)計第六十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日68(1)正確理解法蘭連接的密封原理，了解影響密封的因素。(2)掌握墊片材料類型及墊片的選擇，理解墊片性能參數(shù)的物理意義。(3)掌握螺栓載荷的計算及螺栓的設(shè)計問題。(4)了解法蘭的結(jié)構(gòu)及其特點，能使用法蘭標準正確選用法蘭。(5)掌握非標準法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的確定和強度計算方法。3.2法蘭的設(shè)計3.2.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計第六十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日69(1)法蘭連接通過緊固螺栓壓緊墊片實現(xiàn)密封。法蘭密封的泄漏形式包括滲透泄漏和界面泄漏。法蘭通過螺栓壓緊墊片時，墊片發(fā)生變形，提供墊片與密封面的壓緊力，以形成壓力介質(zhì)通過密封面的阻力，當這種阻力大于密封元件兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時，介質(zhì)即被密封住。墊片性能、螺栓力大小、密封面型式及尺寸精度、法蘭剛度及操作條件等均影響密封的可靠性。3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日70(2)法蘭連接設(shè)計首先面臨墊片選擇。墊片是法蘭密封的主要元件，為形成密封，要求墊片具有適宜的變形和回彈能力。墊片按材料分為非金屬墊、金屬墊和組合墊三種。法蘭密封面有平面、凹凸面、榫槽面、梯形槽等，與不同密封面匹配的墊片結(jié)構(gòu)也不完全相同。設(shè)計時主要根據(jù)介質(zhì)的特性、溫度、壓力，確定墊片的材料、結(jié)構(gòu)形式及尺寸。3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日71預(yù)緊密封比壓y和墊片系數(shù)m是表征墊片特征的兩個主要參數(shù)。預(yù)緊密封比壓y是指預(yù)緊時迫使墊片變形與密封面接觸以形成初始密封條件，墊片上所必須的單位面積上的最小壓緊載荷。墊片系數(shù)m指操作時達到密封不漏，墊片上必須維持的工作密封比壓與介質(zhì)壓力p的比值。y、m

的大小與墊片材料、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。設(shè)計時，由y、m確定墊片在預(yù)緊和操作狀態(tài)下的壓緊力大小。3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日72(3)在法蘭連接結(jié)構(gòu)中，連接螺栓提供壓力。螺栓力既要保證預(yù)緊和操作時密封不漏，又要不致把墊片壓壞。計算螺栓預(yù)緊和操作狀態(tài)所需最小載荷和螺栓最小截面積如下表所示。3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計受力狀態(tài)螺栓最小載荷(N)螺栓最小面積(mm2)預(yù)緊操作第七十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日73設(shè)計所需螺栓面積取大值。并按下式計算螺栓根徑滿足法蘭環(huán)剛度和安裝等要求，設(shè)計時必須合理調(diào)配螺栓的大小和個數(shù)，并要求實際螺栓面積。由法蘭環(huán)的剛度要求螺栓的最大間距為：(3-7)(3-8)3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日74(4)

法蘭按法蘭環(huán)，錐頸和筒體的整體程度分為松式法蘭、整體法蘭和任意式法蘭，松式法蘭是法蘭未能有效地與筒體連接成一整體，筒體不與法蘭共同承受法蘭力矩的作用；如果法蘭環(huán)，頸部和筒體三者有效地連成一整體，共同隨法蘭力矩的作用，則為整體法蘭；受力的整體性程度介于以上二者之間的法蘭為任意式法蘭。3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日75法蘭標準有壓力容器法蘭標準(JB4700-4707-92)和鋼制管法蘭標準(HGJ44-76-97)。前者將法蘭分為平焊(包括甲型和乙型)和對焊法蘭，后者分為平焊、對焊、承插焊、平焊環(huán)松套板式等法蘭。法蘭標準，按不同公稱直徑(DN)和公稱壓力(PN)選擇。由于標準法蘭的PN是一定的法蘭材料和溫度下的最大工作壓力，例如壓力容器法蘭的PN是按材料16MnR或16Mn在200C條件下確定的。選擇標準法蘭時，應(yīng)注意法蘭材料和溫度對法蘭PN與最大工作壓力的對應(yīng)關(guān)系。3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日76

法蘭設(shè)計方法很多，應(yīng)用較多的是Waters法，它是以彈性應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。分析過程是將帶頸整體法蘭分為殼體、錐頸和法蘭環(huán)三部分，然后利用薄殼理論和平板理論對三部分進行應(yīng)力分析，經(jīng)簡化得設(shè)計公式。非標準法蘭從設(shè)計角度分為整體法蘭和活套法蘭，其受力如下圖所示。3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日77圖3-1法蘭受力圖3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日783.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第七十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日793.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第八十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日80法蘭的最大軸向彎曲應(yīng)力位于頸的大端或小端處；法蘭環(huán)的最大徑向應(yīng)力由徑向彎曲應(yīng)力和徑向正應(yīng)力兩部分組成，位于環(huán)內(nèi)緣面與錐頸的連接處；法蘭環(huán)的最大環(huán)向應(yīng)力由彎曲應(yīng)力和正應(yīng)力兩部分組成，位于內(nèi)緣面靠近墊片密封面處，而表中t為環(huán)內(nèi)緣面與錐頸的連接點處的應(yīng)力。3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第八十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日81對于活套法蘭及平焊法蘭，還應(yīng)按預(yù)緊和操作兩種工況計算剪應(yīng)力，式中(A為剪切面積)。(3-9)3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第八十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日82

應(yīng)力校核(3-10)3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第八十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日83頸部的軸向彎曲應(yīng)力1按極限載荷設(shè)計法，取1.5[]ft與2.5[]nt的小值作為最大允許應(yīng)力。法蘭的r、t控制在材料在彈性范圍內(nèi)。為避免法蘭環(huán)部分屈服，應(yīng)對錐頸和法蘭環(huán)的應(yīng)力平均值加以限制。不滿足應(yīng)力校核條件時，需調(diào)整法蘭錐頸或法蘭環(huán)的尺寸，以滿足應(yīng)力校核條件。法蘭的剪應(yīng)力應(yīng)分別小于或等于翻邊或筒體材料在常溫和設(shè)計溫度下許用應(yīng)力的0.8倍3.2法蘭的設(shè)計3.2.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第八十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日84第三章中低壓容器設(shè)計壓力容器設(shè)計復(fù)習

3.1殼體的設(shè)計

3.2法蘭的設(shè)計

3.3開孔與補強設(shè)計

3.4臥式容器與支座的設(shè)計

3.5局部應(yīng)力計算

3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計問題第八十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日85(1)正確理解殼體開孔和開孔接管產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因及應(yīng)力的性質(zhì)，并能計算某些典型載荷作用的球殼、圓柱殼體與接管連接處的應(yīng)力集中系數(shù)或最大應(yīng)力。(2)掌握各種補強結(jié)構(gòu)的特點，正確理解主要補強設(shè)計準則的原理。(3)掌握等面積補強法的計算方法。3.3開孔與補強設(shè)計3.3.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計第八十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日86(1)

受壓殼體開孔后，削弱了器壁材料，孔邊應(yīng)力的分布發(fā)生改變，開孔附近發(fā)生局部的應(yīng)力升高，這種應(yīng)力上具有局部性，且衰減較快，最大應(yīng)力在孔邊緣處，由此引起應(yīng)力集中。薄殼孔邊應(yīng)力可借助于平板開孔的應(yīng)力計算結(jié)果進行分析。受壓殼體開小孔時，孔邊的最大應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)如表3-5所示。3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第八十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日873.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第八十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日88(2)容器開孔接管后，開孔削弱了器壁材料，破壞了原有的應(yīng)力分布而引起應(yīng)力集中；殼體與接管連接處因結(jié)構(gòu)不連續(xù)而產(chǎn)生附加應(yīng)力；殼體與接管的拐角處因不等截面過渡引起應(yīng)力集中。上述因素使開孔接管處產(chǎn)生較大的應(yīng)力峰值，大小高達容器壁基本應(yīng)力的數(shù)倍。通常用應(yīng)力集中系數(shù)Kt=max/來描述開孔接管處的力學特性。受內(nèi)壓殼體內(nèi)的開孔接管，可用應(yīng)力指數(shù)法或應(yīng)力集中系數(shù)曲線得到應(yīng)力集中系數(shù)；接管上受徑向力、彎矩、扭矩等，則可用應(yīng)力集中系數(shù)曲線得到解決應(yīng)力集中系數(shù)或采用WRC法計算局部應(yīng)力。3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第八十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日89(3)殼體與接管連接處不可避免會出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成局部的高應(yīng)力區(qū)，而開孔接管結(jié)構(gòu)在制造過程中還容易產(chǎn)生缺陷和殘余應(yīng)力，使開孔接管根部成為壓力容器出現(xiàn)脆性裂口和疲勞破壞的薄弱部位。設(shè)計時往往需要采取適當?shù)难a強措施，降低開孔接管處應(yīng)力集中系數(shù)。由于殼體、接管等本身往往有除滿足強度外的富裕金屬能起補強作用，凡是開孔接管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)Kt≤3時，可以不另行補強。GB150-89規(guī)定，對于設(shè)計壓力p≤2.5MPa，若兩相鄰開孔中心矩(曲面為弧面)不小于兩孔直徑之和的兩倍時，可不另行補強的條件為；當殼體的Tn>12mm時，接管DN≤80mm，當殼體的Tn≤12mm時，接管DN≤50mm。3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第九十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日90(4)由于開孔應(yīng)力集中的局部性，一般采用局部補強結(jié)構(gòu)貼板補強的結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗成熟，但補強面積分散，作用并不大，而且補強圈與殼體搭接處剛度大，焊接易產(chǎn)生裂紋?？蛊谛阅懿?。溫度較高時，熱應(yīng)力較大。厚壁管補強的結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，補強面積集中，能有效降低應(yīng)力集中系數(shù)。整鍛件補強的補強面積集中，能最有效降低應(yīng)力集中系數(shù)。焊接接頭為對接焊，質(zhì)量容易保證，抗疲勞性能好。但制造麻煩，成本高。3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第九十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日91(5)補強設(shè)計準則有等面積法、極限分析法、壓力面積法等。其中等面積法是開孔補強計算中應(yīng)用最為廣泛的方法。等面積法：該法是在有效補強范圍內(nèi)，使補強金屬截面積不小于開孔失去的有效金屬截面積，它是以開孔后截面的一次總體平均應(yīng)力不致升高為依據(jù)的。當小開孔時，開孔邊緣的應(yīng)力是以局部薄膜應(yīng)力為主的，因此上述假設(shè)適用。開孔直徑較大時，開孔邊緣除有很大局部薄膜應(yīng)力外，還有很高的彎曲應(yīng)力，故等面積法應(yīng)對開孔最大直徑加以限制。3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第九十二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日92(5)補強設(shè)計準則有等面積法、極限分析法、壓力面積法等。其中等面積法是開孔補強計算中應(yīng)用最為廣泛的方法。極限分析法：以開孔補強結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性失效的極限載荷為依據(jù)，并將最大應(yīng)力控制在2y內(nèi)的設(shè)計方法，在GB150中，將此法稱為“開孔補強設(shè)計的另一方法”。3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第九十三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日935等面積法的計算3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第九十四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日943.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第九十五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日95(3)有效補強范圍寬度外側(cè)高度內(nèi)側(cè)高度取小值取大值取小值3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第九十六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日963.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計wXYZtn圖3-2等面積補強簡圖開孔削弱的截面積A0殼體計算壁厚外多余的金屬面積A1

有效補強區(qū)內(nèi)另外增加的補強元件的金屬截面積接管計算厚度外的多余金屬截面積有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬截面積第九十七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日97（5）有效補強面積筒體多余金屬面積接管多余金屬面積有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬截面積A3。當時，不需補強，否則補強面積為圓筒體的斜接管，封頭的非徑向接管開孔補強以及大開孔的補強計算，可參考有關(guān)標準。

3.3開孔與補強設(shè)計3.3.2內(nèi)容要點第三章中低壓容器設(shè)計第九十八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日98第三章中低壓容器設(shè)計壓力容器設(shè)計復(fù)習

3.1殼體的設(shè)計

3.2法蘭的設(shè)計

3.3開孔與補強設(shè)計

3.4臥式容器與支座的設(shè)計

3.5局部應(yīng)力計算

3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計問題第九十九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日99

臥式容器支座形式有圈座、支腿和鞍座。其中鞍座是應(yīng)用最廣泛的一種支承方式，這種支座已標準化，設(shè)計時盡量選擇標準支座，不能選標準則需自行設(shè)計。即使選用標準鞍座，也應(yīng)對筒體的強度和穩(wěn)定性進行校核計算。本節(jié)介紹雙鞍座容器的載荷、內(nèi)力、應(yīng)力的計算及校核等問題。3.4臥式容器與支座的設(shè)計第三章中低壓容器設(shè)計第一百頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日100(1)了解鞍式支座的結(jié)構(gòu)，并能合理確定鞍座的位置。(2)能正確進行雙鞍座臥式容器的載荷、內(nèi)力、應(yīng)力計算和強度校核。3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計第一百零一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日101(1)臥式容器一般用對稱布置的雙鞍座，其受力狀況可簡化為以受均布載荷為主的外伸梁。若鞍座形心至相鄰封頭切線的距離為A，為使跨中截面與支座截面處軸向彎矩絕對值大致相等，一般取A≤0.2L，為了盡量利用封頭對支座處筒體的加強作用，還應(yīng)使A≤0.5Rm。但對于壁厚、長徑比較大的容器，或鞍座處設(shè)有加強圈時，A可稍大一些。3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計第一百零二頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日102(2)雙鞍座臥式容器的載荷除操作壓力外，還有筒體、封頭、附件、充液質(zhì)量載荷和支座反力。若令設(shè)備最大質(zhì)量為m，則鞍座反力F=mg/2：梁長為L（兩封頭切線間距）時，梁上承受均布載荷q和梁兩端的彎矩M、剪力V作用，如下所示。梁的內(nèi)力有軸向彎矩和豎直剪力，其最大彎矩在容器的支座截面或跨中截面上；最大剪力在容器的支座截面處。3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計第一百零三頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日103圖3-2雙鞍座臥式容器受載簡圖3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計第一百零四頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日104跨中截面的彎矩：支座截面的彎矩：(3-18)(3-19)3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計第一百零五頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日105

支座截面的最大剪力，通常在靠近圓筒縱向中心一側(cè)的筒體截面上，為(3-20)3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計第一百零六頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日106(3)臥式容器除操作壓力引起的薄膜應(yīng)力外，還因質(zhì)量載荷和支座反力作用，使筒體跨中截在存在軸向彎曲力，在支座截面既有軸向彎曲應(yīng)力，也有切向剪應(yīng)力和周向應(yīng)力。筒體的軸向應(yīng)力由壓力和軸向彎矩產(chǎn)生的兩部分應(yīng)力組成，如表3-8所示。3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計第一百零七頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日107表3-8筒體的軸向應(yīng)力3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計跨中截面支座截面第一百零八頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日108

從表中可知，最大拉應(yīng)力可能出現(xiàn)在跨中截面的最低點處或鞍座截面的最高點處(若筒體未被加強而要考慮扁塌現(xiàn)象時，則在鞍座的邊角附近)。最大壓應(yīng)力可能出現(xiàn)在筒體和跨中截面的最高點處或鞍座截面的最低點處。驗算應(yīng)力時應(yīng)根據(jù)不同壓力(內(nèi)壓或外壓)和不同工況進行應(yīng)力組合，求出最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力。并使最大拉應(yīng)力不得超過材料的許用應(yīng)力，最大壓應(yīng)力不得超過材料的軸向許用壓縮應(yīng)力。3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計第一百零九頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日109(2)在支座截面處的剪力在筒體中引起切向剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力如下表所示，表中的剪應(yīng)力分別滿足表3-9筒體與封頭的最大剪應(yīng)力3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計位置有加強圈無加強圈水平中心線處鞍座邊角處封頭上h第一百一十頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日110(3)在支座截面上，由周向彎矩和周向壓縮力引起周向應(yīng)力，當無加強圈時，筒體的最大周向應(yīng)力如表3-10所示。表3-10無加強圈筒體的周向應(yīng)力3.4臥式容器與支座的設(shè)計3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計位置無墊板或墊板不起加強作用有墊板加強截面最低點鞍座邊角處鞍座邊角處第一百一十一頁，共一百二十五頁，2022年，8月28日111

表中tre為墊板有效厚度，k為系數(shù)