壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識

壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識1第一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

2第二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

這一章內(nèi)容主要闡述了化工容器的特點(diǎn)，從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面分析了設(shè)計(jì)壓力容器的基本要求，同時(shí)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。3第三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)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(diǎn)和設(shè)計(jì)壓力容器的基本要求。(3)充分認(rèn)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4第四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

1.2內(nèi)容要點(diǎn)(1)“壓力容器設(shè)計(jì)”的任務(wù)是研究容器在壓力、溫度和化學(xué)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(jì)容器截面形狀和尺寸提供有關(guān)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析和密封性的基本理論和方法。5第五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

1.2內(nèi)容要點(diǎn)(2)壓力容器設(shè)計(jì)是以材料力學(xué)、機(jī)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(xué)習(xí)本課程不僅要掌握壓力容器的一般設(shè)計(jì)方法，重在掌握基本原理和設(shè)計(jì)思想，學(xué)會(huì)綜合運(yùn)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(shí)際問題。6第六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

1.2內(nèi)容要點(diǎn)(3)壓力容器的本身特點(diǎn)決定其安全性是核心問題，因此設(shè)計(jì)容器應(yīng)當(dāng)是以安全為前提，綜合考慮質(zhì)量保證的各個(gè)環(huán)節(jié)，盡可能做到經(jīng)濟(jì)合理，可靠的密封性，足夠的安全壽命，即使容器滿足強(qiáng)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。7第七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

1.2內(nèi)容要點(diǎn)(4)壓力容器的質(zhì)量管理和質(zhì)量保證體系是更嚴(yán)格意義上的安全性，它是近代系統(tǒng)工程學(xué)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(yàn)、設(shè)計(jì)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(jì)、材料、制造與制造過程中的檢驗(yàn)、在役檢驗(yàn)與監(jiān)控四個(gè)方面。其中，設(shè)計(jì)是先導(dǎo)，材料是基礎(chǔ)，制造是關(guān)鍵，檢驗(yàn)是保征。8第八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

1.2內(nèi)容要點(diǎn)(5)正確選擇和合理使用材料是壓力容器設(shè)計(jì)的一個(gè)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(xué)性能和工藝性能兩方面的要求。前者包括適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、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(diǎn)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。9第九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

1.2內(nèi)容要點(diǎn)(6)

壓力容器用鋼按化學(xué)成分與用途主要有三類，即普通碳素鋼、低合金(高強(qiáng)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(biāo)和提高了質(zhì)量檢驗(yàn)要求。

10第十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

1.2內(nèi)容要點(diǎn)

(7)壓力容器的設(shè)計(jì)和制造都需遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是綜合了理論、試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)物，在法律上是強(qiáng)制性的。我國的壓力容器設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)”。同時(shí)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(yàn)等必須遵循的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這些共同組成以GBI5O為核心的標(biāo)準(zhǔn)體系，是壓力容器質(zhì)量管理和質(zhì)量保證體系中加強(qiáng)法制的具體表現(xiàn)。11第十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第一章壓力容器設(shè)計(jì)概論

1.2內(nèi)容要點(diǎn)(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(yán)格。12第十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1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)力第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

13第十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力第二章容器設(shè)計(jì)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(jì)算。14第十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1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(qiáng)度計(jì)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(jì)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)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(xué)習(xí)。第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)15第十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.1基本要求(1)了解回轉(zhuǎn)薄殼應(yīng)力分析中采用兩種計(jì)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(xué)會(huì)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(jì)算。第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)16第十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(jì)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2.1.1基本要求第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)17第十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(1)工程實(shí)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(diǎn)，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(jì)的理論基礎(chǔ)18第十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(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(gè)邊上存在法向力N、N，彎矩M、M和橫向力Q等五個(gè)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(jì)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(jì)的理論基礎(chǔ)19第十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(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(jì)算殼體薄膜應(yīng)力的兩個(gè)重要幾何參數(shù)。從定義出發(fā)，Rl是殼體上任意點(diǎn)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(diǎn)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(jì)的理論基礎(chǔ)20第二十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)

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(diǎn)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(diǎn)變化的，如橢球殼，尖頂殼等。第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)21第二十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(4)按無力矩理論計(jì)算回轉(zhuǎn)殼體薄膜應(yīng)力是薄壁容器強(qiáng)度計(jì)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(xué)“截面法”計(jì)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(gè)基本方程。以求解殼體上任意點(diǎn)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(jì)的理論基礎(chǔ)22第二十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)將式(2-1)中的N

從代入式(2-2’)，并將所得表達(dá)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(jì)的理論基礎(chǔ)23第二十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(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(jì)的理論基礎(chǔ)24第二十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(2-2)

(2-1)和(2-2)兩個(gè)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(diǎn)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(jì)的理論基礎(chǔ)25第二十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(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(jì)關(guān)心的殼體內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力。對于上述的N、N,相當(dāng)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(jì)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(jì)的理論基礎(chǔ)26第二十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(6)軸對稱加載的回轉(zhuǎn)殼體，產(chǎn)生軸對稱變形。當(dāng)薄膜應(yīng)力已知時(shí)，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(jì)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(fù)，反之為正；轉(zhuǎn)角以回轉(zhuǎn)軸左側(cè)的經(jīng)線為準(zhǔn)、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，反之為負(fù)。在以后殼體不連續(xù)分析時(shí)所采用的符號要與之一致。第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)27第二十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)(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?shí)際不能抵抗彎曲，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(shí)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(shí)現(xiàn)第二種的無力矩工作狀態(tài)就必須滿足三個(gè)限制條件，即：第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)28第二十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)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(jì)的理論基礎(chǔ)29第二十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.1回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力2.1.2內(nèi)容要點(diǎn)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(shí)例。第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)30第三十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

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31第三十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2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(shí)計(jì)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(xué)會(huì)用變形連續(xù)性條件和迭加原理計(jì)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(jì)的理論基礎(chǔ)32第三十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)(1)前一節(jié)壓力容器受內(nèi)壓作用時(shí)，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(jì)。實(shí)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(jì)的理論基礎(chǔ)33第三十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)(2)當(dāng)考慮較簡單的圓柱殼對稱彎曲問題時(shí)，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(xué)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?xiàng)l件三個(gè)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(jì)的理論基礎(chǔ)34第三十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)

該方程通解等于齊次方程的通解加上一個(gè)不為零的特解，可以近似把薄膜解當(dāng)作一個(gè)特解，于是第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)35第三十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)

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(jì)的理論基礎(chǔ)36第三十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)由此得到各內(nèi)力的表達(dá)式為：第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)37第三十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)在受載端的撓度和轉(zhuǎn)角為：第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)38第三十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)(3)實(shí)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(jī)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(jì)的理論基礎(chǔ)39第三十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)(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(jì)的理論基礎(chǔ)40第四十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)

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(jì)的理論基礎(chǔ)41第四十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.2壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)(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(jì)，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(shí)，確定不連續(xù)應(yīng)力具有重要的意義，因?yàn)楦邞?yīng)力可成為疲勞失效的發(fā)源地或直接導(dǎo)致脆性破裂。第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)42第四十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

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43第四十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1基本要求第二章容器設(shè)計(jì)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(jì)算。(4)了解用疊加法對實(shí)際容器結(jié)構(gòu)中環(huán)板彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法。44第四十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第二章容器設(shè)計(jì)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(dāng)w/t<<1時(shí)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。45第四十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)(2)彈性薄板小撓度理論采用三個(gè)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。46第四十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第二章容器設(shè)計(jì)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47第四十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

對于中心無孔的實(shí)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：48第四十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

(4)

對于均布載荷作用下的實(shí)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：49第四十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第二章容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

(4)

對于均布載荷作用下的實(shí)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：50第五十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第二章容器設(shè)計(jì)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。51第五十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五2.3圓形平板的應(yīng)力2.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第二章容器設(shè)計(jì)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(gè)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(dāng)已有各種簡單載荷下問題的解時(shí)，可以用疊加法計(jì)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(shí)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。52第五十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)

3.2法蘭的設(shè)計(jì)

3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)

3.5局部應(yīng)力計(jì)算

3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題第三章中低壓容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

53第五十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計(jì)

壓力容器按規(guī)則設(shè)計(jì)(DesignbyRule)又稱常規(guī)設(shè)計(jì)，特點(diǎn)是以彈性失效為準(zhǔn)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(dǎo)出設(shè)計(jì)計(jì)算公式。我國壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)以“鋼制壓力容器”國家標(biāo)準(zhǔn)(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(jì)及平板封頭設(shè)計(jì)。54第五十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計(jì)(1)掌握殼體設(shè)計(jì)公式的計(jì)算依據(jù)、失效準(zhǔn)則及強(qiáng)度條件。(2)理解設(shè)計(jì)公式中各參數(shù)，設(shè)計(jì)壓力p、設(shè)計(jì)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(qiáng)系數(shù)、試驗(yàn)壓力pT、試驗(yàn)溫度等的定義或意義，學(xué)會(huì)正確選用設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。(3)掌握各種封頭的力學(xué)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(xué)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(jì)條件相適應(yīng)的容器用材。55第五十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)(1)中低壓容器回轉(zhuǎn)殼體的設(shè)計(jì)以無力矩理論為基礎(chǔ)確定基本應(yīng)力，用彈性失效準(zhǔn)則，并以第一強(qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件，即組合殼體設(shè)計(jì)時(shí)，各殼體厚度分別計(jì)算；對具有明顯彎曲應(yīng)力(或邊緣效應(yīng))的殼體，在設(shè)計(jì)公式中引入應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)或局部增加壁厚。56第五十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)(2)按設(shè)計(jì)公式計(jì)算而得的殼體計(jì)算壁厚t是單純滿足機(jī)械強(qiáng)度所需的基本壁厚，如：圓筒計(jì)算壁厚球殼計(jì)算壁厚(3-1)(3-2)殼體設(shè)計(jì)壁厚td=t+C2,是設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)滿足強(qiáng)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(jì)圖紙標(biāo)注的厚度。57第五十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)殼體有效壁厚te=tn-C，是實(shí)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(yùn)輸時(shí)對殼體剛度要求的最小厚度。在以強(qiáng)度計(jì)算確定壁厚的同時(shí)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(shí)，tmin＝2Di/1000且不小于3mm；內(nèi)徑Di＞3800mm時(shí)，tmin按運(yùn)輸和現(xiàn)場制造、安裝條件確定對于不銹鋼容器，tmin＝2mm58第五十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)(3)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及選擇原則①設(shè)計(jì)壓力p：相應(yīng)設(shè)計(jì)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(dāng)要計(jì)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(shí)，應(yīng)取上述設(shè)計(jì)壓力與該液柱靜壓力之和對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。59第五十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)②設(shè)計(jì)溫度T：相應(yīng)設(shè)計(jì)壓力下容器正常工作時(shí)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(dá)到的最高金屬溫度，或0C以下時(shí)不得高于元件可能達(dá)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(qiáng)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(jì)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。60第六十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)④壁厚附加量C：C=C1+C2C1為鋼板或鋼管的厚度負(fù)偏差，鋼板按GB708、709選?。蝗缡褂冒碮B(T)40供貨的鋼板則C1＝0.25mm，且C1≤6％tn時(shí)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(biāo)準(zhǔn)。

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(jì)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(shí)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。61第六十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)⑤許用應(yīng)力[]t

：針對失效類型由材料相應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)(強(qiáng)度極限b、屈服點(diǎn)y

、蠕變極限Ct

、持久強(qiáng)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(qiáng)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：62第六十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)(4)壓力容器制造完畢必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)(液壓或氣壓)，目的是檢驗(yàn)容器超工作壓力下的宏觀強(qiáng)度、焊縫致密性及密封可靠性。液壓試驗(yàn)介質(zhì)一般是水，氣壓試驗(yàn)主要在液壓試驗(yàn)不宜時(shí)采用。對奧氏體不銹鋼，液壓試驗(yàn)后應(yīng)將水漬去除干凈或試驗(yàn)時(shí)控制介質(zhì)中Cl-≤25ppm以防止腐蝕。試驗(yàn)壓力pT為：63第六十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)

試驗(yàn)溫度以高于材料實(shí)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(yàn)前需對筒體應(yīng)力進(jìn)行校核(液壓時(shí)計(jì)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(yàn)(氣密性試驗(yàn)或煤油滲透試驗(yàn))，氣密性試驗(yàn)壓力為1.05p。

64第六十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)(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(jì)公式及結(jié)構(gòu)尺寸要求查相應(yīng)表格。65第六十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.1殼體的設(shè)計(jì)3.1.1內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)(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(xué)性能較差，故主要用于常壓或小直徑高壓容器。設(shè)計(jì)公式以均布載荷p下圓板最大應(yīng)力為依據(jù)，按第一強(qiáng)度理論得平蓋計(jì)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。66第六十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第三章中低壓容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

3.1殼體的設(shè)計(jì)

3.2法蘭的設(shè)計(jì)

3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)

3.5局部應(yīng)力計(jì)算

3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題67第六十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五

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(qiáng)度等出發(fā)，簡要介紹墊片、螺栓及法蘭本體的設(shè)計(jì)等問題。3.2法蘭的設(shè)計(jì)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)68第六十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(jì)算及螺栓的設(shè)計(jì)問題。(4)了解法蘭的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，能使用法蘭標(biāo)準(zhǔn)正確選用法蘭。(5)掌握非標(biāo)準(zhǔn)法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的確定和強(qiáng)度計(jì)算方法。3.2法蘭的設(shè)計(jì)3.2.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計(jì)69第六十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(1)法蘭連接通過緊固螺栓壓緊墊片實(shí)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(shí)，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(dāng)這種阻力大于密封元件兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時(shí)，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(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)70第七十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(2)法蘭連接設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)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(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)71第七十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五預(yù)緊密封比壓y和墊片系數(shù)m是表征墊片特征的兩個(gè)主要參數(shù)。預(yù)緊密封比壓y是指預(yù)緊時(shí)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(shí)達(dá)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(jì)時(shí)，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(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)72第七十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(shí)密封不漏，又要不致把墊片壓壞。計(jì)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(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)受力狀態(tài)螺栓最小載荷(N)螺栓最小面積(mm2)預(yù)緊操作73第七十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五設(shè)計(jì)所需螺栓面積取大值。并按下式計(jì)算螺栓根徑滿足法蘭環(huán)剛度和安裝等要求，設(shè)計(jì)時(shí)必須合理調(diào)配螺栓的大小和個(gè)數(shù)，并要求實(shí)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(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)74第七十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)75第七十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五法蘭標(biāo)準(zhǔn)有壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)(JB4700-4707-92)和鋼制管法蘭標(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn)，按不同公稱直徑(DN)和公稱壓力(PN)選擇。由于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)，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(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)76第七十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五

法蘭設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行應(yīng)力分析，經(jīng)簡化得設(shè)計(jì)公式。非標(biāo)準(zhǔn)法蘭從設(shè)計(jì)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(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)77第七十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五圖3-1法蘭受力圖3.2法蘭的設(shè)計(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)78第七十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.2法蘭的設(shè)計(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)79第七十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.2法蘭的設(shè)計(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)80第八十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五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(diǎn)處的應(yīng)力。3.2法蘭的設(shè)計(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)81第八十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五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(jì)算剪應(yīng)力，式中(A為剪切面積)。(3-9)3.2法蘭的設(shè)計(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)82第八十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五

應(yīng)力校核(3-10)3.2法蘭的設(shè)計(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)83第八十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五頸部的軸向彎曲應(yīng)力1按極限載荷設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)溫度下許用應(yīng)力的0.8倍3.2法蘭的設(shè)計(jì)3.2.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)84第八十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第三章中低壓容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

3.1殼體的設(shè)計(jì)

3.2法蘭的設(shè)計(jì)

3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)

3.5局部應(yīng)力計(jì)算

3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題85第八十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(jì)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(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，正確理解主要補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的原理。(3)掌握等面積補(bǔ)強(qiáng)法的計(jì)算方法。3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計(jì)86第八十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。受壓殼體開小孔時(shí)，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(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)87第八十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)88第八十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(dá)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(xué)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(jì)算局部應(yīng)力。3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)89第八十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(3)殼體與接管連接處不可避免會(huì)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(jì)時(shí)往往需要采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)度外的富裕金屬能起補(bǔ)強(qiáng)作用，凡是開孔接管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)Kt≤3時(shí)，可以不另行補(bǔ)強(qiáng)。GB150-89規(guī)定，對于設(shè)計(jì)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(shí)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)的條件為；當(dāng)殼體的Tn>12mm時(shí)，接管DN≤80mm，當(dāng)殼體的Tn≤12mm時(shí)，接管DN≤50mm。3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)90第九十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(4)由于開孔應(yīng)力集中的局部性，一般采用局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)貼板補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗(yàn)成熟，但補(bǔ)強(qiáng)面積分散，作用并不大，而且補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體搭接處剛度大，焊接易產(chǎn)生裂紋?？蛊谛阅懿睢囟容^高時(shí)，熱應(yīng)力較大。厚壁管補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，補(bǔ)強(qiáng)面積集中，能有效降低應(yīng)力集中系數(shù)。整鍛件補(bǔ)強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)91第九十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(5)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的方法。等面積法：該法是在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，使補(bǔ)強(qiáng)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(dāng)小開孔時(shí)，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(shí)，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(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)92第九十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(5)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的方法。極限分析法：以開孔補(bǔ)強(qiáng)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(jì)方法，在GB150中，將此法稱為“開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的另一方法”。3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)93第九十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五5等面積法的計(jì)算3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)94第九十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)95第九十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(3)有效補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)96第九十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)wXYZtn圖3-2等面積補(bǔ)強(qiáng)簡圖開孔削弱的截面積A0殼體計(jì)算壁厚外多余的金屬面積A1

有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另外增加的補(bǔ)強(qiáng)元件的金屬截面積接管計(jì)算厚度外的多余金屬截面積有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)焊縫金屬截面積97第九十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五（5）有效補(bǔ)強(qiáng)面積筒體多余金屬面積接管多余金屬面積有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)焊縫金屬截面積A3。當(dāng)時(shí)，不需補(bǔ)強(qiáng)，否則補(bǔ)強(qiáng)面積為圓筒體的斜接管，封頭的非徑向接管開孔補(bǔ)強(qiáng)以及大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，可參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.3.2內(nèi)容要點(diǎn)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)98第九十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五第三章中低壓容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

3.1殼體的設(shè)計(jì)

3.2法蘭的設(shè)計(jì)

3.3開孔與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)

3.5局部應(yīng)力計(jì)算

3.6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題99第九十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五

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(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)支座，不能選標(biāo)準(zhǔn)則需自行設(shè)計(jì)。即使選用標(biāo)準(zhǔn)鞍座，也應(yīng)對筒體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算。本節(jié)介紹雙鞍座容器的載荷、內(nèi)力、應(yīng)力的計(jì)算及校核等問題。3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)第三章中低壓容器設(shè)計(jì)100第一百頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(jìn)行雙鞍座臥式容器的載荷、內(nèi)力、應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核。3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)3.4.1基本要求第三章中低壓容器設(shè)計(jì)101第一百零一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(qiáng)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(qiáng)圈時(shí)，A可稍大一些。3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)102第一百零二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(shí)，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(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)103第一百零三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五圖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(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)104第一百零四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五跨中截面的彎矩：支座截面的彎矩：(3-18)(3-19)3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)105第一百零五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五

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(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)106第一百零六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)107第一百零七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五表3-8筒體的軸向應(yīng)力3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)跨中截面支座截面108第一百零八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五

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(diǎn)處或鞍座截面的最高點(diǎn)處(若筒體未被加強(qiáng)而要考慮扁塌現(xiàn)象時(shí)，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(diǎn)處或鞍座截面的最低點(diǎn)處。驗(yàn)算應(yīng)力時(shí)應(yīng)根據(jù)不同壓力(內(nèi)壓或外壓)和不同工況進(jìn)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(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)109第一百零九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)位置有加強(qiáng)圈無加強(qiáng)圈水平中心線處鞍座邊角處封頭上h110第一百一十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五(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(dāng)無加強(qiáng)圈時(shí)，筒體的最大周向應(yīng)力如表3-10所示。表3-10無加強(qiáng)圈筒體的周向應(yīng)力3.4臥式容器與支座的設(shè)計(jì)3.4.2內(nèi)容提要第三章中低壓容器設(shè)計(jì)位置無墊板或墊板不起加強(qiáng)作用有墊板加強(qiáng)截面最低點(diǎn)鞍座邊角處鞍座邊角處111第一百一十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期五

表中tre為墊板有效厚度，k為系數(shù)