壓力容器零部件的結(jié)構(gòu)和計(jì)算

壓力容器零部件的結(jié)構(gòu)和計(jì)算1第1頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月本次課程主要內(nèi)容1、壓力容器設(shè)計(jì)方法2、壓力容器失效形式3、強(qiáng)度判據(jù)和強(qiáng)度理論4、圓筒的厚度計(jì)算5、封頭的厚度計(jì)算6、壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)2第2頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月1.壓力容器設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)：它以薄膜應(yīng)力分析和彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)進(jìn)行壓力容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在開孔接管等局部應(yīng)力較復(fù)雜的部位采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行處理。只考慮單一載荷，不考慮交變載荷、容器的疲勞壽命。目前各國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)中仍大量采用常規(guī)設(shè)計(jì)的方法

分析設(shè)計(jì)：必須先進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，即通過解析法或數(shù)值方法，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計(jì)算出來，然后進(jìn)行應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。分析設(shè)計(jì)可應(yīng)用于承受各種載荷、任意結(jié)構(gòu)形式的壓力容器設(shè)計(jì)，克服了常規(guī)設(shè)計(jì)的不足3第3頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月2． 壓力容器失效形式1、失效的概念

壓力容器因機(jī)械載荷或溫度載荷過高而喪失正常工作能力。2、壓力容器及過程設(shè)備的失效形式強(qiáng)度失效剛度失效失穩(wěn)失效泄漏失效4第4頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月2． 壓力容器失效形式1、強(qiáng)度失效因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強(qiáng)度失效。容器中某最大應(yīng)力點(diǎn)超過屈服點(diǎn)后就會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。隨著載荷的增大，容器的朔性區(qū)不斷擴(kuò)大，當(dāng)載荷大到某一極限時(shí)，朔性區(qū)就會(huì)擴(kuò)展到一定的一定范圍，容器便會(huì)失去了承載能力。2、剛度失效由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效，稱為剛度失效。例如，露天立置的塔在風(fēng)載荷作用下，若發(fā)生過大的彎曲變形，會(huì)破壞塔的正常工作或塔體受到過大的彎曲應(yīng)力。5第5頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月2． 壓力容器失效形式3、失穩(wěn)失效在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效稱為失穩(wěn)失效4、腐蝕失效是指與介質(zhì)接觸的器壁受到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕而受到的破壞。6第6頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.強(qiáng)度判據(jù)和強(qiáng)度理論

以殼體主體的基本薄膜應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力值；而對(duì)于因總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的附加應(yīng)力，以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入壁厚計(jì)算公式。我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB150采用的強(qiáng)度判據(jù)是彈性失效準(zhǔn)則

認(rèn)為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)算應(yīng)力進(jìn)入朔性范圍，即達(dá)到或超過材料的屈服點(diǎn)，即認(rèn)為容器失效了。7第7頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.第一強(qiáng)度理論（最大主應(yīng)力理論）

材料無論在什么狀態(tài)下，當(dāng)三個(gè)主應(yīng)力中有一個(gè)在簡(jiǎn)單拉伸或壓縮時(shí)發(fā)生的破壞的數(shù)值時(shí)，材料便認(rèn)為是已經(jīng)破壞了。對(duì)于內(nèi)壓薄壁容器的回轉(zhuǎn)殼體，周向應(yīng)力即為第一主應(yīng)力，經(jīng)向應(yīng)力為第二主應(yīng)力

經(jīng)向應(yīng)力另一個(gè)主應(yīng)力是徑向應(yīng)力

8第8頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月無力矩理論（薄膜理論）

假定壁厚與直徑相比很小，認(rèn)為壁厚很薄幾乎像薄膜一樣，只承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，不承受彎矩，且認(rèn)為殼體內(nèi)的應(yīng)力沿厚度是均勻分布的。這種器壁應(yīng)力又稱為薄膜應(yīng)力。

薄壁殼體在內(nèi)壓作用下必產(chǎn)生應(yīng)力而向外變形，使其曲率半徑增大，故必存在拉伸和彎曲應(yīng)力。在特定條件下，認(rèn)為，彎曲應(yīng)力相對(duì)于拉伸應(yīng)力可以忽略，采用這近似方法分析薄壁殼體的理論為無力矩理論。9第9頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月薄壁圓筒的應(yīng)力基本假設(shè)殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；受載后的變形是彈性小變形；殼壁各層纖維在變形后互不擠壓。圖

薄壁圓筒在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力典型的薄壁圓筒經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力σφ周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力σθ10第10頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月二向應(yīng)力狀態(tài)薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）B點(diǎn)受力分析

內(nèi)壓PB點(diǎn)軸向：經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力σφ?qǐng)A周的切線方向：周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力σθ壁厚方向：徑向應(yīng)力σr三向應(yīng)力狀態(tài)σθ、σφ＞＞σr11第11頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月截面法

sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi

t圖

薄壁圓筒在壓力作用下的力平衡薄殼圓筒的應(yīng)力軸向外力軸向內(nèi)力12第12頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月軸向平衡==2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）13第13頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月截面法

2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi

t作用y截面x方向內(nèi)力半圓環(huán)上外力14第14頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月周向平衡=2.2.1薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力15第15頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月圓筒的厚度計(jì)算容器圓筒承受均勻內(nèi)壓作用時(shí)，其器壁中產(chǎn)生如下薄膜應(yīng)力(設(shè)圓筒的平均直徑為D,壁厚為)第一強(qiáng)度理論16第16頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月圓筒的厚度計(jì)算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價(jià)于Pc≤0.4[σ]tφ

17第17頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月圓筒的厚度計(jì)算圓筒中徑公式適用范圍K≤1.5，等價(jià)于Pc≤0.4[σ]tφ

18第18頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月圓筒的設(shè)計(jì)

1）應(yīng)力狀況：兩向薄膜應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍。2）壁厚計(jì)算公式：符號(hào)說明見GB150。稱中徑公式：適用范圍，K≤1.5，等價(jià)于Pc≤0.4[σ]tφ3）公式來由：內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算公式是從圓筒與內(nèi)壓的靜力平衡條件得出的。

19第19頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月幾個(gè)厚度之間關(guān)系1、計(jì)算厚度2、設(shè)計(jì)厚度3、名義厚度圓整量，(C1為鋼材厚度負(fù)偏差)。4、有效厚度20第20頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1例1一個(gè)內(nèi)壓圓筒，設(shè)計(jì)壓力p＝0.8MPa，設(shè)計(jì)溫度t＝100℃，圓筒內(nèi)徑Di＝1000mm，焊縫采用雙面對(duì)焊，局部無損探傷；工作介質(zhì)對(duì)碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率為Ka＜0.1mm／y，設(shè)計(jì)受命B＝20y，試在Q235-B、16MnR兩種材料中選用兩種作筒體材料，并分別確定兩種材料下簡(jiǎn)體壁厚各為多少，由計(jì)算結(jié)果討論選擇哪種材料更省料。21第21頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月解:工作介質(zhì)對(duì)碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x20=2mm.焊縫采用雙面對(duì)焊，局部無損探傷Φ=0.85筒體材料Q235-B

插GB150=113MPa

計(jì)算厚度按設(shè)計(jì)厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:沒變化,故名義厚度22第22頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月解:工作介質(zhì)對(duì)碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x20=2mm.焊縫采用雙面對(duì)焊，局部無損探傷Φ=0.85筒體材料16MnR

插GB150=170MPa

計(jì)算厚度按設(shè)計(jì)厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:沒變化,故名義厚度結(jié)論:對(duì)Q235-B名義厚度8mm,16MnR名義厚度6mm,從經(jīng)濟(jì)性考慮最終選用Q235-B為宜.23第23頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月球殼的厚度計(jì)算球形容器的殼體，在承受均勻內(nèi)壓作用時(shí)，其周向薄膜應(yīng)力與環(huán)向薄膜應(yīng)力相等，即第一強(qiáng)度理論考慮了容器內(nèi)直徑與平均直徑的關(guān)系和焊接接頭系數(shù)后，球殼的計(jì)算厚度公式為24第24頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月球殼的厚度計(jì)算1、球殼中徑公式適用范圍2、球殼的應(yīng)力校核公式為3、圓筒的應(yīng)力校核公式為

當(dāng)內(nèi)壓和內(nèi)直徑相同時(shí)，球殼的壁厚約為圓筒的一半，消耗鋼材最少。另外球形容器占地面積小，其表面積也最小，相應(yīng)帶來的保溫等費(fèi)用也少，因此球形容器在石油、化工、冶金、國(guó)防等工業(yè)中得以廣泛應(yīng)用，如用以儲(chǔ)存乙烯、液氫、氧氣、液化石油氣、天然氣等。25第25頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月受壓元件球殼設(shè)計(jì)1）應(yīng)力狀況：各向薄膜應(yīng)力相等2）厚度計(jì)算式：稱中徑公式，適用范圍pc≤0.6[σ]等價(jià)于K≤1.3533）公式來由：同圓筒軸向應(yīng)力作用情況4）計(jì)算應(yīng)力的意義：一次總體、薄膜應(yīng)力（環(huán)向、經(jīng)向）控制值：[σ]。

26第26頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月例2一個(gè)內(nèi)壓球殼，設(shè)計(jì)壓力p＝0.86MPa，設(shè)計(jì)溫度t＝70℃，球殼內(nèi)徑Di＝12300mm，焊縫采用雙面對(duì)焊，100%無損探傷；C2=1.5mm,球殼材料20R設(shè)計(jì)球殼厚度.解:C2=1.5mm.Φ=1.00筒體材料20R

插GB150=13.38MPa

計(jì)算厚度按設(shè)計(jì)厚度鋼材厚度負(fù)偏差名義厚度檢查:根據(jù)檢查許用應(yīng)力沒變化,故名義厚度27第27頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月封頭的設(shè)計(jì)（a）半球形封頭；（b）碟形封頭；（c）橢圓形封頭；（d）無折邊球形封頭；（e）無折邊錐形封頭；（f）折邊錐形封頭；（g）平板封頭28第28頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月封頭的設(shè)計(jì)由于封頭和圓筒形器身相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應(yīng)力。1、受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)算需要考慮因素2、受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)算需要考慮因素連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸，封頭與筒身壁厚的比值大小有關(guān)。29第29頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月封頭的設(shè)計(jì)3、封頭設(shè)計(jì)中采用了比較簡(jiǎn)單的方法在導(dǎo)出基本公式時(shí)利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強(qiáng)度判據(jù)中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強(qiáng)影響以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入厚度計(jì)算公式。應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以實(shí)驗(yàn)修正。30第30頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月半球形封頭單位容積的表面積最小；在直徑、壁厚和工作壓力相同的情況下，半球形封頭的應(yīng)力最小兩向薄膜應(yīng)力相等，而且是沿經(jīng)線是均勻分布的。如果若厚度取與圓筒一樣大小，則由不連續(xù)分析可知，兩者連接處的最大應(yīng)力比圓筒周向薄膜應(yīng)力大3.1%。缺點(diǎn)是球形封頭深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量亦較大1、強(qiáng)度計(jì)算2、特點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算同內(nèi)壓球殼31第31頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月橢圓形封頭1、強(qiáng)度計(jì)算K為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)或形狀系數(shù)32第32頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月橢圓形封頭受力情況不如球形封頭，比其他封頭受力好。從薄膜應(yīng)力分析，沿經(jīng)線各點(diǎn)的應(yīng)力是變化的，頂點(diǎn)處應(yīng)力最大，在赤道上出現(xiàn)周向壓應(yīng)力。設(shè)置直變邊段的目的是避免在封頭和圓筒形殼體相交的這以結(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)焊縫，從而避免焊縫邊緣應(yīng)力的問題。2、特點(diǎn)33第33頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月橢圓形封頭經(jīng)向應(yīng)力：最大應(yīng)力在頂點(diǎn)。環(huán)向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在頂點(diǎn)，最大壓應(yīng)力在底邊變形特征：趨圓最大拉應(yīng)力在頂點(diǎn)赤道34第34頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月橢圓形封頭K=35第35頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月碟形封頭受力、變形特征，應(yīng)力分布，穩(wěn)定，控制條件與橢封相似，1、強(qiáng)度計(jì)算2、理論依據(jù)M為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)36第36頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月錐形封頭無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭在導(dǎo)出基本公式時(shí)利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強(qiáng)度判據(jù)中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強(qiáng)影響以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入厚度計(jì)算公式。應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以實(shí)驗(yàn)修正。37第37頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月無折邊錐形封頭當(dāng)錐殼半頂角時(shí)，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)最大薄膜應(yīng)力發(fā)生在大端由第一強(qiáng)度理論，并取，用取代，則其計(jì)算厚度表達(dá)式如下

38第38頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月無折邊錐形封頭橫推力，非圓滑過渡，產(chǎn)生邊緣剪力和邊緣彎矩殼體邊緣中應(yīng)力顯著增大邊緣處殼體的壁厚能否足夠抵抗該最大應(yīng)力？39第39頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月無折邊錐形封頭，不需要加強(qiáng)需要加強(qiáng)Q應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)40第40頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月無折邊錐形封頭，需要加強(qiáng)Q應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)L1=2

錐殼大端加強(qiáng)段長(zhǎng)度的意義是：當(dāng)量圓筒在均布邊界力作用下，圓筒中軸向彎曲應(yīng)力的衰減長(zhǎng)度41第41頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月無折邊錐形封頭小結(jié)當(dāng)錐殼兩端需要加強(qiáng)時(shí)，加強(qiáng)段的厚度不得小于與之相連的錐殼的厚度。當(dāng)錐殼半頂角時(shí)，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)與球形、橢圓形、碟形封頭相比，錐殼受力情況最差。應(yīng)力狀況與圓筒相似，同處的環(huán)向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的兩倍，但不同直徑處應(yīng)力不同任何錐殼與圓筒的連接必須采用全焊透結(jié)構(gòu)。42第42頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月錐形封頭錐體大端過渡區(qū)的壁厚類似碟形封頭的計(jì)算公式為了改善錐體與筒體連接處的受力狀況—應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，由和角的大小查表3-5決定

0.100.150.200.300.400.5010°20°30°35°40°45°50°55°60°0.66440.69560.75440.79800.85470.92531.02701.16081.35000.61110.63570.68190.71610.76040.81810.89440.99801.14330.57890.59860.63570.66290.69810.74400.80450.88591.00000.54030.55220.57490.59140.61270.64020.67650.72490.79230.51680.52230.53290.54070.55060.56350.58040.60280.63370.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.500043第43頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月錐形封頭與過渡區(qū)相連接處的錐體壁厚按下列計(jì)算為了改善錐體與筒體連接處的受力狀況0.100.150.200.300.400.5010°20°30°35°40°45°50°55°60°0.50620.52570.56190.58830.62220.66570.72230.79730.90000.50550.52250.55420.57730.60690.64500.69450.76020.85000.50470.51930.54650.56630.59160.62430.66680.72300.80000.50320.51280.53100.54420.56110.58280.61120.64860.70000.50170.50640.51550.52210.53050.54140.55560.57430.60000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.50000.500044第44頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板封頭圓平板1)應(yīng)力狀況：

兩向彎曲應(yīng)力，徑向、環(huán)向彎曲應(yīng)力。2)兩種極端邊界支持條件。a.簡(jiǎn)支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)不受約束，σmax在板中心，徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力相等。b.固支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)受絕對(duì)約束（等于零），σmax在板邊緣為徑向應(yīng)力。c.螺栓墊片聯(lián)接的平蓋按筒支圓板處理，σmax在板中心。

45第45頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板封頭46第46頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板封頭實(shí)際平板封頭與圓筒體相連接，真實(shí)的支承既不是固支也不是簡(jiǎn)支。在承受內(nèi)壓時(shí)，危險(xiǎn)應(yīng)力可能出現(xiàn)在平板封頭的中心部分，也可能在圓筒與平封頭的連接部位

—非圓形平蓋的形狀系數(shù)，

3.4－2.4，且≤2.5

47第47頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)1、容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強(qiáng)度方面將的影響開孔后使承載截面減小，破環(huán)了原有的應(yīng)力分布接管處容器殼體與接管形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生邊緣應(yīng)力2、應(yīng)力集中系數(shù)若未開孔時(shí)的名義應(yīng)力為,開孔后按彈性方法計(jì)算出的最大應(yīng)力若為，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)的定義為48第48頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板開小圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用49第49頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板開小圓孔的應(yīng)力集中2、兩向拉伸應(yīng)力作用，

50第50頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用51第51頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔

相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔橢圓孔的長(zhǎng)軸與拉伸應(yīng)力的方向一致的方向一致

52第52頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔

相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔橢圓孔的長(zhǎng)軸與拉伸應(yīng)力的方向垂直53第53頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、幾點(diǎn)結(jié)論在球殼上開圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（）小于開橢圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（）在圓柱殼上開圓孔時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)（）若要開設(shè)橢圓孔，則應(yīng)使橢圓孔的長(zhǎng)軸與殼體軸線垂直此時(shí)（）54第54頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月開孔分析的幾點(diǎn)結(jié)論1、開孔的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)儆诰植繎?yīng)力，衰減很快，作用范圍在量級(jí)。2、孔邊應(yīng)力最高，故在孔邊補(bǔ)強(qiáng)最有效。3、球殼上開孔的應(yīng)力集中小于柱殼上的應(yīng)力集中。球殼Kt=2圓柱殼Kt=2.54、在雙向應(yīng)力作用下,圓柱殼開孔邊緣經(jīng)向截面的應(yīng)力集中比周向截面的應(yīng)力集中大得多.55第55頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力容器開孔的強(qiáng)度問題1、容器開孔對(duì)局部薄膜應(yīng)力的影響在壓力作用下,殼體內(nèi)存在著薄膜應(yīng)力.殼體開孔后使承載截面減小，使該截面的平均應(yīng)力增加,而且在開孔邊緣的應(yīng)力分布極為不均勻,隨著距離增加,應(yīng)力增加逐漸減少.在孔邊緣產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力稱為局部薄膜應(yīng)力.2、局部彎曲應(yīng)力接管和殼體在應(yīng)力作用下變形不一致,由于變形協(xié)調(diào),在相貫處產(chǎn)生一對(duì)剪力和彎矩,從而在殼體開孔邊緣和接管端部的局部彎曲應(yīng)力.56第56頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月容器開檢查孔的有關(guān)規(guī)定為檢查壓力容器在使用過程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷，壓力容器應(yīng)開設(shè)檢查孔。檢查孔包括人孔和手孔.手孔應(yīng)開設(shè)在封頭上或封頭附近的筒體上(mm)檢查孔最少數(shù)量檢查孔最小尺寸(mm)備注人孔手孔300-500手孔2個(gè)Ф75或長(zhǎng)圓孔75×50500-1000人孔1個(gè)或手孔2個(gè)(當(dāng)容器無法開人孔時(shí))Ф400或長(zhǎng)圓孔400×250，380×280Ф100或長(zhǎng)圓孔100×80>1000人孔1個(gè)或手孔2個(gè)(當(dāng)容器無法開人孔時(shí))Ф400或長(zhǎng)圓孔400×250，380×280Ф150或長(zhǎng)圓孔150×100球罐人孔最小500mm57第57頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月不需要補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑1、GBl50《鋼制壓力容器》對(duì)不需另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑的最新規(guī)定，當(dāng)殼體開孔滿足下述全部要求時(shí)可允許不需另行補(bǔ)強(qiáng)。（１）設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5MPa；（2）兩相鄰開孔中心的距離(對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管公稱外徑小于或等于89mm；（4）接管最小壁厚滿足下表3-9的要求。接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值＞540MPa＞540MPa，接管與殼體宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)型式。接管的腐蝕裕量為1mm。58第58頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月適用的開孔范圍殼體上開孔直徑越大，則開孔系數(shù)ρ越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越大。因此，我國(guó)GB150《鋼制壓力容器》中對(duì)開孔直徑的最大值加以限制。（1）圓筒開孔的限制，當(dāng)內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤1/2Di，且d≤520mm；當(dāng)內(nèi)徑>1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤1/3Di，且d≤1000mm。（2）凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d≤1/2Di。（3）錐殼（或錐形封頭）的開孔最大直徑d≤1/3Di，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。（4）在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時(shí)，其孔的中心線宜垂直于封頭表面59第59頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則認(rèn)為在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則安定性補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則由于開孔只造成殼體的局部強(qiáng)度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個(gè)截面進(jìn)人塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動(dòng)，此時(shí)的載荷便為極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即以大量的計(jì)算可以定出補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)，這就是極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則60第60頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則安定性補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則它不涉及塑性分析方法而僅用彈性分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，但允許接管部位的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，從而局部材料會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，但控制該最大彈性虛擬應(yīng)力不得超過一定限度仍可保證安全。用(英國(guó)用)來限制開孔部位最大應(yīng)力值(按彈性分析得出的)的準(zhǔn)則稱為安定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則61第61頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則-等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積。優(yōu)點(diǎn)：在一般情況下可以滿足開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的需要，方法簡(jiǎn)便，且在工程上有很長(zhǎng)的使用歷史和經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)的容器標(biāo)準(zhǔn)主要采用了這一方法。缺點(diǎn)：等面積法忽視了開孔處應(yīng)力集中與開孔系數(shù)的影響，例如相同大小的孔，當(dāng)殼體直徑很大時(shí)較小，造成的強(qiáng)度削弱就少，反之殼體直徑很小時(shí)很大，造成的削弱也大。因此等面積法有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。62第62頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)1、局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)指另外在殼體開孔處的一定范圍內(nèi)增加補(bǔ)強(qiáng)元件或增大殼體壁厚、接管壁厚。如果將連接處的接管或殼體壁厚適當(dāng)加厚，上述局部地區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)在很大程度上得到緩和，應(yīng)力集中系數(shù)可以控制在所允許的范圍內(nèi)。2、整體補(bǔ)強(qiáng)

用增加整個(gè)殼體壁厚的辦法來降低開孔附近的應(yīng)力；由于開孔應(yīng)力集中的明顯局部性，在不大的范圍以外便恢復(fù)到正常的應(yīng)力值，故除了制造或結(jié)構(gòu)上的需要以外，一般并不需要把整個(gè)容器壁加厚。63第63頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的原理1、補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，有一定補(bǔ)償效果，故使用廣泛。但補(bǔ)強(qiáng)圈與殼壁之間存在著一層靜止空氣隙，傳熱效果較差，兩者溫差應(yīng)力較大，在補(bǔ)強(qiáng)的局部地區(qū)容易產(chǎn)生附加溫差應(yīng)力2、接管補(bǔ)強(qiáng)在開孔處焊上一段加厚的短管。接管的加厚部分，正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。64第64頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的原理將接管和殼體連接處及加強(qiáng)部分做成一個(gè)整體鍛件，然后再與接管和殼體焊在一起。其優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大的部位，應(yīng)力集中系數(shù)最小。并且采用對(duì)接焊接接頭，使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)的位置，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10％～15％左右。3、整鍛件補(bǔ)強(qiáng)65第65頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積由于應(yīng)力集中的局部性，等面積補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為在圖3-17所示的WXYZ的矩形范圍內(nèi)實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是有效的，超過此范圍實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是沒有作用的66第66頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積由于應(yīng)力集中的局部性，等面積補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為在圖3-17所示的WXYZ的矩形范圍內(nèi)實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是有效的，超過此范圍實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是沒有作用的有效寬度B有效高度H外側(cè)高度內(nèi)側(cè)高度67第67頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積—?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積

—接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積—焊縫金屬的截面積，mm2?？筛鶕?jù)角焊縫的具體尺寸計(jì)算確定

開孔后不需要另加補(bǔ)強(qiáng)開孔后需要另加補(bǔ)強(qiáng)68第68頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算其另加補(bǔ)強(qiáng)面積開孔后不需要另加補(bǔ)強(qiáng)開孔后需要另加補(bǔ)強(qiáng)69第69頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計(jì)舉例內(nèi)徑Di＝1800mm的圓柱形容器，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，在封頭中心設(shè)置Φ159×4.5