壓力容器分析設(shè)計基礎(chǔ)

1、壓力容器規(guī)則設(shè)計與分析設(shè)計 1、規(guī)則設(shè)計 2、分析設(shè)計 3、規(guī)則設(shè)計與分析設(shè)計的比較 1、規(guī)則設(shè)計 設(shè)計準則設(shè)計準則 彈性失效準則容器只有完全處于彈性狀態(tài)時才是 安全的，一旦結(jié)構(gòu)內(nèi)某點計算的最大應(yīng)力進入塑性范圍，即 達到或超過材料的屈服極限，就認為整個容器失效。 依據(jù)：靜載構(gòu)件、平均應(yīng)力 1、規(guī)則設(shè)計 缺點與局限性缺點與局限性 由于不考慮可變載荷對容器各個部位引起不同的應(yīng)力與變 形，故無法進行疲勞分析和預計壽命，亦不能推測失效起 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)力評定判據(jù)是不合理的，這對設(shè)計復雜結(jié)構(gòu) 的大型容器很不經(jīng)濟。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)無疑掩蓋了失效的實質(zhì)。其結(jié)果增加了 材料消耗和制造成本，而對容器安全有時適得其反。 2、分析設(shè)計 設(shè)計準則設(shè)計準則 塑性失效準則只有當結(jié)構(gòu)沿厚度方向全部屈服時， 結(jié)構(gòu)才失效。 疲勞失效準則一定許循環(huán)應(yīng)力幅作用下的構(gòu)件，只 有其循環(huán)次數(shù)超過允許的最大循環(huán)次數(shù)后，才會發(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 失效準則。引入極限分析與安定分析概念，采用塑性失效設(shè)計 準則。 應(yīng)用電子計算機技術(shù)和實驗測試技術(shù)，對復雜結(jié)構(gòu)的容器整 體，包括任何不連續(xù)區(qū)域都可以做詳細的彈性應(yīng)力分析與計算。 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 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。當反復受載需作疲勞分析時以疲勞試驗應(yīng)力幅為界限。 引用虛擬應(yīng)力概念可以方便地對高應(yīng)變區(qū)作彈性分析。 2、分析設(shè)計 先進性先進性 比較項目按規(guī)則設(shè)計按分析設(shè)計 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)計標準 2規(guī)范歷史 （第一版或 前身 出版年代） 1989年1994年 3設(shè)計壓力 （最高） 35MPa100MPa 4設(shè)計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不適用工況反復受載疲勞分析高溫蠕變 6設(shè)計準則彈性失效準則塑性失效準則；疲勞失效準則 7采用強度理論最大主

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)計與常規(guī)設(shè)計的比較 9應(yīng)力分析方法材料力學，板殼力學彈性有限元法，彈性理論和板橋理 論解析法，試驗應(yīng)力測試法 10計算復雜性以膜應(yīng)力為基礎(chǔ)計算， 簡單 各種應(yīng)力均需全面計算，復雜 11對熱應(yīng)力的考慮通常與機械應(yīng)力迭加作為二次應(yīng)力 12應(yīng)力評定判據(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) （最小） 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)要求比前者要求嚴格 許用應(yīng)力分類GB150-98,約27種JB4732-95,約27種 15制造與檢驗按壓力容器常規(guī)要求比前者

5、要求嚴格 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)濟性一般結(jié)構(gòu)的容器綜合經(jīng) 濟性好 大型、復雜結(jié)構(gòu)的容器綜合經(jīng)濟性 好（用戶需提供詳細的設(shè)計任務(wù)書） 關(guān)于材料的要求（鋼板） 比較項目GB150-98JB4732-95 1采用的鋼板標準GBYB(T),冶金部推薦，技術(shù)要 求較高；GB 鋼板常溫強度指標高合金鋼板 無有 2鋼板超聲波監(jiān)測條件與合 格級別(逐張) 包扎容器內(nèi)筒鋼板 級 地合金鋼板，25mm 級 16MnR, 30mm 級 20R, 38mm 級 包扎容器內(nèi)筒鋼板 級 調(diào)質(zhì)鋼板 級 不分材料，20mm 級 3拉伸和沖擊試驗（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） 低溫用鋼板最 低使用溫度 （最低沖擊試 驗溫度） 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) 有確認標記 不明確明確 并對使用硬印標記有限制 3封頭的形狀偏 差(封頭內(nèi)徑為 Df) 檢查用樣板弦長不小于 3/4Df 封頭深度不大于45%Df,檢查樣板弦長等于Df 封頭深度大于45%Df,一律按外壓封頭從嚴要求 封頭直邊縱向皺折深度不大于1.5mm 4焊縫對口錯邊 量 不考慮材料因素，按焊 縫類別和厚度規(guī)定允許 錯邊量。例如縱向焊縫， 厚度50mm,錯邊量允許 3mm 增加考慮材料因素，且允許錯邊量從嚴，例如 b540MPa,條件與GB150相同，允許

9、錯邊量 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 制造和檢驗的要求 6殼體直線度允 差 長度 L20mm,允差2/1000; 20mmL30mm,允差1/1000 不分長短檔次，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 對于插入接管， r1/4管厚， 且不大于10mm 8對焊縫的接頭 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 100mm，兩側(cè)咬邊總廠度 不得超過焊縫長度的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)定需要進行熱處理的材料厚度， 不規(guī)定熱處理方法 需要進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)定以外的對接焊縫，允許局部 探傷，檢查長度20%，且不少于 250mm 合格級別； 100%射線探傷、級， 超聲波探傷，級；局部射線探傷， 級，超聲波探傷， 級 對接焊縫與厚度65mm的角焊 接頭，應(yīng)進行100%射線或超聲波 探傷。合格級別：射線探傷， 級； 超聲波探傷，級 14焊縫探傷人員 資格 勞動部門頒發(fā)的資格證書勞動部門頒發(fā)的級探傷或 級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： 沿壁厚均布； 平衡外載，無自限性； 外壓時為壓應(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： 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)， 來源于與內(nèi)壓力的平衡，遍及整個筒體，無自限性。 應(yīng)力梯度實際上是由筒體內(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： 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 設(shè)計準則設(shè)計準則 塑性失效準則只有當結(jié)構(gòu)沿厚度方向全部屈服時， 結(jié)構(gòu)才失效。 疲勞失效準則一定許循環(huán)應(yīng)力幅作用下的構(gòu)件，只 有其循環(huán)次數(shù)超過允許的最大循環(huán)次數(shù)后，才會發(fā)生疲 勞破壞。 低溫用鋼板最 低使用溫度 （最低沖擊試 驗溫度） 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： 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，無自限性，隨半徑r不同而