壓力容器分析設計基礎

1、壓力容器規(guī)則設計與分析設計 1、規(guī)則設計 2、分析設計 3、規(guī)則設計與分析設計的比較 1、規(guī)則設計 設計準則設計準則 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，一旦結構內某點計算的最大應力進入塑性范圍，即 達到或超過材料的屈服極限，就認為整個容器失效。 依據：靜載構件、平均應力 1、規(guī)則設計 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耗盡。不同性質的 應力取同一應力評定判據是不合理的，這對設計復雜結構 的大型容器很不經濟。而有效利用結構的塑性行為已被證

2、 明是可行的。 取較高的安全系數無疑掩蓋了失效的實質。其結果增加了 材料消耗和制造成本，而對容器安全有時適得其反。 2、分析設計 設計準則設計準則 塑性失效準則只有當結構沿厚度方向全部屈服時， 結構才失效。 疲勞失效準則一定許循環(huán)應力幅作用下的構件，只 有其循環(huán)次數超過允許的最大循環(huán)次數后，才會發(fā)生疲 勞破壞。 考慮了超出彈性范圍以后結構的塑性行為，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，采用塑性失效設計 準則。 應用電子計算機技術和實驗測試技術，對復雜結構的容器整 體，包括任何不連續(xù)區(qū)域都可以做詳細的彈性應力分析與計算。 按不同性質的應力分類和失效形式給予不同的限制條件。機 械

3、應力以極限載荷為界限；不連續(xù)應力或熱應力以安定載荷為 界限。當反復受載需作疲勞分析時以疲勞試驗應力幅為界限。 引用虛擬應力概念可以方便地對高應變區(qū)作彈性分析。 2、分析設計 先進性先進性 比較項目按規(guī)則設計按分析設計 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設計壓力 （最高） 35MPa100MPa 4設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、應力理論最大切應力理論 8應力分類不分類按應力性質不同分類 3. 規(guī)則設計與常規(guī)設計的比較 9應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，試驗應力測試法 10計算復雜性以膜應力為基礎計算， 簡單 各種應力均需全面計算，復雜 11對熱應力的考慮通常與機械應力迭加作為二次應力 12應力評定判據取相同判據按應力分類取不同判據 13基本安全系數 （最?。?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 必須有相應的許可證，例如第三類 壓力容器許可證 16綜合經濟性一般結構的容器綜合經 濟性好 大型、復雜結構的容器綜合經濟性 好（用戶需提供詳細的設計任務書） 關于材料的要求（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) 包扎容器內筒鋼板 級 地合金鋼板，25mm 級 16MnR, 30mm 級 20R, 38mm 級 包扎容器內筒鋼板 級 調質鋼板 級 不分材料，20mm 級 3拉伸和沖擊試驗（逐張）調質

6、鋼板 包扎容器內筒鋼板 調質鋼板 包扎容器內筒鋼板 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 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)定內表面轉角半徑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 應力分析設計方法概要 一、應力性質 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.容器熱應力

12、 一、應力性質 1.薄壁容器 )2( 2 2 1 22 2 r r T pr T pr 應力特點： 沿壁厚均布； 平衡外載，無自限性； 外壓時為壓應力，需 考慮失穩(wěn)。 一、應力性質 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、應力性質 2.厚壁容器 為了分析應力的性質，將非線性分布的應力視為均 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、應力性質 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 應力的特點： 均勻分布的應力與薄壁容器中的薄膜應力具有相同的性質， 來源于與內壓力的平衡，遍及整個筒體，無自限性。 應力梯度實際上是由筒體內外各處變形不同引起的。源于 變形協(xié)調，具有自限性。 非線性分布應力為應力梯度中的非線性部分。具有自限性， 只出現在局部小范

14、圍。 一、應力性質 2. 厚壁容器 一、應力性質 3、平板端蓋 環(huán)向應力 徑向應力 應力主要特點： 應力沿板厚線性分布，最大值在板表面，中間面應力 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、應力性質 4、殼體不連續(xù)區(qū) 容器上不連續(xù)區(qū)的應力可以由薄膜 應力與邊緣應力疊加得出： 經向應力 周向應力 邊緣應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、分析設計 設計準則設計準則 塑性失效準則只有當結構沿厚度方向全部屈服時， 結構才失效。 疲勞失效準則一定許循環(huán)應力幅作用下的構件，只 有其循環(huán)次數超過允許的最大循環(huán)次數后，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 應力分析設計方法概要 一、應力性質 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.容器熱應力 一、應力性質 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、應力性質 3、平板端蓋 環(huán)向應力 徑向應力 應力主要特點： 應力沿板厚線性分布，最大值在板表面，中間面應力 為零； 與外載荷相平衡，無自限性，隨半徑r不同而