壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4)課件

1、壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 壓力容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì) （一）（一） 濟(jì)南石油化工設(shè)計(jì)院濟(jì)南石油化工設(shè)計(jì)院 黃黃 泓泓 電話：5 ， 二一一年三月 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 內(nèi)容簡介 GB150-1998鋼制壓力容器鋼制壓力容器第第5、6章章 一、內(nèi)壓圓筒 二、內(nèi)壓球殼 三、外壓圓筒 四、外壓球殼 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 一、內(nèi)壓圓筒 1、圓筒圓筒 1）內(nèi)壓作用下圓筒內(nèi)應(yīng)力狀況：）內(nèi)壓作用下圓筒內(nèi)應(yīng)力狀況： 根據(jù)旋轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論（薄膜理根據(jù)旋轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論（薄膜理 論），在內(nèi)壓作用下，圓筒受兩向應(yīng)力論），在內(nèi)壓作用下，圓筒受兩向應(yīng)力 作用，即環(huán)向應(yīng)力，軸向應(yīng)力，由這兩作用，

2、即環(huán)向應(yīng)力，軸向應(yīng)力，由這兩 個薄膜應(yīng)力來平衡外力（內(nèi)壓）這兩個個薄膜應(yīng)力來平衡外力（內(nèi)壓）這兩個 應(yīng)力的值可以通過靜力平衡來求得：應(yīng)力的值可以通過靜力平衡來求得： （1）圓筒在內(nèi)壓）圓筒在內(nèi)壓P作用下的軸向應(yīng)力作用下的軸向應(yīng)力 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) D圓筒的中間直徑或稱中徑，mm； D= 2 io DD = Di + D0圓筒的外直徑，mm； Di圓筒的內(nèi)直徑，mm； 圓筒的計(jì)算厚度，mm； 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 圓筒受壓力圓筒受壓力pc的軸向作用：的軸向作用： P在圓筒軸向產(chǎn)生的總軸向力：在圓筒軸向產(chǎn)生的總

3、軸向力： F1=D2P/4 此軸向力由圓筒橫截面的面積來承受，此軸向力由圓筒橫截面的面積來承受， 圓筒橫截面積：圓筒橫截面積： fi=D 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 4 4 2 PD D PD t PD 4 1 由此產(chǎn)生的圓筒軸向應(yīng)力：由此產(chǎn)生的圓筒軸向應(yīng)力： m= 當(dāng)控制當(dāng)控制h 當(dāng)控制當(dāng)控制mt 時，時， 焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù) 則：則： 時，則：時，則： 此即按圓筒軸向應(yīng)力計(jì)算的壁厚公式。此即按圓筒軸向應(yīng)力計(jì)算的壁厚公式。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 焊縫部位可能存在著夾渣、氣孔、未焊透、 未熔合、裂紋等缺陷，同時由于焊接加熱過程 中，對焊縫兩側(cè)的熱影響產(chǎn)生許多不利因素， 如焊

4、接熱影響區(qū)被淬硬，塑性下降、焊接內(nèi)應(yīng) 力的產(chǎn)生等，都會使焊縫金屬或母材的機(jī)械性 能降低。因此在設(shè)計(jì)時應(yīng)將設(shè)計(jì)溫度下圓筒材 料的許用應(yīng)力 t 乘以一個焊接接頭系數(shù) 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) （2）圓筒受壓力）圓筒受壓力P的徑向作用（見圖）的徑向作用（見圖） P對圓筒徑向作用，在半個圓筒投影對圓筒徑向作用，在半個圓筒投影 面上產(chǎn)生的合力（沿圖中垂直方向）：面上產(chǎn)生的合力（沿圖中垂直方向）： F2=PDL 承受此垂直合力的圓筒縱截面面積：承受此垂直合力的圓筒縱截面面積： f2=2L 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 22 DP L LDP t DP 2 2 由此產(chǎn)

5、生的圓筒環(huán)向應(yīng)力：由此產(chǎn)生的圓筒環(huán)向應(yīng)力： t= 當(dāng)控制當(dāng)控制tt時，時， 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 將Di=D-代入公式,以計(jì)算壓力Pc代替設(shè) 計(jì)壓力P得出 此式稱為內(nèi)壓圓筒的計(jì)算公式（中徑公式）。此式稱為內(nèi)壓圓筒的計(jì)算公式（中徑公式）。 （GB150-1998 第第26頁式頁式5-1 ） c t ic P DP 2 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) （3）公式來由：公式來由： 內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算公式是從圓筒與內(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。內(nèi)壓的靜力平衡條件得出的。旋轉(zhuǎn)薄殼旋轉(zhuǎn)薄殼 無力矩理論是其理論基礎(chǔ)，第一強(qiáng)度理無力矩理論是其理論基礎(chǔ)，第一強(qiáng)度理 論是其制定

6、的理論依據(jù)論是其制定的理論依據(jù)。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 由上述公式可以得出以下結(jié)論： a、圓筒體上周向（環(huán)向）應(yīng)力t是經(jīng)向 （軸向）應(yīng)力m的兩倍，而周向應(yīng)力作用于縱 向截面 ，環(huán)向應(yīng)力所作用與環(huán)縱向截面。 b、由于周向應(yīng)力t是經(jīng)向應(yīng)力m的兩倍， 由此可知，周向應(yīng)力所作用的縱向截面是危險 截面。這里可以說明為什么在焊接接頭分類里， 圓筒體的縱焊縫為A類焊接接頭，環(huán)焊縫為B 類焊接接頭；在筒體上開橢圓形人孔時使長軸 垂直與筒體軸線。 c、應(yīng)力與D/成正比。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 適用范圍 Pc0.4t （D0/Di1.5） 上述計(jì)算公式是以薄膜理論為基礎(chǔ)導(dǎo)出上述計(jì)算公式是以薄膜

7、理論為基礎(chǔ)導(dǎo)出 的，認(rèn)為應(yīng)力是沿圓筒壁厚均勻分布的，這的，認(rèn)為應(yīng)力是沿圓筒壁厚均勻分布的，這 對薄壁容器是適合的。對薄壁容器是適合的。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 但對于具較厚壁厚的圓筒，其環(huán)向應(yīng)力并但對于具較厚壁厚的圓筒，其環(huán)向應(yīng)力并 不是均勻分布的。薄壁內(nèi)徑公式與實(shí)際應(yīng)力存不是均勻分布的。薄壁內(nèi)徑公式與實(shí)際應(yīng)力存 在較大誤差。對厚壁圓筒中的應(yīng)力情況以由彈在較大誤差。對厚壁圓筒中的應(yīng)力情況以由彈 性力學(xué)為基礎(chǔ)推導(dǎo)得出的拉美公式較好地反映性力學(xué)為基礎(chǔ)推導(dǎo)得出的拉美公式較好地反映 了其分布。了其分布。 厚壁和薄壁圓筒的概念：厚壁和薄壁圓筒的概念：按照承壓回轉(zhuǎn)殼按照承壓回轉(zhuǎn)殼 體的無力矩理論是

8、指壁厚和直徑的比值；若壁體的無力矩理論是指壁厚和直徑的比值；若壁 厚超過直徑的厚超過直徑的1/10則被稱為則被稱為“厚壁筒厚壁筒”；反之，；反之， 則為則為“薄壁筒薄壁筒”。與這個指標(biāo)相當(dāng)?shù)氖恰Ｅc這個指標(biāo)相當(dāng)?shù)氖恰皬綇?比比”K，K=DO/Di,當(dāng)當(dāng)K大于大于1.2時為時為“厚壁筒厚壁筒”， 小于或者等于小于或者等于1.2時為時為“薄壁筒薄壁筒”。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 由拉美公式知：由拉美公式知： t=Pc(K2+1)/(K2-1) 厚壁筒中存在的三個方向的應(yīng)力，其中只厚壁筒中存在的三個方向的應(yīng)力，其中只 有軸向應(yīng)力是沿厚度均勻分布的。環(huán)向應(yīng)力和有軸向應(yīng)力是沿厚度均勻分布的。環(huán)向應(yīng)

9、力和 徑向應(yīng)力均是非均勻分布的，且內(nèi)壁處為最大徑向應(yīng)力均是非均勻分布的，且內(nèi)壁處為最大 值。筒壁三向應(yīng)力中，周向應(yīng)力最大，內(nèi)壁處值。筒壁三向應(yīng)力中，周向應(yīng)力最大，內(nèi)壁處 達(dá)最大值，外壁處為最小值，內(nèi)外壁處的應(yīng)力達(dá)最大值，外壁處為最小值，內(nèi)外壁處的應(yīng)力 差值隨差值隨K= D0 / Di增大而增大。當(dāng)增大而增大。當(dāng)K=1.5時，時， 由薄壁公式按均勻分布假設(shè)計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力值由薄壁公式按均勻分布假設(shè)計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力值 比按拉美公式計(jì)算的圓筒內(nèi)壁處的最大環(huán)向應(yīng)比按拉美公式計(jì)算的圓筒內(nèi)壁處的最大環(huán)向應(yīng) 力要力要偏低偏低23%，存在較大的計(jì)算誤差。，存在較大的計(jì)算誤差。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 二、

10、內(nèi)壓球殼二、內(nèi)壓球殼 球形容器在均勻內(nèi)壓作用下，球形殼體 經(jīng)向應(yīng)力和周向應(yīng)力相等。即 t =m=t = 式中P設(shè)計(jì)壓力，MPa； D球殼的中間直徑或稱中徑，mm； D= Di + Di球殼的內(nèi)直徑，mm； 球殼的計(jì)算厚度，mm； 4 PD 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 4 )(DiP Pc PcDi t 4 上述公式中，如將D=Di+代入并考慮了 焊接接頭系數(shù)，如采用第一強(qiáng)度理論時，即 得出 t 以Pc代替P所以可求出計(jì)算厚度 = 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 上式即為GB150-1998第26頁式5-5 適用范圍： Pc0.6t 此時計(jì)算應(yīng)力大于按彈性力學(xué)計(jì)算的厚 壁球殼的最大應(yīng)力，且誤

11、差在10%左右。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 三、外壓圓筒 1外壓圓筒的穩(wěn)定性 承受外壓的圓筒，強(qiáng)度計(jì)算方法與受內(nèi) 壓時相同，其周向力應(yīng)力值為軸向應(yīng)力的兩 倍，圓筒壁中產(chǎn)生的是壓縮應(yīng)力，而絕對值 大小一樣。這種壓應(yīng)力如果達(dá)到材料的屈服 極限或強(qiáng)度極限時，將和承受內(nèi)壓圓筒一樣 導(dǎo)致強(qiáng)度破壞。然而這種現(xiàn)象極為少見。通 常外壓圓筒壁內(nèi)的壓縮應(yīng)力還遠(yuǎn)小于材料的 屈服限時，筒體突然失去原來的形狀被壓癟 或發(fā)生褶縐而失效（如圖），在圓筒橫斷面 上呈現(xiàn)有規(guī)則的永久性波形，其波形數(shù)n可 為2、3、4。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 在外壓作用下，筒體、球殼或封頭突然 發(fā)生失去原來形狀的現(xiàn)象稱之為失穩(wěn)。外

12、 壓容器穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)中主要考慮的問題。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 外壓圓筒失穩(wěn)以前，筒壁中只是單純的壓 應(yīng)力狀態(tài)。在失穩(wěn)時，伴隨著突然變形，在 筒內(nèi)產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為的復(fù)雜的附加應(yīng)力， 這種變形與附加應(yīng)力一直迅速發(fā)展到圓筒被 壓癟。由此可見，外壓容器的失穩(wěn)，實(shí)質(zhì)上 是容器從一種平衡狀態(tài)（形狀及應(yīng)力狀態(tài)） 向另一種新的平衡狀態(tài)的突變。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 穩(wěn)定安全系數(shù)m 長、短圓筒的臨界壓力公式，是按理想 狀態(tài)（無初始不圓度）求得的。但實(shí)際上 的圓筒有幾何尺寸及形狀誤差，還有焊接 結(jié)構(gòu)形式等影響，這都會直接影響計(jì)算臨 界壓力的準(zhǔn)確性，此外，生產(chǎn)過程中操作 壓力的波動，使筒體實(shí)際

13、外壓力增高，并 可能超過計(jì)算的臨界壓力值。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 為保證安全，必須使許用外壓力低于臨 界外壓力，即 P=Pcr/m 式中穩(wěn)定安全系數(shù)m=3（圓筒體） 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 2、圓筒的臨界壓力及其計(jì)算 （1）臨界壓力及影響因素 受外壓作用的容器， 當(dāng)外壓力低于某一特 定的值時，殼體亦能發(fā)生變形，但當(dāng)壓力卸除 后殼體可恢復(fù)原來的形狀，這時殼體變形屬于 彈性變形范圍。當(dāng)外壓力繼續(xù)增加到某一特定 值，產(chǎn)生了不能恢復(fù)的永久變形，即失去了原 來的穩(wěn)定性。容器失穩(wěn)時的壓力稱臨界壓力， 以Pcr表示。容器在Pcr作用下容器壁內(nèi)應(yīng)力稱 臨界應(yīng)力。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4

14、) 臨界壓力值受若干因素影響，如受容 器筒體幾何尺寸及幾何形狀的影響，除此之外， 載荷的均勻和對稱性、筒體材料及邊界條件等 也有一定影響。 a. 影響因素/D 兩個圓筒形外壓容器， 當(dāng)其他條件（材料、直徑D、長度L）一定，而 厚度不同時，當(dāng)L/D相同，/D大者臨界壓力高， 其原因是筒壁較厚抗彎曲的能力強(qiáng)； 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) b. 影響因素L/D 當(dāng)/D相同，而長 度L不同，L/D小者臨界壓力高，其原因是筒 身較短圓筒的封頭對筒壁起著一定支撐作用。 筒體的幾何形狀（如不圓度）誤差會 降低筒壁臨界壓力，加速筒體的失穩(wěn)。不圓 度定義為e=Dmax-Dmin，式中Dmax、Dmin 分別

15、為筒體直徑的最大值和最小值。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 筒體材料的彈性模數(shù)E值大，抵抗變形能力 強(qiáng)，臨界壓力就高。由于各種鋼材E值相差較 小，若選用高強(qiáng)度鋼代替一般碳素鋼制造外 壓容器，并不能明顯地提高筒體的臨界壓力， 卻使容器成本提高，因而是不恰當(dāng)?shù)?。要?高容器的臨界壓力，即增加穩(wěn)定性，只有從 幾何尺寸上來考慮。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) （2）長圓筒、短圓筒及剛性圓筒 承受外壓的圓筒形殼體，按不同的幾 何尺寸失穩(wěn)時的不同形式（波形數(shù)不同）， 將圓筒分為長圓筒、短圓筒及剛性圓筒等 三種。 長圓筒是指筒體的L/D值較大，筒體 兩端邊界的支撐作用可以忽略，筒體失穩(wěn) 時Pcr僅與/D

16、有關(guān)，而與L/D無關(guān)。長圓 筒失穩(wěn)時波形數(shù)n為2。 短圓筒是指筒體兩端邊界的支撐作用 不可忽略，筒體失穩(wěn)時Pcr與L/D及/D均 有關(guān)。短圓筒失穩(wěn)時波形數(shù)n2的整數(shù)。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 剛性圓筒是指L/D較小，而/D較大， 筒體的剛性較好，破壞的原因是圓筒壁內(nèi)的 壓縮應(yīng)力超過了材料的屈服限，并非是發(fā)生 了失穩(wěn)。對剛性圓筒只考慮強(qiáng)度要求。 由上所述，圓筒的“長”和“短”是 指相對于直徑來說的。長、短圓筒以及剛性 圓筒的臨界壓力是各不相同的，有其各自的 計(jì)算方法。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) （3）圓筒體臨界壓力的計(jì)算 長圓筒臨界壓力 Pcr=2.2E( E圓筒材料在設(shè)計(jì)溫度下的

17、彈性模數(shù) 由上式可見，長圓筒臨界壓力僅與筒體e/Do及E有 關(guān)。式僅限于彈性范圍內(nèi)使用，即失穩(wěn)時應(yīng)力應(yīng)低于屈服 強(qiáng)度。 3 ) Do e 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 短圓筒臨界壓力 Pcr=2.59E Do L Do e 5 . 2 )( 剛性圓筒由臨界壓力引起的臨界應(yīng)力為 Qcr= PcrD/2e 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 外壓短而厚的剛性圓筒，其破壞是由于 圓筒壁的壓縮應(yīng)力超過材料設(shè)計(jì)溫度下的屈 服極限，不存在穩(wěn)定性問題。強(qiáng)度校核公式 為 = t )(Cn PD 式中 焊接接頭系數(shù)，外壓圓筒取 =1； 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 長、短及剛性圓筒都是承受橫向均勻外 壓力的情況

18、。因容器均有封頭，所以除受 橫向外壓力外，同時還受有軸向壓力，但 軸向壓縮對筒體失穩(wěn)影響很小，工程上僅 按承受橫向均勻外壓計(jì)算臨界壓力（室外 高塔設(shè)計(jì)除外）。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) （4）圓筒的臨界長度 從前面已知，長短圓筒的區(qū)別是受端蓋 支撐的影響。當(dāng)e /D相同時，短圓筒的臨 界壓力較稱圓筒大，隨著短圓筒長度的增 加，端蓋對筒體支撐作用減弱，當(dāng)短圓筒 的長度增大到某一值時，端蓋對筒體的支 撐作用完全消失，這時短圓筒的臨界壓力 與長圓筒臨界壓力相等，該短圓筒的長度 稱為臨界長度，用Lcr表示。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 3 ) Do e Do L Do e 5 . 2 )(

19、2.2E( =2.59E 得 Lcr=1.17Do 臨界長度是長、短圓筒 的分界線，也是 計(jì)算臨界壓力選擇公式的的依據(jù)。當(dāng)實(shí)際圓 筒計(jì)算長度LLcr屬長圓筒，若LLcr則屬短 圓筒。 e D o 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 外壓圓筒的計(jì)算與e /D0（D0為圓筒外 直徑）有關(guān)。e /D00.04時，筒壁應(yīng)力達(dá) 屈服極限前不可能被壓癟，此條件下任何 e /D0值均按剛性圓筒計(jì)算。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) （5）計(jì)算長度 圓筒的計(jì)算長度指筒體外部或內(nèi)部兩剛 性構(gòu)件之間的最大距離，筒體外部焊接的角 鋼加強(qiáng)圈，筒體內(nèi)部擋板或塔盤均可視為剛 性構(gòu)件；在兩個剛性構(gòu)件中，其中一個是凸 型封頭時，

20、取計(jì)算長度L=L+h+hi/3（hi為凸 型封頭曲面深度，h為直邊高度）GB150第 28頁 圖6-1， 凸型封頭剛性大對圓筒體有一定支撐作 用，可以提高臨界壓力。在較薄板制造的筒 體上焊接一定數(shù)量的加強(qiáng)圈，可使計(jì)算長度 L降低，提高臨界壓力。 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 3、外壓圓筒的計(jì)算 （1）、解析法 （2）、圖算法 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) （1）、解析法 基本原則： 對于長圓筒：LLcr ， 對于短圓筒：LLcr, m P PP cr 3 0 e 2 . 2 D EP cr o o cr DL DeE P 5 . 2 /59. 2 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) 解析法:計(jì)

21、算步驟 1、假設(shè)壁厚n，計(jì)算筒體長度L，e=n-C; 2、計(jì)算Lcr, ，判斷L是否大于Lcr； 對于長圓筒：LLcr， 對于短圓筒： LLcr， 3、比較P和P，若P P且較接近，則假設(shè)的n符合要求； 4、計(jì)算臨界應(yīng)力 ，工程上 3 0 2 . 2 D e m E P eDDL oocr 17. 1 3 0 e2 . 2 Dm E P e DP ocr cr 2 t cr壓 壓力容器設(shè)計(jì)審核人員培訓(xùn)(4) （2）、圖算法的計(jì)算步驟 1、假設(shè)壁厚n，計(jì)算筒體長度L，e=n-C; 2、計(jì)算L/Do、Do/e，查A，若L/Do 50，用L/Do50查A； （GB150-1998圖6-26-10） 3、由A值向上引垂線，查B值，若交不到，則說明圓筒已發(fā)生 彈性失穩(wěn)，B值按下式計(jì)算 計(jì)算 4、比較P和P，若P P且較接近，則假設(shè)的n符合要求 EAB