壓力容器標準條款的背景介紹和有關問題的討論.ppt

1、壓力容器標準條款的背景介紹和有關問題的討論,秦叔經 全國化工設備設計技術中心站 上海延安西路376弄22號10樓 Tel820 FaxEmail： Web Site：,設計壓力和計算壓力,在GB150的3.5.1節(jié)中說明： “由兩室或兩個以上壓力室組成的容器，確定設計壓力時， 應考慮各室之間的最大壓力差?！?確定試驗壓力的基準,最大允許工作壓力(ASME VIII-1): 在正常操作工況下, 容器頂部允許達到的最大壓力 該定義與GB150中對”設計壓力”的定義基本相同, 故各標準確定試驗壓力的基準是一致的.,壓力試驗的目的： 1. 檢驗壓

2、力殼的宏觀強度; 2. 檢驗接頭的可靠性： - 焊接接頭的致密性 - 法蘭接頭的密封性,ASME VIII-1中真空容器進行壓力試驗的要求: 最小試驗壓力應滿足:,ASME VIII-1中對兩個壓力室以上組成的容器, 進行壓力試驗的要求： 1. 當確定多腔容器共用殼壁壁厚的壓力差大于相鄰壓力室的MAWP時, 該共用殼壁的試驗壓力應不小于該壓力差, 并考慮溫度修正. 同時, 每個壓力室的最小試驗壓力應分別滿足: 例: 內筒為0.1MPa, 夾套內為-0.1MPa, 內筒壁厚由內壓0.2MPa確定.,2. 當確定兩個壓力室共用殼壁壁厚的壓力差小于兩個壓力室中較高壓力時, 該共用殼壁的試驗壓力應不小

3、于1.3倍的壓力差, 并考慮溫度修正; 例: 內筒為0.5MPa, 夾套內為0.3MPa, 內筒壁厚由外壓0.3MPa確定.,按GB150對試驗壓力的取值,試驗壓力的下限： 液壓試驗： 氣壓試驗： 試驗壓力的上限為滿足以下公式：,在標準GB1501998中對外壓容器的試驗壓力有如下的 規(guī)定： 液壓試驗：pT = 1.25 p 氣壓試驗： pT = 1.15 p 帶夾套的容器，當夾套內壓力為正時，其內筒即為外壓容器,液壓試驗壓力的確定(假定溫度修正系數(shù)為1.0),注: a) 也可按該試驗壓力在夾套中進行試壓, 而內筒的試驗壓力按單腔容器來 確定; b) 內筒仍需按單腔容器來進行試壓; c) 也可

4、按該試驗壓力在夾套中進行試壓, 而內筒不需進行試壓; d) 假定內筒的壁厚是由夾套壓力單獨作用工況下 ( - 0.3MPa ) 確定的.,工程設計方法與結構的安全性,GB150采用的強度條件是第一強度理論,強度條件 第一強度理論: 結構中的最大主應力達到強度極限時, 該結構即發(fā)生破壞; 第二強度理論: 結構中的最大主應變達到強度極限時, 該結構即發(fā)生破壞; 第三強度理論: 結構中的最大、最小主應力之差達到強度極限時, 該結構即發(fā)生破壞; 第四強度理論: 結構中的最大應變能對應的當量應力達到強度極限時, 該結構即發(fā)生破壞;,第一、第二強度理論適用于脆性材料; 第三、第四強度理論適用于韌性材料,工

5、程規(guī)范中一些計算方法的說明 橢圓封頭的設計計算公式：,該公式考慮了橢圓封頭與筒體連接處產生的邊緣應力與壓力產生的薄膜應力疊加后的總應力，最大應力出現(xiàn)在封頭與筒體連接處。但該公式并沒有采用應力分類的概念,ASME VIII-1采用的也是第一強度理論,總體薄膜應力強度： SI = 177.87,碟形封頭的設計計算公式： 有力矩理論的分析結果表明：最大應力在折邊區(qū) 規(guī)范采用的經驗公式為：,薄殼理論的推導結果為兩向應力，故采用第一強度理論或第三強度理論具有同樣的結果 (以圓筒體為例，周向應力為1，周向應力為2，徑向應力為3 = 0),EN13445 采用第三強度理論，其筒體壁厚計算公式與GB150與A

6、SME VIII-1有同樣的形式,外壓殼體計算 GB150中的材料，有一些在標準中沒有提供相應的B值曲線，如09MnNiDR、07MnCrMoVR、13MnNiMoNbR，等等,可采用選擇替代材料的方法，以利用程序進行計算。選擇替代材料的原則： 1）相近的彈性模量； 2）相近的屈服點,在殼體的外壓校核計算或塔器的穩(wěn)定性校核計算時，如已知實際材料的B值可使校核通過，則也可選擇B值稍大于實際材料的任何一種替代材料進行校核計算，然后，在計算書中將B值和許用外壓力改成實際材料的B值和許用外壓力,關于受外壓筒體和變徑段的壁厚計算 錐殼與筒體連接處不作為支撐線時(見圖b) ，按 L 和各自的 直徑、壁厚進

7、行校核，且錐殼厚度應不小于與之連接的筒體 厚度；,(a),(b),錐殼與筒體連接處作為支撐 線時(見圖a) ，按GB150 中 7.2.5.2節(jié)計算錐殼厚度，并校 核與大、小端筒體連接處的 剛度是否足夠；,錐殼與筒體連接處是否作為 支撐線由設計人員自行確定。,1. 大、小端連接處都不作為支撐線： 計算長度 L = 900+1000+800 = 2700 mm 分別計算大端筒體、錐殼、小端筒體的厚度。錐殼的最終厚度 取三者中大值；,2. 小端連接處作為支撐線： 計算長度 L = 900+1000 = 1900 mm 分別計算大端筒體、錐殼的厚度。錐殼 的最終厚度取兩者中大值；,3. 大、小端連接

8、處都作為支撐線 以 1000mm 作為錐殼長度, 對錐殼單獨 計算其所需要的厚度,同一個結構可用不同的模型進行計算， 從而得到不同的結果,標準容器法蘭選用舉例： 法蘭材料：鍛件20鋼； 設計溫度：250 如選用壓力等級為 0.25 MPa 的甲型平焊法蘭，則該 法蘭的最大許用工作壓力為 0.17 MPa,標準容器法蘭的公稱壓力是以板材16MnR在常溫下的 強度為依據(jù)而制定,關于法蘭選用和設計計算 標準容器法蘭的最大允許工作壓力應按 JB/T 4700 的表6和表7確定,法蘭設計的 Waters 法,Waters法是一個強度計算方法，而法蘭的失效主要是剛度不夠而引起的泄漏。故法蘭計算的強度條件為

9、：,在進行法蘭計算時，SW6認為用戶輸入的尺寸是已扣除了腐蝕余量后的尺寸,法蘭在設計壓力下計算通過，并不能保證在壓力試驗時不發(fā)生泄漏；同樣，法蘭在設計壓力下計算通過，實際上也不能保證在操作工況下，介質一定不泄漏,減薄高頸法蘭頸部大端的厚度 g1， 可降低小端的軸向彎曲應力H。 注：系數(shù) f 相當于小端處軸向彎曲應力 與大端處軸向彎曲應力之比，即 f 1表示小端處軸向彎曲應力較大。,開孔補強的設計方法 開孔補強的目的：減小殼體與接管連接處的應力水平，避免由于該處的高應力水平而引起的開裂,考察設計方法是否合用的準則為，當按該方法設計后，應滿足：,對筒體上法向接管的結構，WRC 335公報發(fā)表的實驗

10、結果 表明，滿足等面積法補強要求后，,等面積法 是一種經驗方法，無法從理論上證明能滿足以上條件。一般而言，接管上補強的效果要好于殼體上補強的效果,在假定接管厚度與殼體厚度相等的條件下，要使得壓力面積 法的有效補強范圍大于等面積法的有效補強范圍的條件是：,壓力面積法 也是一種經驗方法，也無法從理論上證明能滿 足以上條件,一般性結論： 1）在小直徑接管的情況下（ ），等面積法的有效 補強范圍小于壓力面積法的有效補強范圍，使得補強 計算結果較為保守； 2）在接管直徑較大時，一般總是壓力面積法的結果更為保 守，除非壓力很高的情況 （當 時，壓力 p 需大于0.09t 才會使等面積法 的結果更安全）,開

11、孔處殼體焊縫系數(shù)的選取: 1. 開孔不在焊縫上，或殼體本身焊縫系數(shù)為1.0，則開孔處殼體焊縫系數(shù)取1.0； 2. 開孔在焊縫上，殼體本身焊縫系數(shù)為0.85，雖然，開孔處殼體焊縫需100%探傷，但如評片級別為3級，則焊縫系數(shù)仍應取0.85。,切向接管補強計算的限制 對于長圓形開孔，GB150 規(guī)定長、短軸之比不得大于2.0。 在HG20582 中有同樣的規(guī)定,平蓋的補強計算 1）平蓋上開孔可用兩種方法進行計算：整體補強法和等 面積法； 2）標準法蘭蓋上開孔后，需進行法蘭蓋厚度校核和開孔 補強計算,關于不需另行補強的開孔 凡不符合GB150-1998 中8.3節(jié)條件的都需考慮補強及進行補強計算(特

12、別需注意表8-1的條件),外壓殼體上的大開孔補強尚沒有標準所提供的常規(guī)計算 方法,關于殼體上安放的接管上受到機械外載時的 局部應力計算 管道通過筒體上接管將力或力矩施加到筒體上時，筒體與接管的連接部可能會產生很高的局部應力,管道由于溫差而對殼體所作用的力一般應作為機械載荷處理，這是由于存在彈性跟隨(或應變集中)現(xiàn)象,GB150沒有給出局部應力校核的計算方法和強度條件,工程中一般采用WRC107或WRC297公報發(fā)表的方法進行應力計算,然后采用應力分類的強度條件進行應力校核: 局部薄膜應力(一次) 1.5 局部薄膜應力(一次) +彎曲應力 (應力范圍) 3.0 (安定性理論),當不考慮容器壁的具

13、有的柔度時，管道作用于容器壁的推力為： F = t E A （與管道長度無關） 當容器壁發(fā)生塑性流動后，沿管道軸線方向所需吸收的變形為： = L t （與管道長度成正比）,在溫度為t1 時進行裝配。然后，將直桿a降溫到t2 ，桿b的溫度不變。,按桿a和桿b的變形協(xié)調計算桿a和桿b中的應力(彈性狀態(tài)),(二次應力),(二次應力),對于為滿足變形協(xié)調而在兩個構件中產生的應力，可以按二次應力進行強度評定的條件：,1=F2l1/(E1A1), 2 = - 1,1）線彈性分析的結果：,2）兩桿間的實際作用力和兩桿的變形：,2,2,S2,F = A,HG20582和WRC297的計算方法是基于薄殼理論，沒

14、有考慮應力集中的影響,用HG20582和WRC297的計算方法算得的彎曲應力中既有一次彎曲應力, 又有二次彎曲應力, 但沒有理論方法可將兩種應力分離開來,在管道傳遞給殼體的力和力矩中, 由管道自重產生的那部分力和力矩無循環(huán)作用的效應, 因此, 這部分力和力矩產生的應力不適用于安定性理論,綜合以上兩方面的影響, 將全部彎曲應力按安定性理論進行校核一般可得到安全的結果,浮頭法蘭厚度計算 或 (1) 取上兩式中之大值。 操作工況下：,結論： 式(1)得到的厚度不 是計算厚度，只能用于檢驗假定厚度f是否合格。,當操作工況起主要作用時： 1. 浮頭法蘭受內壓作用時，封頭薄膜力的水平分力對法蘭環(huán)作用的扭矩

15、一般不可能大于其它幾個力對法蘭環(huán)所作用的扭矩之和。因此，封頭焊入深度應盡可能取較小的值，以使封頭薄膜力的水平分力對法蘭截面形心作用的力臂有較大值； 2. 浮頭法蘭受外壓作用時，一般來說，封頭薄膜力的水平分力對法蘭環(huán)將起主要作用，封頭焊入深度的值不宜取得太小,當預緊工況起主要作用時，封頭焊入深度對法蘭厚度沒有影響；,在換熱器上安裝標準膨脹節(jié)時，該標準膨脹節(jié)也需校核， 除非能確保該膨脹節(jié)的實際膨脹量小于標準中所規(guī)定的 允許最大膨脹量,固定管板換熱器的計算 采用膨脹節(jié)時, 如要對膨脹節(jié)進行強度校核, 需要輸入膨脹節(jié)吸收的位移或其承受的軸向力, 膨脹節(jié)吸收的位移并不等于換熱管與筒體的膨脹差。用SW69

16、8計算時，建議先計算管板，再計算膨脹節(jié)，以利用程序所算出的膨脹節(jié)所受的軸向力,在計算膨脹節(jié)的許用平面失穩(wěn)壓力時，要用到的是膨脹節(jié)材 料加工成形后的實際屈服點，該值與許用平面失穩(wěn)壓力成正 比。,對于管板兼作法蘭的結構，當配對的管箱法蘭的法蘭連接螺栓強度校核不合格時，將無法進行管板的應力計算，程序在管板應力計算時將提示“法蘭力矩系數(shù)為0” 注:由于標準法蘭按GB150校核有可能不合格.,固定管板換熱器設計中，影響管板、管子和殼體應力的因素 1. 管、殼程溫差大于50需考慮安裝膨脹節(jié)”的原則不一定正 確，應通過計算確定。在設置膨脹節(jié)以后，有可能使得管板 應力或管板法蘭部分的應力反而增大(特別在管程壓

17、力單獨 作用的情況下)。,在可能的條件下，應盡量通過 計算或實測獲得殼體和換熱管的金屬溫度，只有這兩個溫度值對換熱管應力校核會有影響,對于k 1的情況，可按JB4732的解析法對管板進行計算； 按JB4732的解析法可對以下結構進行計算： 1) GB151中給出的b、e型結構管板； 2) 貼面焊薄管板； 3) 平齊焊薄管板,說明： 1) 對于k 1的情況，也可按JB4732的解析法對b、e型結構管板進行計算； 2 ) 薄管板結構不適合用膨脹節(jié),換熱器設計標準沒有提及的一些問題 標準與規(guī)范并不保證解決設計中的所有問題,對于帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器，在殼程壓力較高時（如ps 5MPa左右），壓力對

18、膨脹節(jié)的推力將可能使得殼體的軸向應力為負，為平衡這個推力，管子的應力將進一步增大。由于GB151沒有計及膨脹節(jié)的這個推力，使得計算結果偏不安全。,固定管板換熱器，在殼程壓力較高或溫差較大時，管板與殼體連接處的薄膜應力加邊緣彎曲應力的值有可能過大而導致在該處開裂，特別在水壓試驗工況，但在現(xiàn)行規(guī)范中均沒有給出該處應力的計算式和強度條件。,在SW6的k 1的計算模塊中給出了管板與殼體連接處的薄膜應力加邊緣彎曲應力計算值，并進行了校核。如校核不通過時,應根據(jù)應力不合格的工況而采取不同的結構尺寸修正方案： 有溫差工況：減小筒體厚度或增加管板厚度； 無溫差工況：增加筒體厚度或減小管板厚度,GB151對管板

19、作了滿布管的假定，但實際上周邊不布管區(qū)的存在將有助于降低換熱管中的最大應力。 GB151簡化算法的后果是對換熱管應力校核的結果在某些情況下會過于保守，特別是對浮頭式換熱器，有可能使保守程度大于100%以上。,GB151 的簡化方法只計算布管區(qū)最外圈的管子應力，將有可能忽略掉管子應力的最大值。另外，該簡化方法肯定忽略掉了正、負兩個不同符號最大值中的一個。,標準沒有要求對膨脹節(jié)在壓力試驗工況下進行應力校核，當介質存在腐蝕的條件下，設計人員需考慮在正常大修以后在膨脹節(jié)被腐蝕條件下進行壓力試驗的工況。,塔式容器的設計計算 地震力的計算按 GB50011-2001 “建筑抗震設計規(guī)范”中的反應譜法： 地

20、震影響系數(shù)與設防烈度、場地類別、設計地震分組、阻尼比和結構自振周期有關。,設防烈度和設計地震分組按GB50011-2001附錄A查取,地震影響系數(shù)曲線中的指數(shù)與阻尼比有關(原標準中該指數(shù)取0.9,相當于阻尼比取0.05) ，阻尼比可取0.010.03，SW6 默認取0.01(參照JB4710-2005 的編制說明),塔設備各段筒體用法蘭連接時，該連接法蘭的計算壓力將由程序自動計算得到，該計算壓力可能遠高于塔設備的設計壓力，在選用標準法蘭時必須注意這一點,考慮水壓試驗工況下，塔設備筒體應力校核時的試驗壓力取值： 周向應力校核：計算壓力值 = 臥試水壓試驗壓力+液柱壓力 軸向應力校核：計算壓力值

21、= 臥試水壓試驗壓力,液柱壓力的計算： 單腔塔：液柱壓力 = (筒體總高+上封頭高度)(m)9.81/1000 多腔塔：液柱壓力 = 每腔筒體高度(m) 9.81/1000,各危險截面最大組合應力的計算,按裙座與塔體不同的連接方式而決定筒體和下封頭上需校核的 危險截面為: 1. 裙座與塔體對接，校核筒體最低截面及下封頭的直邊部分 2. 裙座與下封頭搭接，同上 3. 裙座與筒體搭接，只校核筒體與裙座搭接的那個截面,臥式容器的設計計算 計算中考慮了地震載荷對容器的作用。但將臥式容器簡化為質點考慮，即有： 且取阻尼比為0.05，得到2 =1，因此 設備所受的地震力為,JB4731-2005中，比原G

22、B150-89增加的計算內容： 無集中載荷作用的情況： 1）校核鞍座在溫差載荷作用下的強度,校核截面,無集中載荷作用的情況（續(xù)）： 2）校核鞍座在地震載荷作用下的強度,無集中載荷作用的情況（續(xù)）： 3）校核地腳螺栓在地震載荷作用下的強度,有集中載荷作用的情況： 1）筒體上需進行軸向應力校核的危險截面： a）鞍座截面； b）集中載荷作用的截面； c）軸向彎矩導數(shù)為0的截面,有集中載荷作用的情況（續(xù)）： 2）校核鞍座在溫差載荷作用下的強度： 同無集中載荷作用工況，但鞍座反力取兩個反力中的大值,3）校核地震載荷作用下的各個應力： a）鞍座截面上筒體的壓應力5 8； b）鞍座腹板壓應力9； c）鞍座筋

23、板和腹板組合截面的彎曲應力sa； d）地腳螺栓的拉應力和剪應力 注：1）鞍座反力取兩個反力中的大值; 2）要計及附加設備在地震作用下產生的彎矩; 3）考慮地震載荷作用，只計算操作工況下的應力; 4）許用應力乘以系數(shù)Ko = 1.2,當鞍座邊角處的壓應力6 不合格時，可采用以下結構中的一種： 增設加強板，但需滿足： - 加強板的包角 鞍座包角+12； (當筒體厚度較厚時, 標準鞍座可能不滿足該要求) - 加強板厚度不小于筒體的厚度 ； - 加強板的寬度 圓筒的有效寬度,增大鞍座包角,在鞍座截面或靠近鞍座處設加強圈，但一般這不是一個 有效的方法,應力分類法中各種應力的性質和特點 1. 線彈性分析得到的是名義應力,而不是真實應力,4. 自限性的定義：當結構中的應力是由于結構的變形協(xié)調而 產生時，對于理想彈塑性材料，結構中的最大應力將不超 過材料的屈服點 注：作用在結構上的外力是為了滿足結構的變形協(xié)調而產生的，因此， 當材料達到塑性流動狀態(tài)后，外力和結構中的應力將不再會進一步 提高,2. 一次應力是為平衡外部機械載荷而在結構中產生的應力 (該力學模型的邊界條件是力邊界條件),3.