最新强度结构与应力分析

1、压力容器强度、结构与压力容器强度、结构与应力分析应力分析郑州大学化工学院：郑州大学化工学院： 王王 三三 保保 电电 话：话：133038201350371-63887306email: 压力容器一般是由筒体（又称壳体）、封头（又称端压力容器一般是由筒体（又称壳体）、封头（又称端盖）、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组盖）、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。它们统称为过程设备零部件，这些零部件大都有标准。成。它们统称为过程设备零部件，这些零部件大都有标准。 压力容器的结构形状主要有圆筒形、球形、和组合形。压力容

2、器的结构形状主要有圆筒形、球形、和组合形。圆筒形容器是由圆柱形筒体和各种成型封头（半球形、椭圆圆筒形容器是由圆柱形筒体和各种成型封头（半球形、椭圆形、碟形、锥形）所组成。球形容器由数块球瓣板拼焊成。形、碟形、锥形）所组成。球形容器由数块球瓣板拼焊成。承压能力很好，但由于安置内件不便和制造稍难，故一般用承压能力很好，但由于安置内件不便和制造稍难，故一般用作贮罐。压力容器的筒体、封头（端盖）、人孔盖、人孔法作贮罐。压力容器的筒体、封头（端盖）、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、膨胀节、开孔补强圈、设备法兰；球罐的球兰、人孔接管、膨胀节、开孔补强圈、设备法兰；球罐的球壳板；换热器的管板和换热管；壳板；换热

3、器的管板和换热管；m36以上的主螺栓及公称直以上的主螺栓及公称直径大于径大于250mm的接管和管法兰均作为主要受压元件。的接管和管法兰均作为主要受压元件。压力容器结构压力容器结构典型结构典型结构压力容器结构压力容器结构典型结构典型结构压压力力容容器器结结构构典典型型结结构构压力容器结构压力容器结构典型结构典型结构压力容器结构压力容器结构典型结构典型结构压力容器结构压力容器结构典型结构典型结构压压力力容容器器结结构构典典型型结结构构压力容器结构压力容器结构零部件零部件 筒体筒体 圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件方便、而且承压能力较好

4、，因此应用最广。圆筒形容器又可方便、而且承压能力较好，因此应用最广。圆筒形容器又可以分为立式容器和卧式容器。以分为立式容器和卧式容器。 由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题，由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题，而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定的，所以不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。的，所以不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。 对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直径，其系列尺寸有径，其系列尺寸有300300、4004

5、00、500500、600600等，如果筒体是用等，如果筒体是用无缝钢管制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。无缝钢管制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。 封头封头（1）球形封头）球形封头壁厚最薄，用材壁厚最薄，用材比较节省。比较节省。（2）椭圆形封头）椭圆形封头椭圆形封头纵椭圆形封头纵剖面的曲线部分是半个椭圆形，直剖面的曲线部分是半个椭圆形，直边段高度为边段高度为h（3）碟形封头）碟形封头碟形封头是由三碟形封头是由三部分组成。第一部分是以半径为部分组成。第一部分是以半径为ri的球面部分，第二部分是以半径为的球面部分，第二部分是以半径为di/2的圆筒形部分，第三部分是连的圆筒形部分，第三

6、部分是连接这两部分的过渡区，其曲率半径接这两部分的过渡区，其曲率半径为为r,ri与与r均以内表面为基准。均以内表面为基准。压力容器结构压力容器结构零部件零部件（4）球冠形封头）球冠形封头由于封头为一由于封头为一球面且无过渡区，在连接边缘有球面且无过渡区，在连接边缘有较大边缘应力，要求封头与筒体较大边缘应力，要求封头与筒体联接处采用全焊透结构。联接处采用全焊透结构。（5）锥形封头）锥形封头锥形封头有无折锥形封头有无折边锥形封头和折边锥形封头。边锥形封头和折边锥形封头。（6）平盖）平盖弯曲应力较大，在等弯曲应力较大，在等厚度、同直径条件下，平板内产厚度、同直径条件下，平板内产生的最大弯曲应力是圆筒

7、壁薄膜生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜应力的应力的2030倍。但结构简单，倍。但结构简单，制造方便。制造方便。 压力容器结构压力容器结构零部件零部件3. 3. 支座支座 支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位置。支座一般分为立式容器支座、卧式容器支座。置。支座一般分为立式容器支座、卧式容器支座。 立式容器支座分为耳式支座、支承式支座、腿立式容器支座分为耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。卧式容器多使用鞍式支座。式支座和裙式支座。卧式容器多使用鞍式支座。 压力容器结构压力容器结构零部件零部件4. 4. 法兰法兰 法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。

8、法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。缺点是不能快速拆卸、制造缺点是不能快速拆卸、制造 成本较高。成本较高。 法兰分类主要有以下方法：法兰分类主要有以下方法：（1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。（2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。兰。（3）按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意）按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。式法兰。压力容器结构压力容器结构零部件零部件压力容器结构零部件5. 5. 开孔与开孔补强开孔与开孔补强 通常所用的压力容器，由于各种工艺和结构的通常所用的压

9、力容器，由于各种工艺和结构的要求，需要在容器上开孔和安装接管，由于开孔去要求，需要在容器上开孔和安装接管，由于开孔去掉了部分承压金属，不但会削弱容器的器壁的强度，掉了部分承压金属，不但会削弱容器的器壁的强度，而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较高的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到高的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到基本薄膜应力的基本薄膜应力的3倍，甚至倍，甚至5-6倍。再加上开孔接管倍。再加上开孔接管处有时还会受到各种外载荷、温度等影响，并且由处有时还会受到各种外载荷、温度等影响，并且由于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不

10、便等于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不便等原因的综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。原因的综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。主要表现为疲劳破坏和脆性裂纹，所以必须进行开主要表现为疲劳破坏和脆性裂纹，所以必须进行开孔补强设计。孔补强设计。压力容器结构压力容器结构零部件零部件压力容器为何有时可允许不另行补强压力容器为何有时可允许不另行补强 压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素：压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素： 容器在设计制造中，由于用户要求，材料代用容器在设计制造中，由于用户要求，材料代用等原因，壳体厚度往往超过实际强度的需要。厚度等原因，壳体厚度往往超过实际强度的需要。

11、厚度的增加使最大应力有所降低，实际上容器已被整体的增加使最大应力有所降低，实际上容器已被整体补强了。例如：在选材时受钢板规格的限制，使壁补强了。例如：在选材时受钢板规格的限制，使壁厚有所增加；或在计算时因焊接系数壁厚增加，而厚有所增加；或在计算时因焊接系数壁厚增加，而实际开孔不在焊缝上；还有在设计时采用封头与筒实际开孔不在焊缝上；还有在设计时采用封头与筒体等厚或大一点，实际上封头已被补强了。在多数体等厚或大一点，实际上封头已被补强了。在多数情况下，接管的壁厚多与实际需要，多余的金属起情况下，接管的壁厚多与实际需要，多余的金属起到了补强的作用。到了补强的作用。 压力容器结构压力容器结构零部件零部

12、件3 开孔补强结构开孔补强结构所谓开孔补强设计，就是指采取适当增加壳体或接管壁厚的方法以降低应所谓开孔补强设计，就是指采取适当增加壳体或接管壁厚的方法以降低应力集中系数。其所涉及的有补强形式、开孔处内、外圆角的大小以及补力集中系数。其所涉及的有补强形式、开孔处内、外圆角的大小以及补强金属量等。强金属量等。(1) 加强圈是最常见的补强结构，贴焊在壳体与接管连接处，如图加强圈是最常见的补强结构，贴焊在壳体与接管连接处，如图a、b、c。该补强结构简单，制造方便，但加强圈与金属间存在一层静止的气隙，该补强结构简单，制造方便，但加强圈与金属间存在一层静止的气隙，传热效果差。当两者存在温差时热膨胀差也较大

13、，因而在局部区域内产传热效果差。当两者存在温差时热膨胀差也较大，因而在局部区域内产生较大的热应力。另外，加强圈较难与壳体形成整体，因而抗疲劳性能生较大的热应力。另外，加强圈较难与壳体形成整体，因而抗疲劳性能较差。这种补强结构一般用于静压、常温及中、低压容器。较差。这种补强结构一般用于静压、常温及中、低压容器。(2) 接管补强，即在壳壁与接管之间焊上一段厚壁加强管，如图接管补强，即在壳壁与接管之间焊上一段厚壁加强管，如图d、e、f。它的特点是能使所有用来补强的金属材料都直接处在最大应力区域内，它的特点是能使所有用来补强的金属材料都直接处在最大应力区域内，因而能有效地降低开孔周围的应力集中程度。低

14、合金高强度钢制的压力因而能有效地降低开孔周围的应力集中程度。低合金高强度钢制的压力容器与一般低碳钢相比有较高的缺口敏感性，采用接管补强为好。容器与一般低碳钢相比有较高的缺口敏感性，采用接管补强为好。(3) 整锻件补强结构如图整锻件补强结构如图g、h、i，此结构的优点是补强金属集中于开孔应，此结构的优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位，补强后的应力集中系数小。由于焊接接头为对接焊，且力最大的部位，补强后的应力集中系数小。由于焊接接头为对接焊，且焊接接头及热影响区可以远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。但焊接接头及热影响区可以远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。但这种结构需要锻件，且机械加工

15、量大，所以一般只用于要求严格的设备。这种结构需要锻件，且机械加工量大，所以一般只用于要求严格的设备。压力容器结构压力容器结构零部件零部件压力容器结构开孔与补强图 补强结构 壳体厚度为壳体厚度为，内半径为，内半径为r，受气体压力，受气体压力p作用作用的壳体。如图所示：的壳体。如图所示：圆筒内的应力圆筒内的应力22r pr 2pr在圆筒中间沿径线平面在圆筒中间沿径线平面切开为两段（如图）切开为两段（如图）在研究的壳体上作用有在研究的壳体上作用有外力外力p（流体压力）（流体压力）壳体厚度上存在内力，壳体厚度上存在内力，单位面积上为应力单位面积上为应力在轴线方向作力的平衡在轴线方向作力的平衡则可得：则

16、可得：圆筒内的应力圆筒内的应力lrlp22pr在圆筒中间沿轴线平面在圆筒中间沿轴线平面切开为两段（如图）切开为两段（如图）在研究的壳体上作用有在研究的壳体上作用有外力外力p（流体压力）（流体压力）壳体厚度上存在内力，壳体厚度上存在内力，单位面积上为应力单位面积上为应力在轴线方向作力的平衡在轴线方向作力的平衡即可得周向应力：即可得周向应力：圆筒内的应力圆筒内的应力pr 这样便得到了受内压的圆筒体的壳体中的轴向和这样便得到了受内压的圆筒体的壳体中的轴向和周向应力：周向应力： 2pr 可以看出周向应力时轴向应力的可以看出周向应力时轴向应力的2倍倍圆筒内的应力圆筒内的应力 如果控制周向应力如果控制周向

17、应力 不超过许用应力，即：不超过许用应力，即： ti pr iittpd= 2 pr 则可得容器的强度尺寸为：则可得容器的强度尺寸为：圆筒内的应力圆筒内的应力 如果控制周向应力如果控制周向应力 不超过许用应力，即：不超过许用应力，即： ti pr iittpd= 2 pr 则可得容器的强度尺寸为：则可得容器的强度尺寸为：圆筒内的应力圆筒内的应力 根据第一强度理论，最大主应力（周向应力）小根据第一强度理论，最大主应力（周向应力）小于等于许用应力，承压容器就是安全的：于等于许用应力，承压容器就是安全的： 但是该公式所计算出的最大应力值，与精确值但是该公式所计算出的最大应力值，与精确值相比相差较大（

18、大约小相比相差较大（大约小23），将内径换为中径，），将内径换为中径，计算值与精确值相差减小（约为计算值与精确值相差减小（约为3.8）。）。圆筒内的应力圆筒内的应力tiipd= 2pr 容器的中径容器的中径 ，则有：，则有： id=d + tip(d + )= 2 这样，按照第一强度理论，用中径公式计算压这样，按照第一强度理论，用中径公式计算压力容器的壁厚为：力容器的壁厚为：圆筒内的应力圆筒内的应力itpd=2-p v基本概念基本概念壳体：壳体：以两个曲面为界，且曲面间的距离远小于其他以两个曲面为界，且曲面间的距离远小于其他方向尺寸的物体方向尺寸的物体壳体厚度壳体厚度：两曲面间的距离两曲面间的

19、距离中面中面：平分壳体曲面的曲面平分壳体曲面的曲面薄壳薄壳：壳体厚度壳体厚度与中面曲率半径与中面曲率半径r之比之比/r0.1的壳体的壳体回转壳回转壳：中面由一根平面曲线绕一根在平面内的定轴中面由一根平面曲线绕一根在平面内的定轴旋转而成的壳体旋转而成的壳体轴对称问题轴对称问题：几何形状、承受载荷、边界支承均对旋几何形状、承受载荷、边界支承均对旋转轴对称的力学问题转轴对称的力学问题回转薄壳无力矩理论采用的坐标系回转薄壳无力矩理论采用的坐标系：采用曲线坐标系采用曲线坐标系并辅以局部直角坐标系并辅以局部直角坐标系回转薄壳无力矩与有力矩理论概念回转薄壳无力矩与有力矩理论概念v薄膜内力薄膜内力：引起薄壳结

20、构中面的拉伸、压缩和剪切引起薄壳结构中面的拉伸、压缩和剪切变形的内力，如：法向力变形的内力，如：法向力n、n。（在轴对称情况。（在轴对称情况下由于对称性，不存在剪切内力）下由于对称性，不存在剪切内力）v弯曲内力弯曲内力：引起薄壳结构中面产生曲率、扭率改变引起薄壳结构中面产生曲率、扭率改变的内力，如横向剪力的内力，如横向剪力q、弯矩、弯矩m和和m（在轴对称（在轴对称情况下不存在扭矩和情况下不存在扭矩和q）v无力矩理论无力矩理论：壳体的应力状态仅由法向壳体的应力状态仅由法向内力内力n、n确定的薄壳应力理论确定的薄壳应力理论v有力矩理论有力矩理论：壳体内的应力状态同时由壳体内的应力状态同时由薄膜内力

21、和弯曲内力确定的薄壳应力理论薄膜内力和弯曲内力确定的薄壳应力理论nqn回转薄壳无力矩与有力矩理论概念回转薄壳无力矩与有力矩理论概念回转壳的几何特性回转壳的几何特性 yyr 23211cossin12drdrrr图中：图中：r1 第一曲率第一曲率半径，经线在半径，经线在a点的点的曲率半径曲率半径: r2 第二曲率半第二曲率半径，与径，与a点处的第一点处的第一曲率半径同方向，长曲率半径同方向，长度为度为a点与旋转轴交点与旋转轴交点之间的距离。点之间的距离。平行圆半径平行圆半径r与与r1、r2及坐标及坐标之间的关之间的关系：系：dr微体平衡方程式（拉普拉斯方程）微体平衡方程式（拉普拉斯方程）nndd

22、dnn r1ddryxabcddl1dl2npz回转壳微元的外力回转壳微元的外力与内力与内力o1o1dnr1ddddnn abrzxdddrr o1d2nsin（d/2）r1abzxo2dpznnzzprnrndrdrpdrdndddddrrdddnn21110sin2sin2sin区域平衡方程式区域平衡方程式u 取分离体：取分离体：用一个垂直于回转壳中面的圆用一个垂直于回转壳中面的圆锥面切割承受内压的壳体，取下部为分离体锥面切割承受内压的壳体，取下部为分离体u 建立旋转轴方向的平衡方程：建立旋转轴方向的平衡方程：n n在在x x轴向的合力投影为：轴向的合力投影为：2r2rk kn nsins

23、indr=dlcosdr=dlcos压力在压力在x x轴向的合力投影为：轴向的合力投影为： 2rdlp2rdlpz zcos=2pcos=2pz zrdrrdr区域平衡方程为：区域平衡方程为：orrrknndrdldlxpzsin220sin2200nrdrrp：fnrdrrpkrzkrzkk或回转薄壳的薄膜应力回转薄壳的薄膜应力v薄膜应力的分布形式薄膜应力的分布形式：薄膜内力作用于薄壳的中面，仅引起壳体的拉伸或压薄膜内力作用于薄壳的中面，仅引起壳体的拉伸或压缩，由它们产生的应力应该是沿壳体厚度均匀分布缩，由它们产生的应力应该是沿壳体厚度均匀分布v经向和周向应力与内力之间的关系：经向和周向应力

24、与内力之间的关系：=n/ =n/v应力分量表示的微体和区域平衡方程式：应力分量表示的微体和区域平衡方程式：zprr21sin220krzrdrrpfk无矩理论的应用无矩理论的应用v承受气体压力的壳体球形壳体球形壳体：r1=r2=r，pz=-p圆筒壳体圆筒壳体：r1=，r2=r，pz=-p，rk=r，=/222sin2prprprprkprpr2v承受气体压力的壳体承受气体压力的壳体圆锥壳体圆锥壳体：r1=，r2=r/cos（半锥顶角），半锥顶角），pz=-p，=/2-coscos2prpr无矩理论的应用无矩理论的应用v承受气体压力的壳体承受气体压力的壳体椭圆形壳体椭圆形壳体v椭圆曲线方程（椭圆

25、曲线方程（a为长半轴，为长半轴，b为短半轴）：为短半轴）：v第一曲率半径第一曲率半径r1：v第二曲率半径第二曲率半径r2：v应力表达式：应力表达式：12222byaxbabaxar42322241bbaxar222422224422242224222baxaabbaxapbbaxap无矩理论的应用无矩理论的应用v承受气体压力的壳体承受气体压力的壳体椭圆形壳体应力分布的特点椭圆形壳体应力分布的特点v和和是坐标的位置函数，并且连续变化是坐标的位置函数，并且连续变化v和和随随a/b值增大，值增大，始终大于零，在始终大于零，在x=0时取时取最大值。最大值。从从x=0处单调减小到处单调减小到x=a，并随

26、，并随a/b大于、大于、小于或等于小于或等于 分别小于、大于或等于零。在分别小于、大于或等于零。在x=0时，时，=va/b=2时，最大压应力和最大拉应力相等，时，最大压应力和最大拉应力相等，gb150称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头va/b=1是球壳，应力分布均匀，冲压困难；是球壳，应力分布均匀，冲压困难；a/b值值越大，最大应力增大越快，分布变差，但冲压容越大，最大应力增大越快，分布变差，但冲压容易易2无矩理论的应用无矩理论的应用 在半径为在半径为r、厚、厚度为度为t、承受轴对称横、承受轴对称横向载荷向载荷pz的圆平板中，的圆平板中，用半径为用半径为r和和r+

27、dr的的两个圆柱以及夹角为两个圆柱以及夹角为d的两个径向截面，的两个径向截面，从圆板中截出一微圆从圆板中截出一微圆体，见图，体，见图， 圆平板问题圆平板问题 受轴对称均布载荷薄圆平板的应力有以下特点：受轴对称均布载荷薄圆平板的应力有以下特点： (1)板内为二向应力板内为二向应力r，平行于中面各层相，平行于中面各层相互之间的正应力及剪力引起的切应力均可予以忽略；互之间的正应力及剪力引起的切应力均可予以忽略； (2)正应力正应力r、沿板厚度呈直线分布，在板的沿板厚度呈直线分布，在板的上下表面有最大值，是纯弯曲应力；上下表面有最大值，是纯弯曲应力； (3)应力沿半径的分布与周边支承方式有关，在应力沿

28、半径的分布与周边支承方式有关，在工程实际中的圆平板周边支承是介于固支和简支两工程实际中的圆平板周边支承是介于固支和简支两者之间的形式；者之间的形式； (4)薄板结构的最大弯曲应力薄板结构的最大弯曲应力max与与(rt)2成正成正比，而薄壳的最大拉比，而薄壳的最大拉(压压)应力应力 与与rt成正比，故在成正比，故在相同相同r/t条件下，薄板所需厚度比薄壳大。条件下，薄板所需厚度比薄壳大。圆平板问题圆平板问题圆平板问题圆平板问题 对于周边简对于周边简(铰铰)支情况来说，最大挠度和最支情况来说，最大挠度和最大应力均发生在圆板中心处，而对于周边固支大应力均发生在圆板中心处，而对于周边固支情况来说，最大

29、挠度发生在中心处，最大应力情况来说，最大挠度发生在中心处，最大应力发生在圆板周边处，如图所示。发生在圆板周边处，如图所示。 圆平板问题圆平板问题 支承的影响支承的影响：周边简：周边简(铰铰)支板的最大正应力支板的最大正应力大于周边固支板的应力，周边简大于周边固支板的应力，周边简(铰铰)支板的最大支板的最大挠度远大于周边固支板的挠度。挠度远大于周边固支板的挠度。 通常最大挠度和最大应力与圆平板的材料通常最大挠度和最大应力与圆平板的材料(e、)、半径、厚度有关。因此，若构成板的材料和、半径、厚度有关。因此，若构成板的材料和载荷已确定，则减小半径或增加厚度都可减小挠载荷已确定，则减小半径或增加厚度都

30、可减小挠度和降低最大正应力。度和降低最大正应力。 欲提高平板的强度和刚度。多是采用改变其欲提高平板的强度和刚度。多是采用改变其周边支承结构，使它更趋近于固支条件；增加圆周边支承结构，使它更趋近于固支条件；增加圆平板厚度或用正交栅格、圆环肋加固平板等方法平板厚度或用正交栅格、圆环肋加固平板等方法来实现。来实现。薄壳压力容器有力矩问题简述薄壳压力容器有力矩问题简述n受压薄壳部件独立变形情况如图左受压薄壳部件独立变形情况如图左n受压薄壳整体实际变形情况如图右受压薄壳整体实际变形情况如图右n等厚度薄壳产生变形不一致的原因等厚度薄壳产生变形不一致的原因应力突变（如球壳的周向应力应力突变（如球壳的周向应力

31、比圆筒壳的周向应力小，球壳的比圆筒壳的周向应力小，球壳的周向应变比圆筒壳的周向应变小，周向应变比圆筒壳的周向应变小，导致球壳的半径增大小于圆筒壳导致球壳的半径增大小于圆筒壳的半径的增大量）的半径的增大量）曲率突变（球壳的曲率半径为曲率突变（球壳的曲率半径为有限定值，而圆筒的第一曲率半有限定值，而圆筒的第一曲率半径无限大，力学分析证明曲率变径无限大，力学分析证明曲率变化引起弯曲应力）化引起弯曲应力）m0m0m0m0p0p0p0p0v一般回转薄壳产生弯曲应力的原因一般回转薄壳产生弯曲应力的原因应力突变应力突变几何曲率突变几何曲率突变刚度突变（如圆平板与圆筒壳的连接，平板在其面内的刚度突变（如圆平板

32、与圆筒壳的连接，平板在其面内的刚度比圆筒在同一面内的刚度大得多，平板的径向应变刚度比圆筒在同一面内的刚度大得多，平板的径向应变比圆筒小很多）比圆筒小很多）壳体厚度突变壳体厚度突变载荷突变（如支承处）、载荷不对称、存在集中力和力载荷突变（如支承处）、载荷不对称、存在集中力和力偶、存在圆周方向的法向线性分布载荷偶、存在圆周方向的法向线性分布载荷材料性能突变材料性能突变均匀应力引起曲壳的拉伸，使其曲率发生变化，产生弯均匀应力引起曲壳的拉伸，使其曲率发生变化，产生弯曲应力。由于变形限制在弹性范围内，这一弯曲应力相曲应力。由于变形限制在弹性范围内，这一弯曲应力相对薄膜应力是微量。对薄膜应力是微量。薄壳压

33、力容器有力矩问题简述v边缘应力的概念边缘应力的概念v不连续部位：不连续部位：壳体连接处和支承处壳体连接处和支承处v不连续部位的力学分析法（力法）：不连续部位的力学分析法（力法）：把壳体的解分解为把壳体的解分解为薄膜解薄膜解和和有矩解有矩解。薄膜解用无力矩理论求解。有矩解采薄膜解用无力矩理论求解。有矩解采用如图计算模型，求解保证不连续部用如图计算模型，求解保证不连续部位的变形协调而产生的边缘力位的变形协调而产生的边缘力p0和边和边缘弯矩缘弯矩m0。分别建立在。分别建立在p0和和m0以及以及介质压力作用下，使不连续部位的两介质压力作用下，使不连续部位的两壳体的径向位移和转角保持相等的两壳体的径向位

34、移和转角保持相等的两个方程，可求出个方程，可求出p0和和m0。然后把它们然后把它们代入有力矩解方程中，求出它们产生代入有力矩解方程中，求出它们产生的应力。的应力。v边缘应力：边缘应力：由边缘力和边缘弯矩引起由边缘力和边缘弯矩引起的应力的应力m0m0m0m0p0p0p0p0薄壳压力容器有力矩问题简述薄壳压力容器有力矩问题简述v边缘应力的特点边缘应力的特点边缘应力的类型：边缘应力的类型：使不连续部位发生转角变化的是弯曲使不连续部位发生转角变化的是弯曲应力，沿壳体厚度线性变化；使平行圆胀缩的主要是沿应力，沿壳体厚度线性变化；使平行圆胀缩的主要是沿壁厚均匀分布的应力，属薄膜应力壁厚均匀分布的应力，属薄

35、膜应力边缘应力的局部性：边缘应力的局部性：边缘应力仅局限在不连续部位附近，边缘应力仅局限在不连续部位附近，称为边缘应力的局部性。其作用范围与（称为边缘应力的局部性。其作用范围与（r）1/2同一量同一量级。理论分析表明，边缘应力在边缘附近区域较大，很级。理论分析表明，边缘应力在边缘附近区域较大，很快衰减到零快衰减到零边缘应力的自限性：边缘应力的自限性：当当壳体材料具有良好的塑性壳体材料具有良好的塑性，在边，在边缘附近边缘应力值很高时，会使材料发生屈服，自动使缘附近边缘应力值很高时，会使材料发生屈服，自动使边缘应力限制在一定范围。又因边缘应力的局部性，屈边缘应力限制在一定范围。又因边缘应力的局部性

36、，屈服区被广大弹性区包围，从而不致使塑性区发生整体性服区被广大弹性区包围，从而不致使塑性区发生整体性塑性流动，造成壳体破裂。塑性流动，造成壳体破裂。v边缘应力的性质：边缘应力的性质：保持边缘区的连续协调性，壳体内的保持边缘区的连续协调性，壳体内的自平衡力系产生的应力。自平衡力系产生的应力。薄壳压力容器有力矩问题简述薄壳压力容器有力矩问题简述回转薄壳无力矩理论的适用条件回转薄壳无力矩理论的适用条件v壳体的几何：壳体的几何：壳体厚度、曲率半径不得有突变壳体厚度、曲率半径不得有突变v壳体的材料：壳体的材料：壳体材料的物理性能相同壳体材料的物理性能相同v受力情况：受力情况：不能有集中力、不能有垂直于壳

37、面法向不能有集中力、不能有垂直于壳面法向的力和力矩、分布面力必须轴对称的力和力矩、分布面力必须轴对称v边界支承情况：边界支承情况：只可有沿切线方向的约束，而且边只可有沿切线方向的约束，而且边界处转角与挠度不应受到约束界处转角与挠度不应受到约束“规则设计规则设计”对边缘应力的处理方法对边缘应力的处理方法v壳体连接处采用挠性结构：壳体连接处采用挠性结构：如圆弧过渡、不等厚板如圆弧过渡、不等厚板削薄连接削薄连接v局部加强措施：局部加强措施：如锥壳的加厚段如锥壳的加厚段v减少外界引起的附加应力：减少外界引起的附加应力：如焊接残余应力、支座如焊接残余应力、支座处的集中应力、开孔接管处的应力集中处的集中应

38、力、开孔接管处的应力集中压力容器应力分类简述压力容器应力分类简述v应力分类的原因应力分类的原因：应力产生的原因不同：应力产生的原因不同：如薄膜应力是由于与外力如薄膜应力是由于与外力平衡而产生的；边缘应力是由于保持不连续处的平衡而产生的；边缘应力是由于保持不连续处的变形协调而产生的变形协调而产生的应力沿壳体壁厚的分布规律不同：应力沿壳体壁厚的分布规律不同：如薄膜应力是如薄膜应力是均匀分布；边缘弯曲应力是线性分布均匀分布；边缘弯曲应力是线性分布对壳体失效的贡献不同：对壳体失效的贡献不同：与外力平衡产生的应力与外力平衡产生的应力无自限性，对失效的贡献大；有自限性的应力对无自限性，对失效的贡献大；有自

39、限性的应力对失效的贡献小失效的贡献小v应力分类的原则：应力分类的原则：按应力产生的原因按应力产生的原因按应力的分布按应力的分布按对失效的影响按对失效的影响压力容器应力分类简述压力容器应力分类简述v应力分类应力分类：一次应力（一次应力（p）：）：平衡压力与其它机械载荷的应平衡压力与其它机械载荷的应力。它是维持结构各部分平衡直接需要的应力，力。它是维持结构各部分平衡直接需要的应力，无自限性，随外载荷增加而增加，直至容器破坏无自限性，随外载荷增加而增加，直至容器破坏按沿壳体壁厚分布的情况可分为：按沿壳体壁厚分布的情况可分为：v一次总体薄膜应力（一次总体薄膜应力（pm）：）：如回转壳中薄膜应如回转壳中

40、薄膜应力力v一次弯曲应力（一次弯曲应力（pb）：）：如平板封头中的线性分如平板封头中的线性分布弯曲应力布弯曲应力v局部薄膜应力（局部薄膜应力（pl）：）：由内压和其它机械载荷由内压和其它机械载荷引起的薄膜应力及边缘应力中的薄膜应力部分引起的薄膜应力及边缘应力中的薄膜应力部分的统称，即局部应力区中薄膜应力的总量的统称，即局部应力区中薄膜应力的总量压力容器应力分类简述压力容器应力分类简述v应力分类：应力分类：二次应力（二次应力（q）：）：为满足相邻元件间的约束或结为满足相邻元件间的约束或结构自身变形的连续性要求的应力，具有局部性和构自身变形的连续性要求的应力，具有局部性和自限性。即满足变形协调要求

41、的附加应力。如边自限性。即满足变形协调要求的附加应力。如边缘应力、温差引起的应力。缘应力、温差引起的应力。峰值应力（峰值应力（f）：）：附加在一次加二次应力之上的附加在一次加二次应力之上的应力增量。此增量源于局部不连续或局部热应力应力增量。此增量源于局部不连续或局部热应力的影响。沿壳体厚度方向非线性分布，影响到的影响。沿壳体厚度方向非线性分布，影响到1/4厚度范围内，数值很大。具有局部性和自限性。厚度范围内，数值很大。具有局部性和自限性。是疲劳裂纹产生的根源或可能断裂的原因，危险是疲劳裂纹产生的根源或可能断裂的原因，危险程度较低。如在接管根部的应力存在峰值应力程度较低。如在接管根部的应力存在峰

42、值应力压力容器应力分类简述压力容器应力分类简述v压力容器分析设计规范对各类应力强度的限制压力容器分析设计规范对各类应力强度的限制pmsm（许用应力强度）（许用应力强度）pl1.5smpm或或pl+pb1.5sm(pm或或pl+pb)+q3sm(pm或或pl+pb)+q+fsa(许用应力幅许用应力幅)压力容器应力分类简述压力容器应力分类简述压力容器设计压力容器设计v规则设计标准、方法和强度准则：规则设计标准、方法和强度准则：gb150等等等等各部件单独设计，总体结构不连续的附加应力，各部件单独设计，总体结构不连续的附加应力，以应力增强系数和形状系数的形式引入壁厚计算以应力增强系数和形状系数的形式

43、引入壁厚计算式，并将这些局部应力控制在许用范围内式，并将这些局部应力控制在许用范围内gb150采用弹性失效准则的最大主应力理论采用弹性失效准则的最大主应力理论v分析设计标准、方法和强度准则：分析设计标准、方法和强度准则：jb4732各部件单独设计厚度，然后再详细考虑需要进行各部件单独设计厚度，然后再详细考虑需要进行应力分析的部位，准确计算容器内重要部位的应应力分析的部位，准确计算容器内重要部位的应力分布情况，然后根据产生应力的原因不同，对力分布情况，然后根据产生应力的原因不同，对应力进行分类应力进行分类对不同类别的应力采用不同的强度准则进行限制对不同类别的应力采用不同的强度准则进行限制v压力容

44、器设计的内容压力容器设计的内容gb150按承压性质压力容器设计分：按承压性质压力容器设计分：v内压容器设计内压容器设计v外压容器设计外压容器设计内压容器按强度设计，采用薄壳理论。对总体结构不连内压容器按强度设计，采用薄壳理论。对总体结构不连续部位，在壁厚计算式中，考虑边缘处应力增强系数或续部位，在壁厚计算式中，考虑边缘处应力增强系数或形状系数进行修正形状系数进行修正外压容器的失效属稳定性破坏，外压容器的失效属稳定性破坏，gb150采用图解法迭代采用图解法迭代计算计算开孔接管、支座处的局部应力，采用局部处理或整体简开孔接管、支座处的局部应力，采用局部处理或整体简化模型处理。化模型处理。如开孔补强

45、；对立式容器校核支座处局部如开孔补强；对立式容器校核支座处局部应力，对于卧式容器除校核支座处应力外，采用应力，对于卧式容器除校核支座处应力外，采用zick的的简化模型对筒体进行校核简化模型对筒体进行校核法兰密封和强度设计法兰密封和强度设计支座设计支座设计压力容器设计压力容器设计v内压球壳的强度计算：内压球壳的强度计算：壁厚计算式的推导：壁厚计算式的推导：校核计算式校核计算式：设计温度下最大允许工作压力：设计温度下最大允许工作压力： 2 . 133. 1,6 . 04442k。kppdpdppdrptccticticc对应薄壳定义相当于外径与内径比适用于 teeicdp4eitewdp4压力容器

46、设计压力容器设计v内压圆筒强度计算内压圆筒强度计算壁厚计算式推导（最大应力为周向应力）：壁厚计算式推导（最大应力为周向应力）：校核计算式：校核计算式：设计温度下最大允许工作压力：设计温度下最大允许工作压力： 。kppdpdppdrptccticticc5 . 1,4 . 0222相当于外径与内径比适用于 teeicdp2 eitewdp2压力容器设计压力容器设计v内压椭圆形封头（凹面受压）：壁厚计算式：设计温度下最大允许工作压力： 222615 . 02iictichdkpdkp eitewkdp5 . 02压力容器设计压力容器设计v内压碟形封头（凹面受压）：壁厚计算式：壁厚计算式：设计温度下

47、最大允许工作压力：设计温度下最大允许工作压力： rrmpdmpictic3415 . 02 eitewmdp5 .02压力容器设计压力容器设计vgb150gb150其它受内压封头其它受内压封头球冠形封头球冠形封头(凹面受压凹面受压)（用增强系数修正筒体壁（用增强系数修正筒体壁厚计算式）：厚计算式）：v直接作封头直接作封头v分隔两独立受压室的中间封头分隔两独立受压室的中间封头压力容器设计压力容器设计vgb150gb150其它受内压封头其它受内压封头锥壳封头锥壳封头（半锥角（半锥角60时按平盖计算）：时按平盖计算）：v无折边锥壳无折边锥壳 当半锥角当半锥角30时可采用（大时可采用（大小端如需增强，

48、用增强系数修正筒体壁厚计算小端如需增强，用增强系数修正筒体壁厚计算式）式）v大端折边锥壳当半锥角大端折边锥壳当半锥角3045时采用，时采用，过渡段转角半径过渡段转角半径r应不小于封头大端内直径应不小于封头大端内直径di的的10%，且不小于该过渡段厚度的，且不小于该过渡段厚度的3倍（小端如倍（小端如需增强，用增强系数修正筒体壁厚计算式）；需增强，用增强系数修正筒体壁厚计算式）；当当45时小端也采用过渡段，用增强系数时小端也采用过渡段，用增强系数修正筒体壁厚计算式计算过渡段壁厚，小端过修正筒体壁厚计算式计算过渡段壁厚，小端过渡段转角半径渡段转角半径rs应不小于封头小端内直径应不小于封头小端内直径d

49、is的的5%，且不小于该过渡段厚度的，且不小于该过渡段厚度的3倍倍压力容器设计压力容器设计vgb150其它受内压封头其它受内压封头变径段变径段平盖平盖压力容器设计压力容器设计v外压圆筒和外压管子设计外压圆筒和外压管子设计d0/e20的圆筒和管子的圆筒和管子v假定假定n，令，令e=n-c，定出，定出l/d0和和d0/e；v在外压圆筒和管子的几何参数计算图的左方找在外压圆筒和管子的几何参数计算图的左方找到到l/d0值，过此点沿水平方向右移与值，过此点沿水平方向右移与d0/e线线相交（遇中间值用内插法），若相交（遇中间值用内插法），若l/d0值大于值大于50，则用则用l/d0=50查图，若查图，若l

50、/d0值小于值小于0.05，则用，则用l/d0=0.05查图；查图；v过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数数a；压力容器设计压力容器设计v按所用材料选用适当的材料计算图，在图的下方找到系数按所用材料选用适当的材料计算图，在图的下方找到系数a；若若a值落在设计温度下材料的右方，则过此点垂直上移，与值落在设计温度下材料的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过设计温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数此交点水平方向右移，在图的右方得到系数b，并按下式计，并按下式计算许

51、用外压力算许用外压力p：若所得若所得a值落在设计温度下材料线的左方，则用下式计算许值落在设计温度下材料线的左方，则用下式计算许用外压力用外压力p：vp应大于或等于应大于或等于pc，否则须再假设，否则须再假设n，重复上述计算，直到，重复上述计算，直到p大于且接近大于且接近pc为止为止 edbp/0 edaep/320压力容器设计压力容器设计v外压圆筒和外压管子设计外压圆筒和外压管子设计d0/e20的圆筒和管子的圆筒和管子v用与上面相同的步骤得到系数用与上面相同的步骤得到系数b值，但对值，但对d0/e4.0的圆筒和管的圆筒和管子按下式计算系数子按下式计算系数a值值:系数系数a0.1时，取时，取a=

52、0.1；v按下式计算许用外压力按下式计算许用外压力p：0应力，取以下两值中的较小值应力，取以下两值中的较小值0=2t 0=0.9st或或0.90.2tvp应大于或等于应大于或等于pc,否则须再假设否则须再假设n,重复上述计算重复上述计算,直到直到p大于且大于且接近接近pc为止为止 eeeddbdp/11/2,0625. 0/25. 2min000020/1 . 1eda压力容器设计压力容器设计vgb150gb150其它外压壳体其它外压壳体球壳球壳外压椭圆形封头（凸面受压）外压椭圆形封头（凸面受压）外压碟形封头（凸面受压）外压碟形封头（凸面受压）球冠形封头（凸面受压）球冠形封头（凸面受压）外压锥

53、壳封头外压锥壳封头v加强圈设计加强圈设计压力容器设计压力容器设计v各种壳体厚度的定义各种壳体厚度的定义计算厚度计算厚度 ：按强度计算得到的厚度按强度计算得到的厚度设计厚度设计厚度d：计算厚度与腐蚀裕量计算厚度与腐蚀裕量c2之和。之和。d=+c2名义厚度名义厚度n：设计厚度加上钢板负偏差设计厚度加上钢板负偏差c1向上圆向上圆整至钢材标准规格的厚度，即图样上注明的厚度，整至钢材标准规格的厚度，即图样上注明的厚度，其值不小于设计厚度其值不小于设计厚度有效厚度有效厚度e：e=n-c1-c2毛坯厚度：毛坯厚度：名义厚度加上加工减薄量名义厚度加上加工减薄量压力容器设计压力容器设计v设计参数确定设计参数确定

54、设计压力设计压力p：设定的容器顶部的最高压力，与之设定的容器顶部的最高压力，与之相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不低于相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不低于工作压力工作压力设计压力的确定按设计压力的确定按gb150第第3.5.1节规定节规定 具体的可参照具体的可参照hg20581的规定（见下页）的规定（见下页）计算压力计算压力pc：在相应设计温度下，用以确定元件在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不设计压力时，可忽略不计计工作压力：工作压力：在正常工作

55、情况下，容器顶部可能达在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力到的最高压力压力容器设计压力容器设计设计温度：设计温度：容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度设计温度的确定按设计温度的确定按gb150第第3.5.2节规定节规定金属温度：金属温度：容器受压元件沿截面厚度的平均温度容器受压元件沿截面厚度的平均温度焊接接头系数焊接接头系数：表示焊缝区金属强度与母材金属强度的比表示焊缝区金属强度与母材金属强度的比值。对钢制容器（对非钢制容器按值。对钢制容器（对非钢制容器按容规容规表表3-5规定）：规定）：双面焊或相当于双面焊的全焊透对接接头：双面焊或相当

56、于双面焊的全焊透对接接头：100%无损探伤无损探伤 =1.00局部无损探伤局部无损探伤 =0.85单面焊的对接接头单面焊的对接接头(沿焊缝根部全长具有紧贴基本金属的沿焊缝根部全长具有紧贴基本金属的垫板垫板)：100%无损探伤无损探伤 =0.90局部无损探伤局部无损探伤 =0.80压力容器设计压力容器设计v钢材厚度负偏差钢材厚度负偏差c1：按钢材标准的规定选取。按钢材标准的规定选取。gb708（24mm）、）、gb709（4.560mm）、）、gb6654规定厚度大于规定厚度大于60至至100mm钢材厚度负偏差为钢材厚度负偏差为1.5mm。gb150的的3.5.5.1规规定，当钢材的厚度负偏差不

57、大于定，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm且不超过名义厚度且不超过名义厚度的的6%时，可取时，可取c1=0v腐蚀裕量腐蚀裕量c2：gb150的的3.5.5.2规定，为防止容器元件由于规定，为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度减薄，应考虑腐蚀裕量。腐蚀、机械磨损而导致厚度减薄，应考虑腐蚀裕量。对有腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器寿命和介质对有腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量裕量介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或

58、低合金钢制容介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或低合金钢制容器，腐蚀裕量不小于器，腐蚀裕量不小于1mm压力容器设计压力容器设计v壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：圆筒的最小厚度：圆筒的最小厚度：v对碳素钢、低合金钢制容器，不小于对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mmv对高合金钢制容器，不小于对高合金钢制容器，不小于2mm椭圆形封头、碟形封头的有效厚度：椭圆形封头、碟形封头的有效厚度：v对于标准椭圆形封头和对于标准椭圆形封头和ri=0.9di，r=0.17di的碟形封头，其有效的碟形封头，其有效厚度应不小于封头内直径的厚度应不小于封头内直径的0.15

59、%v对于其它椭圆形封头和碟形封头，其有效厚度不小于封头内直径对于其它椭圆形封头和碟形封头，其有效厚度不小于封头内直径的的0.30%确定封头厚度时，考虑了内压下的弹性失稳，或按分析法设计时，确定封头厚度时，考虑了内压下的弹性失稳，或按分析法设计时，可不受上述限制可不受上述限制v许用应力：许用应力：按按gb150第四章选取第四章选取压力容器设计压力容器设计gb150第四章材料的许用应力是依据表第四章材料的许用应力是依据表31的相应应的相应应力强度和安全系数确定的：力强度和安全系数确定的：压力容器设计压力容器设计v压力试验压力试验压力试验的目的：压力试验的目的：检查容器在超工作压力下的宏观强度，检查

60、容器在超工作压力下的宏观强度，包括材料的缺陷、容器各部分的变形、焊接接管的强度包括材料的缺陷、容器各部分的变形、焊接接管的强度和容器法兰连接的泄露检查等和容器法兰连接的泄露检查等压力试验的种类：液压、气压压力试验的种类：液压、气压一般性规定：一般性规定：v试验用液体温度：试验用液体温度：应低于其闪点或沸点。为了避免试验时发生低应低于其闪点或沸点。为了避免试验时发生低温脆性破坏，对于碳素钢、温脆性破坏，对于碳素钢、16mnr和正火和正火15mnvr钢制容器液压钢制容器液压试验时，液体温度不得低于试验时，液体温度不得低于5；其他低合金钢制容器，液压试；其他低合金钢制容器，液压试验时液体温度不得低于