化工容器设计习题课(2)

1、习习 题题 课课 (2)(2)化工容器设计化工容器设计一高压容器，根据第三强度理论，开口圆筒与一高压容器，根据第三强度理论，开口圆筒与封闭圆筒计算得到的壁厚是否有区别？封闭圆筒计算得到的壁厚是否有区别？开口：开口：解：解：21211KPK20340 MPar 闭口：闭口：21211KPK221PK340 MPar 2e13221KPK根据第三强度理论：根据第三强度理论：根据第三强度理论：没有区别没有区别Q. Zhang, Z.W. Wang, C.Y. Tang, D.P. Hu, P.Q. Liu, L.Z. Xia. Analytical solution of the thermo-me

2、chanical stresses in a multilayered composite pressure vessel considering the influence of the closed ends. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2012, 98: 102-110要善于培养发现问题的能力要善于培养发现问题的能力实例实例1 1：P123P123页，进行自增强处理时，选择适当的自增页，进行自增强处理时，选择适当的自增 强处理半径十分关键。强处理半径十分关键。实例实例2 2：焊接接头系数，是由于结构局部消弱

3、而强加给结焊接接头系数，是由于结构局部消弱而强加给结 构整体的一种惩罚，是否可探究一种合理方法？构整体的一种惩罚，是否可探究一种合理方法？实例实例3 3：开孔补强建议采用等强度补强原则或者极限载荷开孔补强建议采用等强度补强原则或者极限载荷 补强原则。那么怎样实现极限载荷补强呢？补强原则。那么怎样实现极限载荷补强呢？外压圆筒壁厚设计图算法步骤外压圆筒壁厚设计图算法步骤: :( (对对 D Do o/ / e e 20 20 的圆筒和管子的圆筒和管子) )（1 1）假设假设 n n ，令令 e e= = n n- -C C 计算计算L L/ /D Do o 和和D Do o/ / e e 值值（2

4、 2）求求 值值（A A值），查图值），查图3.273.27。 若若 L L/ /D Do o 50 , 50 , 则用则用L L/ /D Do o = 50 = 50 查图查图 若若 L L/ /D Do o0.05 , 0.05 , 则用则用L L/ /D Do o=0.05 =0.05 查图查图外压容器设计（图算法）外压容器设计（图算法）A 32 tEB（3 3）求求 B B 值值: : 根据所用材料，从图根据所用材料，从图3.283.28图图3.293.29中选出相应中选出相应 的算图，在横坐标上找到的算图，在横坐标上找到A A点。会遇到两种情况：点。会遇到两种情况：A A值所在点落在

5、所选曲线值所在点落在所选曲线右侧，与曲线有交点，右侧，与曲线有交点，B B值可由图中直接查到；值可由图中直接查到；A A值所在点落在曲线左侧值所在点落在曲线左侧，与曲线没交点，与曲线没交点，B B值可值可由公式计算得到：由公式计算得到：（4 4）求求 许用工作压力许用工作压力 p p eooeBpBDD即：（5 5）比较比较 若若PcPcP P 说明假设的说明假设的nn合适，可以采用，且安全；合适，可以采用，且安全； 若若PcPc P P 说明假设的说明假设的nn过大，会造成材料的浪费，应过大，会造成材料的浪费，应 重新假设小一点的重新假设小一点的nn，重复步的计算，重复步的计算， 直到直到P

6、cPcP P ； 若若PcPc P P 说明假设的说明假设的nn过小，是不安全的，应重新假过小，是不安全的，应重新假 设大一点的设大一点的nn，重复步的计算重复步的计算, ,直到直到 PcPcP P ；图算法图算法图图1 1 重构的几何重构的几何计算图（计算图（A A系数）系数）问题：问题：A A，B B是如是如何绘制出来的？何绘制出来的？可否基于所学知可否基于所学知识自己重构？识自己重构？图图2 2 重构的重构的Q Q345厚度计算图（厚度计算图（B B系数）系数）P119： 4-1解：确定参数解：确定参数0010061.171.17 100617129.2 mm4.75creDLD6000

7、17129.2crLL 该容器属于短圆筒该容器属于短圆筒2t5P16mm C1mm =1000mm180 MPa2 10 MPa=C0.256000 mmmmnDEL（1）判断圆筒类型）判断圆筒类型e1260.25 14.75 mm100061006 mmnnoDCCD 非常重要，而作业中非常重要，而作业中仍有仍有10%10%同学未列出。同学未列出。（2 2）失稳性质）失稳性质1.5551.1.3 210064.75=1.3 2 10()=14.14 MPa60001006tcrooecreoP DDELD tP=14.14 MP8aP=0.1 MPa，满足要求满足要求。 按内压水压试验校核按

8、内压水压试验校核 PT=1.25p / t =1.250.1113/113=0.125 MPa()0.125(250020.7)7.6 MPa2220.70.9235 1.0211.5 MPa TieTesTspD 0.9 0.9 水压试验校核是安全的。水压试验校核是安全的。（2）设置）设置6个加强圈个加强圈 n=6+2=8 （包括两个封头）（包括两个封头）204172916.7 mm()71sLLn设设n=12 mm，则则 e=n-C= 12-0.8-2.5=8.7 mm， Do=Di+2n=2500+212=2524 mm。许多同学许多同学答错了答错了大部分同大部分同学都没做学都没做加强圈

9、最大间距：加强圈最大间距：2.5max52.52.59 ()(/)2.592 10(2524 8.7)3040 mm3 (0.1/2524)oeoE DLm p D max2916.73040sLL 取名义厚度为取名义厚度为12mm12mm合适。合适。P119：4-9解：解： 一一 釜体壁厚设计釜体壁厚设计 (1)(1)确定参数：确定参数：最高工作外压最高工作外压 p p =0.3MPa =0.3MPa Di =1400mm； L筒筒1300 mm=1(可能处于外压工作状态可能处于外压工作状态)C2=2 mm20R t =133MPa s=245 MPa（P183）C1=0.8 mmtw=10

10、052 10 MPaE (2)(2)按外压确定壁厚：按外压确定壁厚：1) 设n=12 mm，则e=n-C= 12-0.8-22=7.2 mm， Do=Di+2n=1400+212=1424 mm。2) L/Do=1417/1424 =1.0，Do/e=1424/7.2=197.8 查图3.27，A=0.0005，查图3.30，B =70MPa3) p=B/（Do/e）= 70/197.8 =0.35MPa4) p=0.35MPa p=0.3 MPa，满足要求。13140=+0/=1300=1417 m3/4mihL L筒许多同学许多同学答错了答错了(3)夹套水压试验校核：夹套水压试验校核： P

11、T=max(1.250.3=0.375，p+0.1)= 0.4MPa(4)按内压设计校核：按内压设计校核：()0.22(14007.2)21.5 MPa227.21 133133 MPatcieetpD tt 满足强度设计要求。满足强度设计要求。查图3.27，A=0.0005,查图3.30，B =70MPaP=B/（Do/e）= 70/197.8 =0.35MPa对夹套进行水压实验时，釜体内应保持最小压力为0.05MPa。（5 5）按内压水压试验校核）按内压水压试验校核 PT=1.25p / t =1.250.3133/133=0.375 MPa()0.375(14007.2)36.6 MPa

12、227.20.9245 1.0220.5 MPa TieTesTspDS S0.9 0.9 水压试验校核是安全的。水压试验校核是安全的。二二 夹套壁厚设计夹套壁厚设计 (1)确定参数：确定参数：PcPc=0.33 MPa=0.33 MPa， D Di i=1500 mm=1500 mm；C C2 2=2 mm=2 mm=0.8 (单面焊，局部无损检验）单面焊，局部无损检验）材质：材质：20R t =133MPa s=245 MPa（P183）一半同学一半同学未进行夹未进行夹套设计。套设计。122.22.55mmnCC圆整圆整(2)(2)设计夹套厚度：设计夹套厚度：0.33 15002.2mm2

13、 2 0.85 133 0.33citcp Dp C1=0.5 mmC=C1+C2=2.5 mm。取夹套厚度为取夹套厚度为5mm。（3 3）标准椭圆形封头）标准椭圆形封头d2n10.33 15002.19 mm2 2 133 0.850.332.1924.19 mm4.0.50190.5mm55.citcdp DpCC 圆整圆整计算应力计算应力()0.4125 (12002.5) 99.2 MPa 222.5TieTeP DSS应力校核应力校核0.9 0.9245 0.85187.4 MPas 0.9Ts 水压试验强度足够（4）水压试验校核）水压试验校核有效壁厚有效壁厚e52.52.5 mmn

14、C 1331.251.25 0.330.4125 MPa133Ttpp试验压力试验压力法兰设计、开孔补强（法兰设计、开孔补强（熟悉设计过程熟悉设计过程）（1 1）P88 3-13P88 3-13：法兰设计：法兰设计（类似于（类似于P78,3-5P78,3-5例题）例题）注意注意: : (1) (1) 法兰的内径是容器的外径；法兰的内径是容器的外径； (2) (2) 一些参数查取，一些参数查取，GB150GB150。 （2 2）P96 3-22P96 3-22：开孔补强计算：开孔补强计算（类似于（类似于P92,3-9P92,3-9例题）例题）注意注意: : 接管接管DN Di Do 若若DN 一

15、定，对应一个最常用的壁厚值一定，对应一个最常用的壁厚值 ， 得到一个外径得到一个外径Do，将其固定，将其固定，Di值是以壁厚不同而不同；值是以壁厚不同而不同；分析设计及应力线性化分析设计及应力线性化相比于常规设计，分析设计计算更为精确和详细，但相比于常规设计，分析设计计算更为精确和详细，但计算过程也更为复杂。计算过程也更为复杂。常规设计根据常规设计根据GB150GB150及相关标准，计算方法规范、及相关标准，计算方法规范、成熟、方便，成熟、方便，那么分析设计应力该如何计算？采用那么分析设计应力该如何计算？采用哪种手段呢？哪种手段呢？1 1 问题提出问题提出2 2 主要计算方法主要计算方法（1

16、1）点处理法）点处理法（2 2）线处理法）线处理法（3 3）面处理法）面处理法将容器各计算部位，按各自一个点的应将容器各计算部位，按各自一个点的应力值直接与规范规定的应力分类的强度力值直接与规范规定的应力分类的强度条件进行比较判断。条件进行比较判断。计算手段：计算手段：板壳理论板壳理论优缺点：优缺点：简单但难反映整个区域简单但难反映整个区域将容器各计算危险部位应力，按选择的危险截面把各应力将容器各计算危险部位应力，按选择的危险截面把各应力分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类和评价。然后进行应力分类和评价。计算手

17、段：计算手段：有限元法有限元法对于复杂的非轴对称三维结构，则可将线处理法推广为面对于复杂的非轴对称三维结构，则可将线处理法推广为面处理法。处理法。计算手段：计算手段：有限元法有限元法A AB B3 3 线处理法应力线性化线处理法应力线性化均匀化处理后的平均应力，其值属于薄膜应力（均匀化处理后的平均应力，其值属于薄膜应力（membrane membrane stressstress）；当量线性化处理的线性部分应力属弯曲应力）；当量线性化处理的线性部分应力属弯曲应力（bending stressbending stress），剩余的非线性部分为峰值应力（），剩余的非线性部分为峰值应力（peak p

18、eak stressstress）。）。应力线性化：应力线性化：沿分析路径通过积分处理找出沿路径的均沿分析路径通过积分处理找出沿路径的均匀分布应力成分、线性变化成分及非线性变化成分。匀分布应力成分、线性变化成分及非线性变化成分。具体的线性化过程分两步：具体的线性化过程分两步：第一步是选择一条应力分类线。第一步是选择一条应力分类线。该线是连接所选结构危该线是连接所选结构危险部位两个表面的最短线。对于远离结构不连续的区域，险部位两个表面的最短线。对于远离结构不连续的区域，该线垂直于两个表面，其长度等于壳体厚度。该线垂直于两个表面，其长度等于壳体厚度。第二步是将应力沿这条线线性化处理。第二步是将应力

19、沿这条线线性化处理。计算容器各部位计算容器各部位应力，按选择的危险截面把各应力分量沿该应力分类线应力，按选择的危险截面把各应力分量沿该应力分类线进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类评定。进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类评定。1 1）薄膜应力：）薄膜应力：是应力沿壁厚是应力沿壁厚 的平均值的平均值221ijijmdx2 2）弯曲应力：）弯曲应力：是沿壁厚线性分布的应力成分：是沿壁厚线性分布的应力成分：23212ijijbxxdx由于分析设计中只考虑壳体内外壁的最大和最小弯曲应力，由于分析设计中只考虑壳体内外壁的最大和最小弯曲应力，其值为其值为 : :22,26ijijb sx

20、 dx 3 3）线性化的应力：）线性化的应力：由薄膜应力和弯曲应力相加得到由薄膜应力和弯曲应力相加得到bijmijLij4 4）一点的应力非线性部分：）一点的应力非线性部分：是总应力和线性化应力的差是总应力和线性化应力的差 bijmijijLijijpij5 应力评定（应力强度设计限制）应力评定（应力强度设计限制）已知：已知：若某容器内支撑相邻的壳体中的应力为，径向应力若某容器内支撑相邻的壳体中的应力为，径向应力 r r=-=-37.2 MPa37.2 MPa；轴向应力；轴向应力 z z=70.5 MPa=70.5 MPa；环向应力；环向应力 =129.6MPa=129.6MPa；材料；材料S

21、A-516-70SA-516-70， 260 260许用应力强度许用应力强度S Smm=141.3 MPa=141.3 MPa。问答：问答： 根据分析设计评定方法进行壳体强度评定。根据分析设计评定方法进行壳体强度评定。解：解： （1 1）应力计算）应力计算123129.6MPa70.5MPa37.2MPazr ，（2 2）应力评定）应力评定LP129.6( 37.2)166.8 MPa LP166.8 MPa1.51.5 141.3212 MPamS应力评定合格例题二例题二: : 不等厚圆筒应力分析不等厚圆筒应力分析 P50P50PQMPQM几何参量几何参量问题分析问题分析（教材（教材P16）

22、00000000111222111222ppQMQMQMQMpp0020203221212pMQpREMDQD 径向位移径向位移00000112pMQMDQD经向转角经向转角参考参考化工容器设计化工容器设计 王志文主编王志文主编给定公式给定公式112268.39120.32()MPa ()MPa62.86118.6254.2796.97()MPa ()MPa50.7395.911212131.26MPa65.63M105.00Pa52.50MPMPaapppp1122()0.50.0211()1 0.08960.0063()0.50.0169()1 0.08150.0056kkkk 这类应力计算非常复杂，也这类应力计算非常复杂，也很难得到准确的解析解，需很难得到准确的解析解，