压力容器设计中分析设计的应用1

压力容器设计中

分析设计的应用全国锅炉压力容器标准化技术委员会杨国义()第一页，共六十四页。一、本讲座的目的了解压力容器设计中在特殊情况下采用分析设计的必要性

1）常规设计已无法解决具体工程设计的问题——超出常规设计标准范围；2）特殊结构——无法在常规设计中实现有效设计；1

23）开孔范围超过GB150第8章的限制；4）GB150标准中1.4条的解决方案之一；5）已有成功使用经验的疲劳容器的常规设计的疲劳分析补充。2.分析设计在压力容器设计中所能解决的设计问题1）作为与GB150常规设计并行的标准，具体设计均可选任一标准实现；2）适用范围超出GB150标准，但在JB4732标准适用范围内的容器设计、制造检验验收；3）常规设计的有效补充。3.如何利用分析设计解决压力容器设计具体问题第二页，共六十四页。3.如何利用分析设计解决压力容器设计具体问题1）依据JB4732标准进行设计；2）设计标准总体采用GB150，局部采用分析设计——按常规设计管理,单位不需具有SAD设计资格，局部分析计算结果由分析者承担责任，标准管理上要求经全国锅炉压力容器标准化技术委员会评定、认可。第三页，共六十四页。二、常规设计与分析设计的内涵两种设计理念,材料与制造要求与相应设计方法相适应。1）常规设计——以GB150为基础的设计总体上不因引起应力的原因不同而对应力的评判有所区别——将各种载荷引起的应力统一对待。但个别局部结构的设计也引入分析设计的处理方法，如锥壳大小端的设计。设计中一般仅按总体应力设计计算结构强度，不考虑局部结构应力对强度的影响，对局部结构通过经验进行设计或通过制造上的要求以保证结构的安全性。该种设计是以长期经验总结为基础的。设计特点是：简单，一般从设计载荷条件可直接求取强度尺寸。如：圆筒体及椭圆封头设计等。2）分析设计——以JB4732为基础的设计，与GB150并行的一种设计方法。提供了以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法。通过对结构全部应力状况的全面掌握，根据引起应力的原因不同，对应力进行分类，对不同的应力分别采用极限设计和安定性的观点或疲劳设计观点进行限制——实现对结构的有效设计。第四页，共六十四页。三、常规设计与分析设计主要区别

GB150标准JB4732标准设计压力MPa0.1～350.1～100设计温度按钢材允许使用温度（第4章许用应力表）低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度要求作疲劳分析的容器不适用适用外压或真空容器真空度高于或等于0.02MPa真空度高于或等于0.02MPa1.标准适用范围方面第五页，共六十四页。三、常规设计与分析设计主要区别2.理论基础GB150标准：对总体结构一般以薄壳无力矩理论或薄板理论计算结构应力，采用第一强度理论计算结构当量强度。一般按总体结构强度设计。JB4732标准：对总体结构一般采用弹性力学的分析结果计算结构应力，采用第三强度理论计算结构当量强度。在按总体结构强度设计的基础上，重点将强度设计放在局部不连续结构的强度设计上。应力分析计算往往借助数值计算方法实现，如有限元等。引入应力分类的概念，根据引起应力的原因和对结构强度影响性质不同对结构应力进行分类。对不同类型的应力限制标准不同。第六页，共六十四页。三、常规设计与分析设计主要区别3.失效准则GB150标准：总体上采用弹性失效准则，即结构中有一点强度超过弹性范围即判为失效。但不排除局部塑性失效准则或弹塑性失效准则的采用，如锥壳大小端的强度设计和球冠形封头的强度设计——引入了分析设计的方法。JB4732标准：塑性失效准则或弹塑性失效准则。

第七页，共六十四页。三、常规设计与分析设计主要区别4.强度的许用极限GB150标准：许用应力：取下列各值中的最小值。JB4732标准：设计应力强度**应力强度:组合应力基于第三强度理论的当量强度。材料许用应力碳素钢、低合金钢

高合金钢第八页，共六十四页。三、常规设计与分析设计主要区别4.强度的许用极限JB4732标准：设计应力强度取下列各值中的最低值注：以上许用极限不包括螺栓材料,一般情况下，当设计温度不是足够高时，许用应力和设计应力强度均决定于标准抗拉强度下限值，因此对同一种材料设计应力强度值一般高于许用应力值。由此引发对材料的具体要求上的不同第九页，共六十四页。三、常规设计与分析设计主要区别4.材料的技术要求存在差异相对于GB150标准JB4732标准对材料要求进一步提高。

第十页，共六十四页。三、常规设计与分析设计主要区别4.制造、检验和验收要求存在差异相对于GB150标准JB4732标准对制造、检验和验收要求进一步提高。第十一页，共六十四页。四、常规设计与分析设计实现压力容器设计的过程1.常规设计实施过程概述

实施一完整的常规设计一般过程如下：设计条件的提出载荷分析材料选择结构设计（参照以往类似结构——一般只关注总体，不在局部上作过多细致设计）总体强度尺寸确定（用标准公式直接计算或对结构设计的核算，现在一般借助软件实现）局部接管结构强度尺寸初定开孔补强等计算（或借助其它设计方法实现）技术要求图样绘制设计文件整理。该种设计方法建立在大量成功设计的经验基础之上，特别是局部结构设计更是经验的总结。为保证结构的强度要求，材料、制造检验验收要求必须加以满足。

第十二页，共六十四页。四、常规设计与分析设计实现压力容器设计的过程2.分析设计实施过程概述

实施一完整的分析设计一般过程如下：分析设计条件的提出载荷分析材料选择结构设计总体强度尺寸确定局部结构强度尺寸初定分析模型构建应力分析强度评定（通过）技术说明技术要求图样绘制设计文件整理。3.分析设计具体实施（局部例证）a)分析设计条件的提出一般由工艺专业提出——一般主要包括以下项目：工作压力（最高工作压力、最低工作压力）、最高工作温度（或最低工作温度）、介质（腐蚀性、密度等）、设备结构简图、设备建造地点（地震加速度、风压、雪压）附加说明。球罐例证一，例证二第十三页，共六十四页。3.分析设计具体实施（局部例证）载荷分析针对具体分析设计的设备确定需考虑的载荷，在载荷的计及中应关注如何将相应载荷应用于应力分析。对结构应力状况影响甚微的载荷可忽略（根据以往经验判断）。如球罐整体应力分析考虑的载荷；接管分析考虑的载荷。大型卧罐整体分析考虑的载荷小型卧罐考虑的载荷，有时甚至需考虑动载荷（如吊装）。材料选择应考虑操作条件，介质特性，制造加工工艺性能，焊接性能，经济合理性等——综合成本。考虑韧性、材料的应力应变关系是否与标准评定方法相适应—理想弹塑性材料。如受疲劳载荷情况，应考虑采用抗疲劳性能优良的材料——对比疲劳曲线。特殊情况——总项目承包中有时已规定材料。第十四页，共六十四页。3.分析设计具体实施（局部例证）c)材料选择1）设计应力强度的确定：对一次应力强度对应的设计应力强度，取计算温度下的值—一般对应设计温度；对二次应力强度对应的设计应力强度取操作温度下的值。2）疲劳曲线的选定—根据材料选定3）材料物理性能数据确定：弹性模量、泊松比、线胀系数、密度等

第十五页，共六十四页。3.分析设计具体实施（局部例证）d)结构设计结构设计在应力分析中至关重要——直接影响设计质量与成本。总体结构一般已由工艺确定，结构设计主要对象为焊接接头或接管结构。A类接头：应为全熔透的双面焊或单面焊双面成形技术所焊成的全熔透的焊接接头。若有垫板，焊后应拆除。——1型接头B类接头：应为1型接头或带垫板的单面焊对接接头——2型接头C类接头：应为1型接头或完全熔透的角接接头当用于盛装毒性程度为极度的危害介质时，焊接接头另有特殊限制——附录H1.3。JB4732附录H的要求，一般是针对完全采用标准中提供的方法来进行分析设计的情形—在结构上需加以保证。如应力分析评定基于特定的数值计算模型（有限元法等）给出，结构满足分析模型即可，可不受该附录限制。

第十六页，共六十四页。3.分析设计具体实施（局部例证）结构设计接管结构设计接管造成了总体结构的不连续——引发二次应力，减小构件间约束能起到降低二次应力的效果——刚度尽量平衡分配。接管结构设计不仅考虑到受力效果，亦应考虑到制造加工成本。如筒体接管锻件结构

斜接管结构对疲劳容器，进行结构设计时尽量减少应力集中—结构圆滑过渡。减少局部结构不连续。几种典型结构举例分析：1）球罐人孔锻件结构与人孔新型结构2）典型夹套容器结构

碟形封头接管结构3）另一种夹套结构

锥壳接管结构4）球形封头接管结构

立式圈座结构5）斜接管整体补强结构；6）换热器结构17）换热器结构2第十七页，共六十四页。e)总体强度尺寸确定类似于GB150的总体厚度计算方法，只是许用应力改为材料设计应力强度——针对总体薄膜应力强度，通过第三强度理论，求取相当应力建立公式。具体计算按JB4732第7章1）公式应用范围更加广泛，既给出了Pc<0.4kSm的公式，又给出了Pc>0.4kSm的公式，同时可以考虑经向薄膜力的作用。2）对于承受外压的回转壳，在稳定性计算方面和GB150相同。f)局部结构强度尺寸初定局部结构主要包括：接管与壳体相接局部结构和壳体间相接结构。确定方法：（1）参照标准结构进行设计（2）参照以往经验确定外形尺寸（3）借助于分析手段确定第十八页，共六十四页。f)局部结构强度尺寸初定此处的局部结构强度只是一初定尺寸，最终尺寸需经应力分析并评定后确定，尺寸可能向两个方向调整或更改局部结构。g)分析模型构建与应力分析此两项内容是应力分析设计中的要求理论基础较为扎实的部分也是难点之一。（1）分析模型构建一定要真实反映被分析结构的真实受力状态，主要涉及到边界条件的处理一定要正确。此处的分析模型并非专指有限元等数值计算方法的分析模型，解析法，试验应力分析也有相适应的分析模型。

举例1举例2举例3举例4举例5举例6举例7（2）应力分析的手段包括：解析法数值计算方法试验应力分析，其中数值计算方法中有限元法应用最多。采用有限元法选择单元至关重要。几种重要应用最多的单元：plane82、shell63、shell93、solid45、solid95、solid185、solid70(温度单元8节点)、solid90(温度单元20节点)第十九页，共六十四页。g)分析模型构建与应力分析在应力分析设计中，对不同类型的应力所得的应力强度，分别采用极限设计和安定性的观点予以评定，在此实质上是允许应力超过屈服强度的。极限设计的观点是结构一点进入屈服后结构仍然具有承载能力，直至整个截面或局部区域进入屈服，结构才达到承载极限。安定性的概念是允许结构在承受第一次加载循环时产生一定量的塑性变形，但在以后的加载过程中不会产生累加的塑性变形。由此，分析设计的结果评定是允许结构进入塑性状态的评定，因此实质上评定是采用应变进行控制的。但在实际结果评定中均将相应的应变转换为当量的虚拟应力来加以限制。这样在实际应力分析中，就可假设结构处于弹性状态来处理问题了。因此一般应力分析按弹性分析处理即可——实质上是应变控制。特殊情况下，可引入塑性极限分析。此时对安定性有附加要求。第二十页，共六十四页。（3）分析结果处理—线性化、应力分类线性化—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。路径的设定原则：选定的认为需要的应力分析结果评定部位中沿厚度最短方向设定路径沿路径线性化结果的应力属何种类别根据引起应力的原因和具体分析结构部位由分析者判断确定。具体可参照JB4732-95表4-1，表5-3。第二十一页，共六十四页。（3）分析结果处理—线性化、应力分类几种典型结构处应力线性化后的应力分类原则开孔接管与壳体相接部位——假设只承受内压线性化后的薄膜成分尽管具有二次应力的性质，仍按一次局部薄膜应力对待。膜+弯成分按一次+二次应力对待。峰值成分只在疲劳情况考虑第二十二页，共六十四页。（3）分析结果处理—线性化、应力分类几种典型结构处应力线性化后的应力分类原则2）锥壳结构——假设只承受内压锥壳小端线性化后的薄膜成分按一次局部薄膜应力对待，但应力强度的限制值为1.1Sm。膜+弯成分按一次+二次应力对待。锥壳大端线性化后认为没有一次成分，膜+弯成分按一次+二次应力对待。第二十三页，共六十四页。h)强度评定（1）不考虑疲劳工况评定方法：按JB4732标准表5—1和5.3条的要求进行评定：即：一次总体薄膜应力强度SI的许用极限为KSm一次局部薄膜应力强度SII的许用极限为1.5KSm一次薄膜加一次弯曲应力强度SIII的许用极限为1.5KSm一次加二次应力强度SIV的许用极限为3Sm不考虑峰值应力的影响。对具体实际结构的应力分类是难点—至今无公认的对各种结构情况下的应力分类方法。根据经验由分析者判断处理。ANSYS程序后处理给出的分类方法只是分出薄膜成分—沿壁厚均匀分布的部分、弯曲成分—沿壁厚线性分布的部分和峰值成分—非线性部分。非线性部分并非一定是峰值应力——有时会导致非保守结果。第二十四页，共六十四页。h)强度评定关于压力试验工况的强度评定如结构对计算压力下的工况已评定通过，再用1.25倍或1.15倍的载荷组合系数对压力试验工况进行评定已无意义。此时如容器任何点上的压力（包括静压头）只在超过规定试验压力的6%时，才需进行以下评定。（1）SI小于等于0.9ReL或0.8ReL

（2）当SI小于等于0.67ReL时SII小于等于1.35ReL当SI小于等于0.9ReL且大于0.67ReL时SII小于等于2.15ReL-1.2SI**结果评定中评定部位应满足三个主应力代数和不得超过4Sm**塑性极限分析：若采用塑性极限分析方法，满足计算载荷小于塑性极限载荷即可。不需遵循上述评定要求。塑性极限方法：常用有限元方法—ANSYS可实现。第二十五页，共六十四页。h)强度评定（1）不考虑疲劳工况一次结构法通过将对应的二次结构约束打开而求出对应的一次应力，将带有约束的原二次结构分析结果减去一次结构的分析结果即可分出二次应力。此种方法有效但分析效率较低。

举例1举例2

两种典型结构应力分析结果应力分类及结果评定（2）疲劳工况需进行疲劳分析的结构，首先在强度上应满足前述对一次应力的评定要求。疲劳评定时对多压力情况交变载荷应注意载荷工况的考虑顺序——尽量按不同疲劳事件考虑。JB4732疲劳分析未考虑腐蚀的影响。（3）未通过强度及疲劳评定的处理局部结构参数调整第二十六页，共六十四页。i)技术说明与技术要求（1）技术说明应包含的内容分析中对结构局部处理引发对制造检验验收的要求。分析中所取的腐蚀余量分析模型中局部尺寸的确定，如倒角等分析模型中对焊缝熔透的要求。

举例1举例2

（2）技术要求技术说明的内容要体现在图样技术要求中。技术要求尽量详实具体，不能太笼统。一般包括的内容：遵循的标准法规、无损检测要求、压力试验和气密试验要求、原材料要求、制造上的要求、表面质量要求、焊接材料要求等。第二十七页，共六十四页。j)图样绘制与设计文件整理将具体分析评定通过后的结构参数绘制成工程图，同时将具体技术要求写入。设计文件包括图样和分析报告或计算书，应由具有相应资格的人员签署。

第二十八页，共六十四页。四、常规设计中可以局部采用应力分析设计的情况局部结构超出GB150设计范围、无法按常规设计确定结构尺寸的情况或对现有设计方法设计的结构持有怀疑的情形。但对法兰等慎用。如大开孔、特殊结构、超标结构等。具有成功使用经验的受疲劳载荷作用的按JB47323.10条不能免除疲劳分析的容器，可采用按分析设计补充相应疲劳分析报告，由全国锅炉压力容器标准化技术委员会审查后，按常规容器设计对待的方式处理。员及单位资格不做要求，但分析者承担责任。（容规40条）*需经全国锅炉压力容器标准化技术委员会评定认可—履行手续。

示例1

第二十九页，共六十四页。五、常规设计中如何实现局部应力分析设计设计程序及方法基本同分析设计的实现，如结构分析，应力分析及具体评定等。以下几点应予遵循：1.分析及评定方法按JB4732；2.设计应力强度按GB150相应许用应力取；3.对应制造检验验收要求应符合JB4732规定。

*需经全国锅炉压力容器标准化技术委员会评定认可—履行手续。

第三十页，共六十四页。第三十一页，共六十四页。

1．工程地理位置及环境地理位置：巴基斯坦地理环境：（1）极端最大风速：40m/s;（2）极端最高温度：50℃，极端最低温度：5℃；（3）地震设防烈度：0.2g(8度)（4）场地土类别：II类