压力容器强度计算(20210201112022)

压力容器强度计算

第一节设计参数的确定

1我国压力容器标准与适用范围

我国现执行GB150 - 98钢制压力容器”国家标准。该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则, 应用解析法进行应力计算，比较简便。

JB4732-1995《钢制压力容器一分析设计标准》，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相应地减少，重量减轻。其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则，计算比较复杂，和美国的

ASME标准思路相似。

2、容器直径（diameter of vessel

考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。对于用钢板卷制的筒体，以内径作为其公称直径。

如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径。

表2无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）

3、设计压力（design pressure

（1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力）

工作压力P W：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

①由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压试验的压力和卧置时不同;

②工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶部的压力并不是其实际

最高工作压力（the maximum allowable working pressure ）。

③标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。

设计压力指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。

①对最大工作压力小于0.1Mpa的内压容器，设计压力取为0.1Mpa;

②当容器上装有超压泄放装置时，应按超压泄放装置”的计算方法规定。

③对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范围内，设计压力由工作条件下，可能达到的最高金属温

度确定。（详细内容，参考GB150-1998，附录B （标准的附录），超压泄放装置。）

计算压力P C 是GB150-1998新增加的内容，是指在相应设计温度下， 用以确定元件厚度的压力， 其中包括液柱静压力，当静压力值小于

5%的设计压力时，可略去静压力。

① 注意与GB150-1989对设计压力规定的区别；

《钢制压力容器》规定设计压力是指在相应设计温度下，用以确定容器壳壁计算厚度的压力，亦是标注在 铭牌上的设计压力，取略高或等于最高工作压力。当容器受静压力值大于

5%设计压力时，应取设计压力

与液柱静压力之和进行元件的厚度计算。使许多设计人员误将设计压力和液柱静压力之和作为容器的设计 压力。 ② 一台设备的设计压力只有一个，但受压元件的计算压力在不同部位可能有所变化。 ③ 计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现，只在计算书中出现。

4、 设计温度(Design temperature

设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。主要用于确定 受压元件的材料选用、强度计算中材料的力学性能和许用应力，以及热应力计算时设计到的材料物理性能 参数。 ?设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度； ?当设计温度在 o c 以下时，不得高于元件金属可能达到的最低温度；

?当容器在各部分工作状态下有不同温度时，可分别设定每一部分的设计温度；

5、 许用应力(Maximum allowable stress values)

许用应力是以材料的极限应力除以适当的安全系数，在设计温度下的许用应力的大小，直接决定容器的强 度，GB150-1998对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力。

表3钢制压力容器中使用的钢材安全系数

6、焊接接头系数((1) 焊接接头的影响

焊接接头是容器上比较薄弱的环节，较多事故的发生是由于焊接接头金属部分焊接影响区的破裂。一般情 况下，焊接接头金属的强度和基本金属强度相等，甚至超过基本金属强度。但由于焊接接头热影响区有热 应力存在，焊接接头金属晶粒粗大，以及焊接接头中心出现气孔和未焊透缺陷，仍会影响焊接接头强度， 因而必须采用焊接接头强度系数，以补偿焊接时可能产生的强度消弱。焊接接头系数的大小取决于焊接接 头型式、焊接工艺以及焊接接头探伤检验的严格程度等。 (2) 焊接接头系数的选取：由接头形式和无损探伤的长度确定 ?双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头：

100%无损探伤，■= 1.00 ;局部无损探伤，■■ = 0.85 ；

?单面焊的对接接头，沿焊接接头根部全长具有紧贴基本金属的垫板：

100%无损探伤，

=1.00 ;局部无损探伤，

=0.8； ?无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝，无垫板：

'=0.6；

第二节内压容器筒体与封头厚度的设计

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1 内压圆筒（cylindrical shel D 的厚度设计

（1）理论计算厚度

（required thick ness ）

GB150-1998定义：按各章公式计算得到的厚度，为能安全承受计算压力 荷）。 内压圆筒壁内的基本应力是薄膜应力，由第三强度理论可知薄膜应力的强度条件为:

式中：［

考虑到焊接接头的影响，公式（1）中的许用应力应使用强度可能较低的焊接接头金属的许用应力，即把 钢板的许用应力乘以焊缝系数。

公式（2）一般被简化为：、:=￡5卜（3）

2［町0

（2） 设计壁厚：.d （ design thickness ）计算壁厚与腐蚀余量C 2之和称为设计壁厚。可以将其理解为同时 满足强度、刚度和使用寿命的最小厚度。

■ d = ■■- ' C 2

（ 4

）

C 2为腐蚀裕度根据介质对选用材料腐蚀速度和设计使用寿命共同考虑。 C 2=k -a , mm ;

k —腐蚀速度（corrosion rate ）, mm/a ; a —设计年限（desired life time ）。 对碳素钢和低合金钢，

C 2> 1mm ;对于不锈钢，当介质腐蚀性能极微时，取

C 2= 0。

（3） 名义厚度（normal thickness ）设计厚度-'-d 加上钢板负偏差 C 1后向上圆整至刚才标准规格的厚度， 即标注在设计图样上的壳体厚度。 r 二—「G （5）

C 1 —钢板负偏差。任何名义厚度的钢板出厂时，都允许有一定的负偏差。钢板和钢管的负偏差按钢材标准 的规定。当钢板负偏差不大于 0.25mm ，且不超过名义厚度的

6 %时，负偏差可忽略不计。

表4

钢板负偏差值

钢板厚度（mm ） 2 2.2 2.5 2.8~3.0 3.2~3.5 3.8~4.0 4.5~5.5 负偏差（mm ） 0.18 0.19 0.2 0.22 0.25 0.3 0.5 钢板厚度（mm ） 6~7 8~25 26~30 32~34 36~40 42~50 52~60 负偏差（mm ） 0.6

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

（4）有效厚度

名义厚度「冷减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差，

从性质上可以理解为真正可以承受介质压强的厚度,

P C （必要时尚需计入其他载

PD

(1)

PD

2、.

则有:

PD i 2［二广

式中D 为中径，当壁厚没有确定时，则中径也是待定值，利用

D=D i +则有:

成为有

效厚度。数值上可以看作是计算厚度加上向上钢材圆整量。

' e = -n _ C1 _ C2

( 6)

厚度系数1 :圆筒的有效厚度和计算厚度之比称为圆筒的厚度系数。

(5)最小厚度、：min

为满足制造、运输及安装时刚度要求，根据工程经验规定的不包括腐蚀裕量的最小壁厚。 。碳素钢和低合金钢制造的容器，最小壁厚不小于

3mm ;

囤高合金钢制容器，(如不锈钢制造的容器)，最小壁厚不小于 2mm 。

当筒体的计算厚度小于最小厚度，应取最小厚度作为计算厚度，这时筒体的名义厚度可以分为两种不同的 情况分别计算。

(

1

)当；min-' >C l ，:n =；min +C 2 + ：(厶可以等于零)

(2) 当F in -A'G 时，必须考虑钢板负偏差，min +C 2 +C 1+'-：

表5钢板的常用厚度表

^),6.8,10.1234 46

.32,31 J&.383Q.42 JS.5O.55 閒嗣,7<) J5.&D.SS.90

J20

表6几种厚度之间的相互关系

用哽削営EG

〔

Will Mr

聘件祥fit G

计 Wffaa

2、 内压球壳(sphere )的厚度设计

PD

球壳的任意点处的薄膜应力均相同，且；亠-^m ，根据薄膜应力第三强度条件：

二r

［二F '

46

采用内径表示：

PlD1

, mm 或者简化为

P c D i

(7)

4^r-P c

4巴严

其他的厚度计算与筒体一样。

3、 内压封头的厚度设计

(1)半球形圭寸头(hemispherical head )

半球形封头的厚度采用球壳的壁厚设计公式进行计算。

II

设計■厚!ft 也

如图所示，由半个椭球和一段高为 h o 的圆筒形筒节(称为直边)构成，封头曲面深度

h L

，直边高度

4

与封头的公称直径有关。

封头的公称直径 DN < 2000 >2000 封头的直边高度 h °

25

40

的计算一样。但是和下面的

GB150-1998规定的不太一样，主要是因为在简化是产生的，影响不大。

K 为椭圆封头形状系数，

标准椭圆封头为K=1.0

2［；彳 - 0.5p c

应当注意，承受内压时椭圆封头的赤道处为环向压缩应力，为了避免失稳，规定标准椭圆的计算厚度不得 小于封头内径的 0.15%。 (3)碟形封头

又称带折边球形封头，有三部分组成，以 R i 为半径的球面壳体、半径为

r 的圆弧为母线所构成的环状壳体

(折边或过渡圆弧)。

球面半径R i 一般不大于筒体直径 D i ;

折边半径r 在任何情况下不得小于球面半径的

10%，其应大于三倍的封头厚度。

KP c D i

2［打-0.5p c

(8)

图1半球形封头示意图图 2椭圆形封头示意图

(2)标准椭圆形圭寸头(ellipsoidal head )

碟形封头厚度的计算公式:

式中：M —碟形封头形状系数

碟形封头的厚度如果太薄，则会出现内压下的弹性失稳，所以规定:

M <1.34, 、e -0.15%D i ； M 1.34, e _0.3%D j

（4）球冠形封头（没有折边）

封头的结构，为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的过度圆弧和直边部分去掉，将球面部分直接 焊接到圆柱壳体上，如下图所示。

。作容器的端封头；

㈢用作容器中两个相邻承压空间的中间封头。 封头的厚度（凹面受压时）：

Q!PcDj

（ io ）

2［匚］-

巳

MpcR

2［二］-0.5 p c

(9)

图3碟形封头

图4球冠形圭寸头

(12)

Q 为系数主要和球形半径和筒体内径之比、压力和许用应力及焊缝系数有关，可以根据图表查得。 在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。否则，应在封头与圆筒间设置加强段过 渡连接。圆筒加强段的厚度应与封头等厚；端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度

L 均应不小于

2 0.5D 「。

（5）内压锥形圭寸头（cone head ）

锥形封头和椭圆形、半球形封头相比强度较差。在工业生产中，但当操作介质含有固体颗粒或当介质粘度 很大时，采用锥形封头有利于出料，亦有利于流体的均匀分布。此外，顶角较小的锥壳还可用来改变流体 的流速，另外锥形壳体用来连接两个直径不等的圆筒，作变径段。因此，锥形封头仍得到广泛应用，一般 锥形封头有三种形式：

③不带折边锥形封头的壁厚

锥形封头的最大薄膜应力位于锥体的大端:

由于无折边锥形封头与筒体的连接处曲率半径突变，所以存在着较大的边界应力，如果利用（ 11）计算的

壁厚满足边界应力不得超过 3倍时，则可以直接使用，否则需要增加连接处的壁厚，因此无折边封头的计

算公式写为：

QP ； D j 2［汀-巳

PD 4、. 1

cos

二 PD Q~ 2：? 1

cos

二

根据第 ，或第三强度理论，并以内径表示可得:

巳D i

P c D i

-----1 -

2［二「cos ： —P c 2［二］—P c

(11)

图5锥形封头示意图