标准椭圆封头上大开孔应力分析

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GB150及压力容器设计基础 (1)解析

涉及压力容器的基本法规和标准

压力容器的概念

压力容器的划定范围

受压元件：容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压）的零部件，如容器壳体元件、开孔补强圈、外压加强圈等非受压元件：为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为整体，不承受压力载荷（只承受重力载荷）的零部件，如支座、吊耳、垫板等 GB150和《容规》明确规定了压力容器的范围，是指壳体及其连为整体的受压零部件（受压元件）
1、总论
各厚度之间的相互关系
1、总论
1.4 设计参数
1.4.4 许用应力
许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值：
σb/nb σs/ns σD/nD σn/nn 当设计温度低于20℃取20℃的许用应力。
主要内容
1、总论 2、受压元件 3、外压元件（园筒和球壳）
4、开孔补强
5、法兰
压力容器的概念

压力容器的设计

各级设计人员：设计，校核，审核，批准（设计技术负责人），审定（技术总负责人，总工程师）设计任务书：标识，结构，介质，管口表，操作条件，设计条件，设计寿命，主材，载荷条件，其它设计文件：
设计任务书计算书图样：总图，装配图，部件图，零件图，等
中径（Di+δ）替代Di
2
2
t
Pc Di
1
4 Pc
t
Pc Di
2
2 Pc
t
Pc Di
适用范围Pc 0.4 , 相当于K 1.5
2、受压元件——园筒和球壳
H , 是以 K D0 1.2 薄壁容器内径公式导出，认为应力是均匀分布。 Di 随壁厚增加K值增大，应力分布不均匀程度加大，当K=1.5时，由薄壁公式计算应力比拉美公式计算应力要低23%，误差较大；当采用（Di+δ）替代 Di内径后，则其应力仅相差3.8%，这样扩大了公式应用范围（K≤1.5），误差在工程允许范围内。

椭圆封头开孔接管局部应力分析

Ｍｐ＝ Ⅳ Ｔ
Ｇ．
Ｔ
．
ｏｓ
；
若用弹性公式计算其最大应力ｏ：
毯
Ｇ一＝
等
（３）
㈩Ｏ Biblioteka 变￡将公式（）求得的Ｍｐ２带入式（）可得：３
ａ一＝
图３应力一应变图
Ｊ７２１９《制压力容器一分析设计标Ｂ４３ —９５钢准》中曾以梁为例，对承受弯曲的梁的极限分析
５结论
通过对封头开孔接管局部应力分析，准确地分析了结构的实际受力状态，避免了应力分类的盲目性。真实准确地对局部应力强度进行了安全评定。以塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的分析设计，是与工程力学紧密结合的产物，它不仅解决了压力容器常规设计中无法解决的问题，也是容器设计观念与方法上的一个飞跃。
１３ａ１９ａ３Ｍｐ￣５Ｍｐ，满足公式（）的强度条件，５仍具有一定的承载能力，塑性区域变形特别小，并随着远离过渡区而逐渐消失。根据上述失效准则分析，在管道外载荷和内压共同作用下，椭圆封头开孔接管结构局部塑性变形并不会导致容器破坏。
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平板封头与椭圆形封头应力测定及分析

平板封头与椭圆形封头应力测定及分析摘要压力容器是内部或外部承受气体或液体压力、并对安全性有较高要求的密封容器。

椭圆形封头和平板封头容器的应力分布情况先从理论上分析了并采用电测法测量其应力，结合ANSYS有限元分析方法进行比较讨论。

应力分析的目的就是求出结构在承受载荷以后，结构内应力分布情况，找出最大应力点或求出当量应力值，然后对此进行评定，以把应力控制在许用范围以内。

经过此次实验并将实验数据与ANSYS有限元法分析所得到的数据进行了对比，得到了以下的分析结果：在实际测得数值与理论数值有些不一样，一些点的误差比较大，实验测得数据与ANSYS所得到的数据相接近。

关键词：压力容器；平板封头；椭圆形封头；应力分析；ANSYS有限元法ABSTRACTPressure vessel is internal or external to gas or liquid pressure, and the security requirements of a sealed container.Analyses the stress distribution in the ellipse head and Flat head containers theoretically,and measures the stress by electrical measurement method,then carries on compare and discuss by combining ANSYS finite element analysis method.The purpose of stress analysis is to find out the structure load, the structure, the stress distribution of the greatest stress or equivalent to stress the value,then this assessment, to put the stress in a control within. after the experiment and experimental data and ansys the finite-element method analysis of data in contrast, the following analysis results：experimental and theoretical values measured there are some differences，the error of some points are relatively large the experimental measured results obtained in good agreement with ANSYS.Keywords:Pressure vessel；Flat head；Ellipse head；Stress analysis；Using the ANSYS finite element metho目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1压力容器的结构 (1)1.1.1压力容器典型组成 (1)1.2压力容器主要分类 (3)1.2.1 按介质危害性分类 (3)1.2.2 压力容器分类 (4)1.3世界压力容器规范标准 (6)1.3.1 国外主要规范标准简介 (7)1.3.2 国内主要规范标准简介 (9)第二章椭圆形封头与平板封头的应力分析并计算 (12)2.1载荷分析 (12)2.1.1载荷 (12)2.1.2载荷工况 (14)2.2椭圆形封头的应力分析并计算 (14)2.2.1 回转薄壳的不连续分析 (15)2.2.2 无力矩理论的基本方程 (16)2.2.3薄壁圆筒理论计算公式推导 (19)2.2.4 椭圆形封头理论计算公式推导 (20)2.2.5理论计算并分析已知椭圆形封头的应力 (22)2.3平板封头应力分析 (23)2.3.1 概述 (23)2.3.2 圆平板对称弯曲微分方程 (24)2.3.3 圆平板中的应力 (29)2.3.4理论计算并分析已知圆平板封头的应力 (32)第三章实验法进行封头的应力测定及分析 (34)3.1电测法测定封头应力 (34)3.1.1 电测法的目的、原理及要求 (34)3.1.2实验前装置及仪器准备 (36)3.1.3 实验步骤 (36)3.1.4 电测法实验结果 (36)3.1.5 理论计算与实验结果对比并分析 (38)第四章有限元法对封头进行应力分析 (42)4.1 ANSYS有限元分析简介 (42)4.1.1 ANSYS软件提供的分析类型 (42)4.2 ANSYS对已知平板封头应力分析 (43)4.2.1 ANSYS对已知平板封头应力分析步骤 (43)4.3 ANSYS对已知椭圆形封头应力分析结果 (52)第五章数据处理及误差分析 (56)5.1对椭圆形封头和平板封头的数据处理 (56)5.2将计算法、实验法、有限元法的结果进行对比并进行误差分析 (57)第六章结论 (58)参考文献 (59)致谢.......................................................................................................................... 错误！未定义书签。

过程设备设计第三版(郑津洋)课后习题答案

1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。

筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。

封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。

密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。

开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。

支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。

安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。

2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？答：介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。

如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。

而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。

毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。

易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。

如Q235-A·F不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。

3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？答：因为pV乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。

椭圆封头中心接管在内压及弯矩作用下的应力分析

ＬＩＣｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＭａｏ — ｔｉｎｇ，ＧＯＮＧＸｕｅ，ＬＶＭｉｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＳｈｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＬｉａｏｎｉｎｇＦｕｓｈｕｎ１１３００１，Ｃｈｉｎａ）
李程，王茂廷，龚雪，吕明
（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺１１３００１）
Байду номын сангаас摘
要：应用ＡＮＳＹＳ软件对椭圆封头中心接管结构进行建模和网格划分，并且对接管端部施加了弯矩，
之后对整体模型做ｍ了应力强度分析，得到了在设计压力下结构的应力分布和变形。按照ＪＢ４７３２ — １９９５《钢制压力容器一分析设计标准》对危险截面进行应力强度评定。分析结果表明，强度满足要求。关键词：封头；接管；应力分析；强度评定
文献标识码：Ａ文章编号：１６７１ — ０４６０（２０１３）０１ — ０１０５ — ０３中图分类号：ＴＱ０５０
ＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓａｔｔｈｅＣｅｎｔｅｒＮｏｚｚｌｅＰｏｓｉｔｉｏｎｏｆＥｌｌｉｐｔｉｃａｌＨｅａｄｓＵｎｄｅｒＩｎｔｅｒｎａｌＰｒｅｓｓｕｒｅａｎｄＢｅｎｄｉｎｇＭｏｍｅｎｔ

压力容器封头的选用原则

压力容器封头的选用原则选用原则应根据工作条件的要求，既要考虑封头的形状及其应力的分布规律，又要考虑冲压、焊接、装配的难易程度，进行全面的技术和经济分析。

几何方面同体积以半球形封头表面积为最小，椭圆形封头与碟形基本相同。

力学方面在直径、壁厚、工作压力相同的条件下，半球封头应力最小，两向薄膜应力相等，而且沿经线均匀分布，如与壁厚相等的筒体连接，边缘附近的最大应力与薄膜应力并无明显不同。

椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但比碟形封头要好些，顶点处应力最大，在赤道上出现周向压应力，当Di/(2h) =2与壁厚相等的筒体连接时，椭圆形封头可以达到与筒体等强度。

碟形封头在力学上的最大缺点在于具有较小的折边半径r，这一折边区的存在使得封头的经线不连续，以致使该处产生较大的经向弯曲应力和周向压应力。

不过r/R越小，则折边区的这些应力就越大，因而有可能发生周向裂纹，亦可能出现周向折皱。

当r=0时，碟形封头成为无折边球形盖，封头的力学性能不好，在折点的局部区将出现峰值应力，折点处的焊缝将成为危险源，封头与筒体的角焊缝为全焊透结构。

锥形封头在化工容器中采用的目的是锥形壳体有利于流体均匀分布和排料，锥形封头就力学特点来说，锥顶尖部分强度很高，在锥顶尖开孔一般不需补强。

制造方面及材料消耗各种封头一般是由敲打、冲压、滚卷或爆炸成型制造，半球形与椭圆形封头通常用冲压的方法制造，大型半球形封头亦可先冲压成球瓣，然后组对拼焊而成，碟形封头通常用敲打、冲压或爆炸成型，折边部分可滚压或敲打制成。

从制造工艺分析，封头越深，直径与壁厚越大，越不易制造成，尤其当选用高强钢更如此。

整体冲压半球形封头不如椭圆形封头好制造。

椭圆形封头必须有几何正确的椭圆面模具，人工敲打制造。

椭圆形封头制造灵活性大，锥形封头的锥顶尖部分很难卷制，当锥顶角较小时，为了避免制造上的困难和减小锥体高度，有时可以采用组合式封头（如加圆球面顶）。

带有接管的椭圆形封头结构应力分析及评定

度，网格划分时宜采用映射网格，故模型整体采用映射网格，在封头与接管相贯区域及焊缝进行网格
ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对受压封头结构进
行详细计算，得到该结构的两个高应力区。从分析设计的角度，该结构最大应力点的一
维普资讯
１２
油气田地面工程第２７卷第７期（０８７２０．
相贯区域出现两个高应力区。
椭圆封头结构进行了应力分布计算，得到该结构的
一２０ｍｍ，承受外部管线弯矩Ｍ一８× １Ｎ・０
力（值为１．２ＭＰ）和弯矩Ｍ，接管２上作其６５ａ
用着等效轴向拉应力（值为９８ａ。材料为其．１ＭＰ）
线性各向同性材料，服从Ｍｉｅ屈服准则。ｓｓ
２网格划分
利用ＡＮＳＹＳ结构分析模块中的三维实体Ｓｌｏ—
接管２不受弯矩作用，变形较小，接管２封头相与
贯部位位移在１４．５ｍｍ以下，不属于大变形区。（）高应力区。计算结果显示，在接管与封头２
ｍｍ；接管２内径１００，壁厚ｔ一４。５ｍｍ，外伸长
度Ｌ。一１０ｍｍ，焊缝外侧过度圆角半径ｒ２一３０
ｍｍ，焊缝内侧过度圆角半径ｒ一１５ｍｍ；内压载荷Ｐ一２９ａ．４ＭＰ；材料弹性模Ｅ一２６００ＭＰ，００ａ

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标准椭圆封头上大开孔应力分析
摘要：本文通过DN1300标准椭圆封头中心开DN800接管孔的应力分析阐述极限载荷分析、弹性安定性及局部失效评定过程。

关键词：大开孔接管；极限载荷分析；局部失效；安定性；
依据GB/T150.3-2011《压力容器第3部分:设计》标准第6节开孔与开孔补强的规定凸形封头开孔补强仅能使用等面积法，但最大开孔直径小于等于封头内径的二分之一。

若凸形封头上接管开孔直径大于GB/T150.3标准要求时，我们常用过程设备设计计算软件SW6进行估算，其采用的是HG/T20582-2020第4章介绍的开孔补强的压力面积法，但在我国国内多数业主及工程设计院认为此方法不是合法的开孔补强计算方法，仅可以为下一步有限元应力分析提供基础数据做准备。

在机械载荷作用下，封头上大接管开孔附近的弯曲应力既包含有静力平衡引的一次应力成分，又含有因结构不连续产生的二次应力成分。

有限元软件Ansys workbench仅能在弹性应力分析线性化处理后给出薄膜加弯曲应力的总量，不能进一步细分这两种应力。

目前压力容器设计行业中对此存在争论，如对封头大开孔处的局部弯曲应力和薄膜应力的总量，按一次应力采用1.5倍的许用应力强度控制，还是按含二次应力采用3倍的许用应力强度控制呢？【1】。

ASME Ⅷ-2标准5.2.3介绍的极限载荷法分析法就能很好的解决此问题，国内JB 4732-
1995(2005年确认版)《钢制压力容器-分析设计标准》第5.4.2.1条也有此分析方法。

本文的例子：仅内压载荷作用下封头大开孔接管，按照ASME Ⅷ -2标准中载荷与抗力系数（LRFD）设计方法，标准表5.4规定进行极限载荷分析，按弹性应力分析方法进行局部失效、开孔处结构安定性分析。

一、设计参数
以DN1300标准椭圆封头中心开DN800接管孔为计算对象，具体设计参数见
表1，结构尺寸图见图1。

表1图1 结构尺寸图
根据ASME Ⅷ -2标准5.2.3条极限载荷分析法材料模型是弹性-全塑性材料，应变硬化无。

相对弹性应力分析，极限载荷分析要选择材料的强化模型：以1.5
倍的许用应力强度作为屈服强度283.5MPa、切向模量为0MPa。

二、结构分析及力学模型
根据该部件的结构特性和承载特性，为了减少部分计算量，可采用轴对称的
力学模型进行分析，具体的位移边界条件、载荷边界条件如下，见图3:位移边界
条件:筒体下端截断面: △Y=0 (总体笛卡尔坐标系)。

载荷边界条件:部件的内表面受到1.5*1.3=1.95MPa（按照ASM E Ⅷ -2表
5.4的总体准则）压力载荷及DN800接管上端部由压力作用下的等效载荷均按同
一比例加载，满足比例加载条件。

为了能减短部分分析时间，参考文献【2】第5.1.2节讲解的关于载荷步设
置说明，本例子设置两个载荷步。

根据材料的线弹性性质，算出第一个载荷步施
加0.3MPa，关闭子步数；第二个载荷步施加1.95MPa，此阶段需要尽量缩短载荷子步时长，合理设置初始子步数、最大、最小子步数，达到事半功倍的效果。

如果子步数设置不合理会出现分析时间加长、难以收敛及数字发散等问题。

根据极限载荷分析假设条件其中一条变形足够小，变形前后使用同一个平衡方程，说明需要关闭大变形功能。

图3 载荷及边界条件图4 非线性力收敛图
图5 极限载荷分析等效应力
分布云图图6 S1+S2+S3
三、极限载荷分析结果
依据图4可知道仅受压力作用下的接管、封头和筒体部件是可以收敛的。

看ASME Ⅷ -2规范标准中第5.2.3.4条得知该封头大开孔在压力作用下能够保持稳定，满足要求。

依据图5可知道接管与封头连接部位的等效应力已接近屈服强度283.5MPa 。

四、局部失效分析结果
根据 ASME Ⅷ -2 中第 5.3.2节防止局部失效采用以弹性应力分析方法得到部件三向主应力之和不大于4S 来约束，即：S1+S2+S3≤4S 。

弹性应力分析力学模型位移边界条件:筒体下端截断面: △Y=0 (总体笛卡尔坐标系)；载荷边界条件:部件内表面受到设计压力P=1.3MPa 压力载荷及DN800接管上端部由设计压力作用下的等效压力21.238MPa 。

经过弹性应力分析可得到三向主应力之和，见图6:S1+S2+S3=701.23MPa ＜4S=756MPa ，局部失效评定合格。

五、安定性评定结果
运用极限载荷分析载荷与抗力系数（LRFD ）设计方法得收敛说明部件中的塑性变形是局部的、可控的,满足载荷作用下的静力平衡条件，但部件的安定性还需进一步校核【3】，即：PL+Pb+Q=Siv≤3S。

以设计压力作为弹性应力分析得到结果偏保守，通过最大应力点作路径1-1进行等效应力线性化处理，如图7。

从图8得出路径1-1接管与封头连接处外表面局部薄膜应力和弯曲应力的总量最大，即：Siv=314.36MPa≤3S=547MPa，安定性评定合格。

图7 弹性应力分析等效应力
分布云图图8 路径1-1线性化
六、结论
使用过程设备设计计算软件SW6 -2011 V5.0进行此封头大开孔接管的开孔补强计算时，提示计算方法均不适用，无法计算，如要满足压力面积法需要加厚接管厚度，此方法不被接受并加厚接管不经济。

此时运用Ansys workbench
平台对封头大开孔接管进行有限元弹性应力分析、塑性应力分析，经过极限载荷评定、
局部失效评定及安定性评定解决了封头大开孔无法开孔补强计算的问题，并能节约一定的材料成本，得到了业主的认可。

参考文献
[1] 余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M]，北京：中国水利水电出版社,2007.
[2] 戚国胜,段瑞.压力容器工程师设计指南[M]，北京：中国石化出版社，2013.
[3]王小敏,闫东升,夏少青等.极限载荷法在应力分析中的应用——压力容器应力分析设计中的六个重要问题(四)[J]，石油化工设备技术,2016,37(5):1~5.。