浅谈压力容器的两种设计方法
压力容器的设计步骤
储气罐——压力容器的设计步骤1. 确定压力容器设备的各项参数：压力，介质，温度最高工作压力为1.5MPa,工作温度为常温20℃,工作介质为压缩空气，容积为2m3确定压力容器的类型容器类别的划分在国家质量技术监督局所颁发的《压力容器安全技术监察规程》（以下简称容规）第一章中有详细的规定，主要是根据工作压力的大小、介质的危害性和容器破坏时的危害性来划分。
储气罐为低压（＜1.6MPa）且介质无毒不易燃，应为第I类容器。
2. 确定设计参数（1）确定设计压力容器的最高工作压力为1.5MPa,设计压力取值为最高工作压力的1.05〜1.10倍。
取1.05还是取1.10，取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。
介质无害或装有安全阀等就可以取下限1.05，否则上限1.10。
介质为压缩空气，管路中有泄压装置，符合取下限的条件，则得到设计压力为Pc=1.05x1.4（2）确定设计温度一般是在用户提供的工作温度的基础上，再考虑容器环境温度而得。
如在室外在工作，无保温，容器工作温度为30℃，冬季环境温度最低可到－20℃，则设计温度就应该按容器可能达到的最恶劣的温度确定为－20℃。
《容规》提供了一些设计所需的气象资料供参考。
假定在容器在室内工作，取常温为设计温度。
（3）确定几何容积按结构设计完成后的实际容积填写。
（4）确定腐蚀裕量根据受压元件的材质、介质对受压元件的腐蚀率、容器使用环境和容器的使用寿命来确定。
先选定受压元件的材质，再确定腐蚀裕量。
《容规》对一些常见介质的腐蚀裕量进行了一些规定。
工作介质对受压元件的腐蚀率主要按实测数据和经验来确定，受使用环境影响很大，变数很多，目前无现成的数据。
介质无腐蚀的容器，其腐蚀裕量取1〜2mm即可满足使用寿命的要求。
取腐蚀裕量为2mm。
（5）确定焊缝系数焊缝系数的标准叫法叫焊接接头系数，GB150对其取值与焊缝检测百分比进行了规定。
具体取值，可以按《容规》所规定的种情况选择：其焊缝系数取1，即焊接接头应进行100%的无损检测，其他情况一般选焊缝系数为0.85。
压力容器的常规设计和分析设计
弹性失效． 弹塑性失效 设计准则
弹性析设计
应力 ； 平封头或顶盖 中央部分在 内压作 用下产生的应力 即为一次 弯曲 应力 ； 壳体 在 固定支座或接管处 由外 载荷 和力 矩产生的应力为局部 薄 膜应力 。 ２ ． ２二次应力
过去压力容器及其部件 的设计基本上属于常规设计 ． 我 国现在执 二次应力 是 由于容器 部件的 自 身 约束或相邻部件 的约束而产 生 自限性 ” ， 即局部屈服和小量 行 的相应 的设计规范是《 钢制压力容￣） （ ｃ ｍ５ ｏ 一 ９ ８ ） 。 常规设计的特点 的正应力或剪 应力 。它的基本特点具有 “ 变形协调 ， 只要不反 复加 载， 二次应力 不会引起 是： 筒体及其部 件的应力不允许超过 弹性 范围内的某一许用值 。如 果 变形就会使约束缓 和 、 达到这一要求 。 即认为筒体或部件就是 比较可靠的。 这样做比较 简单 ， 容器结构破坏 ２ ． ３峰值应力 以现成 的设计 公式及 曲线 为依据 ．多年来 一直按这样 的方法进行设 峰值应力是因局部结构不连续 或形 状突变引起的局部应力 集中． 计。 然而 。 这种方法 比较粗糙 ， 许多重要 因素都未考虑进去 。 以内压 圆 自限性” 和“ 局部性 ” ， 峰值 筒为例 ． 在常规设 计时只考虑薄膜应力 ， 至 于温差应 力 、 边缘应力 以及 它具有最高的应力值 。它 的基本 特点具 有“ 交 变应 力引起 的疲劳等问题 均未考虑 。所 以在规 范中 ． 为了保证容器 应力不会 引起容器 明显 的变形 的安全 可靠在设计 中就采用 了较高的安全系数 最早 的安全 系数 ｎ ＝ ３ ． 常规设计和分析设计 比较 ５ ． ４ ０ 年代末改 为 ｎ ＝ ４ 。 这样做实 际上是企 图以高 的安全系数来包罗各 常规设计是一种简单易行 的传统设计方法， 而分析设计则不 同。 它 种 因素 的影 响 ， 存在一些 问题 。 需要详尽 的应力分析报告为依据． 需要 近代 的分析计 算工具和实验技 近 年来 。 由于锅 炉、 石油 、 化工 等行业 的发 展 ， 压力容器设 计参数 术 为手段， 因而提供 了充 分 的强度数 据， 对 新工艺 、 新 材料 、 新 结构 和 提高． 使用条件也越来越 苛刻 ． 如果 单纯依靠提 高安全系数 的办法来 新 工况更具科学性 和可靠性 。 分析设计 提高 了许用应力 ， 降低 了安 全 保证强度 ． 会 导致设计变得不合理 。 为 了防止这种现象的发生 ， 我们在 系数。３ Ｏ 多年来 的实际运行表 明： 采用分 析设计 的容器安全 可靠， 且 结构型式 与材料方面采取相应措施外 ． 还必须从设计观 点和设计方法 具 有经济 性； 与常规设 计相 比， 可 节省材 料 ２ ０ ％～ ３ ０ ％， 在 一定程 度上 上加 以改进和发展 。 目 前世界上一些先进 的国家都在运用应力分析方 有 效减少制 造加工量 、 降低运 输费用 。但 对于选 材 、 制造 、 检 验和验 法． 我 国也于 １ ９ ９ ５ 年 颁布 了ｆ 钢 制压力容 器一一分 析设计标 准） ０ Ｂ ４ ７ 收规定 了 比常规设计 更为严格 的要 求 常规设计与分析设计 的对 比． 犯一 ９ ５ ） ． 要求把零部件 中的应力较 为准确地设计 出来或用应力 测试 法 见表 １ 测定出来 。其次是引入 了极限分析与安定性分析的概念 ． 对求 得的应 表１ 常规设计与分析设计 力加以分类和加 以限制 比较项 目 常规设计 分析设计 分析设计和常规设计的主要区别如下： （ １ ） 分析设计 比常规设计在选 材、 结构、 设计 、 制造 、 检脸和使用等 方 面都提出了较高的要求和较多的限击 峰件 （ ２ ） 分析设计考 虑容器低循环 疲劳失效 ， 而常规设计并 未包括疲
压力容器常见结构的设计计算方法
压力容器常见结构的设计计算方法一、静态强度计算方法：静态强度计算方法主要针对压力容器在正常工作状态下的静载荷进行计算，其主要目标是确保容器在最大工作压力下不发生破坏。
静态强度计算方法一般包括以下几个步骤：1.基本假设和假设条件：在进行静态强度计算时，需要基于一定的假设和假设条件来简化实际工作状态，如假设容器时刚体、内外压力均匀分布、材料具有均匀强度等。
2.最大应力计算：通过应力分析计算出压力容器各部位的最大应力。
一般情况下，最大应力发生在容器支座、法兰连接处、沟槽和焊接缺陷等处。
3.材料强度计算：根据容器所使用的材料及其强度参数，计算出材料的强度。
根据所处环境不同，一般会对容器进行分析、判断和选择不同材料。
4.安全裕度计算：根据最大应力和材料强度的计算结果，计算出安全裕度。
安全裕度可以通过破坏条件下材料的强度与容器内外压力之比来衡量。
二、疲劳强度计算方法：疲劳强度计算方法主要用于疲劳载荷下的压力容器设计。
工作过程中，容器可能会受到频繁的循环应力作用，从而导致疲劳破坏。
疲劳强度计算方法的主要步骤如下：1.循环载荷分析：通过实测数据或估算，分析容器在工作循环过程中所受到的应力载荷情况。
考虑到载荷的方向、大小、频率和载荷历史等因素。
2.应力集中分析：针对容器中的主要应力集中部位进行应力集中分析，计算出特定位置的应力集中系数。
3.疲劳寿命计算：基于极限疲劳荷载下的循环应力进行计算。
通过应力循环次数和材料疲劳寿命曲线，计算出容器的疲劳寿命。
4.安全裕度计算：根据疲劳寿命与容器使用寿命的比值，得出安全裕度的计算结果。
三、稳定性计算方法：稳定性计算方法用于分析压力容器在压力作用下的稳定性问题，即容器是否会发生屈曲或侧翻。
稳定性计算方法的主要步骤如下：1.稳定性分析模型：根据压力容器的几何形状和支撑方式，构建相应的稳定性模型。
常见的模型有圆筒形、球形、圆锥形等。
2.屈曲载荷计算：通过对应力分析，计算出容器发生屈曲时的承载力。
压力容器常见结构的设计计算方法
压力容器常见结构的设计计算方法压力容器是一种常用的装置，用于存储和运输高压流体或气体。
压力容器的设计计算是确保容器在设计压力范围内安全运行的关键步骤。
常见压力容器的设计计算方法主要包括材料选择、壁厚计算、接缝焊缝设计和支撑设计等。
首先，在压力容器的设计计算中，材料选择是非常重要的一步。
根据工作环境和储存介质的性质，应当选择适合的材料，如碳钢、不锈钢、镍合金等。
材料的选择应考虑到其机械性能（强度、韧性）、抗腐蚀性能和焊接性能等。
其次，壁厚计算是压力容器设计计算中的关键步骤。
根据设计压力、储存介质的性质、容器尺寸和形状等因素，可以采用ASMEVIII-1或其他相关设计规范进行壁厚计算。
壁厚计算要确保容器在设计压力下不会发生永久性塑性变形或失稳。
接着，接缝焊缝设计是压力容器设计计算中的另一个关键步骤。
焊缝是容器的弱点，其设计要考虑焊接工艺、焊缝质量要求和应力分布等。
根据相关规范，例如ASMEIX，应对焊缝进行强度计算和疲劳分析，以确保焊缝的可靠性和耐久性。
最后，支撑设计是压力容器设计计算中的重要环节。
支撑结构的设计要考虑到容器的重量、形状和运行条件等因素。
一般常见的支撑结构包括支座、支撑脚和支撑环等。
在设计计算中，应根据容器的重量和载荷进行支撑结构的强度计算和稳定性分析。
需要注意的是，良好的压力容器设计计算不仅要遵循相关规范和标准，还应考虑实际运行条件和安全要求。
因此，在进行设计计算之前，应对工作环境、储存介质的特性、容器的运行周期和压力变化等进行充分的分析和评估。
总之，压力容器的设计计算涉及多个方面，包括材料选择、壁厚计算、接缝焊缝设计和支撑设计等。
在进行设计计算时，需要遵循相关规范和标准，并结合实际情况和安全要求进行综合考虑，以确保设计的压力容器安全可靠地运行。
压力容器设计方法分析对比
压力容器设计方法分析对比压力容器在化工、石化、工程机械等领域得到广泛的应用，而正确的设计是压力容器安全运行的基础。
本文将介绍三种常用的压力容器设计方法，并分析其各自的优缺点，以便应用者根据实际需求选用合适的设计方法。
1. ASME VIII-1 标准ASME VIII-1 标准是美国机械工程师学会发布的压力容器设计规范，适用于低压容器 (设计压力不大于 10MPa)。
该标准要求设计考虑容器的载荷、材料性能、焊接、校核、检验等各方面问题，并对各个部位的厚度、连接件的要求以及强度校核进行详细规定。
ASME VIII-1 标准以其全面、详细的设计要求而得到了广泛应用。
优点：•ASME VIII-1 标准设计要求全面、严谨，设计过程具有一定保障。
•认可度高，符合国际标准，可以接受国际认可。
缺点：•该标准要求详细、繁琐，需要对标准内容熟悉，且容器设计需要由认可的专业人员进行。
•需要经过审查与认证，过程较为繁琐。
2. CODAP 标准CODAP (Construction Operation Design of Pressure Vessels) 标准是欧洲标准委员会发布的压力容器设计规范，适用于设计压力不超过3000MPa 的容器。
通过规定基本要求、公差、厚度、防腐、焊接、检验、强度校核等方面的规范，保证了压力容器的安全性和可靠性。
优点：•CODAP 标准对压力容器的设计和制造过程提供了全面的规范，以保证容器在长时间的使用中保持良好的使用性能。
•该标准可以适用不同条件下的容器，使得设计者可以根据实际条件来选择不同的设计方案。
•CODAP 标准的认同度很高，在国际上具有广泛的通用性和识别度。
缺点：•该标准的设计过程繁琐，需要一定的设计经验和专业技能。
•CODAP 标准可能不适合一些非欧洲的国家，需要根据不同的国家标准进行认证。
3. CNS 三合标准CNS 三合标准是由中华民国国家标准局颁布的压力容器设计标准，适用于设计压力不超过 50MPa 的容器。
探讨压力容器设计要求及设计方法
须要能承担工 艺过程所要求 的压 力 、温度及具备工 艺生产所要 用新 的失效观点来解决问题。
分析设计放弃 了传统的弹性失效准则 ，采用 了以弹性应力 性， 极易燃烧引起火灾 ， 甚至发 生爆炸等恶性事故 。压力容器工 分析 和塑性 失效准则 、 弹塑性失效准则理论为基础 ， 详细地计算 作时 内部储存 一定能量 ， 一旦发生破坏 ， 压力容器 内部储存 的能 了容器 的各 种应力并予 以分类和控制 ， 虽然设计过程繁 杂费时 ， 量将在极短 的时间瞬间释放 ， 具有极大的摧毁力。 但设计方法安全科学 。随着压力容器参数的增 高 ， 高强钢的采 用 其二 ， 预定使用寿命 ， 操作维修方便 。化工物料对 壳体结构 以及近代计算 与试验技术 的发展采用弹性失 效的观点使许多 问 材料 的腐蚀是 影响石 油化工用 压力 容器使用 寿命 的主要 因素 ， 题难 以解决 ， 常规设计 的结 果过于保守 ， 设计 的结构 尚有很大 承 它会使容器器 壁减薄甚至烂穿 ， 因此 ， 压力容器设计 时须考虑 附 载潜力 ； 而分析设计允许结 构出现可控制的局部塑性 区 ， 合理 地 加腐蚀因素以满足保证使用年限的要求。制造 、 检验 、 交装 、 操作 放松 了对计算应 力的过严 限制 ， 适当地提高 了许用应力值 ， 但 又 和维修方便 。为满足某些特殊 的使用要求 ， 如对 于顶盖需要经 常 严格地保证 了结构 的安全性。 装 拆的试验容器 ， 尽量采用 快拆的密封结构 ， 避免使用 笨重 的主 目前 ， 我 国相应 的分析设计标 准为《 钢制压力容器——分析 螺栓连接 ， 这样可 降低 容器 的制 造成本 。 设计标 准》 （ Ｊ Ｂ ４ ７ ３ ２ — ９ ５ ） 是 以最大剪应 力理论 为基础 ， 认 为不论 其三 ， 经 济 陛。基于对安全 的考 虑 ， 设计 压力容器 时要尽量 材料处于何种应 力状态 ，只要最大剪应力达 到材料屈服时的最 考 虑结构简单 、 便于制造和探 伤 ， 即使存在 某些超标缺 陷也能及 大剪应力值 ， 材料就发生屈服破坏 。 分析设计方法的核心是将压
浅析压力容器的优化设计
点。
∞ ≥０ ｊ
２ ． ２ 多目 标 与单 目标优化设计并存 压力 容器的优化 设计 除了考虑 机械 设计 的一半 要求 ， 还要兼 顾容 器的工作效能 ， 包 括生产能力、 制 品或半成 品质量 等。 在这 种情况下， 就 需 要设立 多个优化 目标 。 此 时， 几项设 计指 标 的综 合优化 效果达 到最
。
再 取ｆ （ ） 与０ ３ 的线性 组合为 统一 目 标 函数 ， 即 ：ｌ ， （ Ａ ） 然后求单 目 标 问题 的最优解。
②平方加 权法
， ／ （ 幻
对于多 目 标 规划 问题 的单 目 标 函数取定 相应最优解 的下界 ’ ， 则 标 为 优， 但大大 增加了寻 优过 程的难 度。 鉴于此 ， 有时可根据 主要的生 产要 令统一 目 求， 在某～ 优化 目 标下求 取一些设计 参数 的最佳值 ， 即执行单 目 标 优化
设 计， 有效 的降低 目标 函数 维数以便于求 解。
厂 （ ） ＝ ∑６ ０ ， 性和非线 性 优化 设计数 学模 型包括 目标 函数和 约束条件 函数 。 在 对压力 容器 进 行优 化设 计时 ， 需 同时 考虑一 般机 械 设计 的限 制 （ 如 承 载条 件） 和 生 产工艺条件 的制约 ， 从而形成了约 束条件多的特点 。 又 由于设计 变量
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器的开孔补强设计是压力容器设计的重要环节。
目前,国内压力容器按常规规范设计开孔补强时的常用标准主要有GB150—1998《钢制压力容器》（以下简称GB150)、HG2058-1998《钢制化工容器强度计算规定》(以下简称HG20582)及ASME 锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册《压力容器建造规则》(以下简称ASME）. GB150是强制性国家标准,是设计的最低要求,超出GB150开孔范围时，可以采用HG20582计算并遵循HG20583—1998《钢制化工容器结构设计规定》(以下简称HG20583）规定结构进行设计。
压力容器开孔补强设计的方法有很多，如等面积法、压力面积法、安定性分析法、极限分析法、PVRC法、增量塑性理论方法及实验屈服法等等.鉴于软硬件条件的限制和从设计成本考虑,国内一般采用等面积法和压力面积法进行开孔补强设计，上面提及的设计规范就是采用这两种方法设计开孔补强的.1。
各规范开孔补强方法的理论基础GB150和ASME规范均采用等面积法进行开孔补强设计,而HG20582中的补强计算采用的是压力面积补强法。
压力面积法与等面积法的实质是一致的,都是从确保容器受载截面的一次平均应力(平均强度）在一倍许用应力水平的计算方法，都未计及开孔边缘的局部应力和峰值应力对开孔的作用，只是两种方法对壳体有效补强范围的确定上有所不同；在补强金属面积的配置上，压力面积法比等面积法更具有密集补强的特点,对缓和接管根部应力集中的作用较大。
2各规范开孔补强方法的适用范围比较GB150和ASME规范均适用于壳体上开圆形、椭圆形(或类似形状）或长圆形孔.GB150规定孔的短径与长径之比应不大于0。
5;而ASME规定当短径与长径之比小于0. 5时,应增强短径方向的补强。
各规范对开孔直径的相对大小均有限制：GB150适用于d /D t ≤0.5；HG20582适用于d /Dt ≤0.8；而ASME适用于d /D t ≤0。
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浅谈压力容器的两种设计方法
作者：王艳
来源：《价值工程》2010年第15期
摘要:本文介绍了压力容器的两种设计方法,指出分析设计方法虽然相对复杂,但较常规设计方法更安全更经济,且随着计算机技术的发展、有限元方法的应用及各种功能软件的使用它将会得到更广泛的应用。
Abstract: This paper introduces two kinds of pressure vessel design methods and points that analysis and design methods are relatively complex and more economical,but safer than the conventional design method,and with the development of computer technology,finite element method and software applications will be more widely used.
关键词:压力容器;常规设计;分析设计
Key words: pressure vessel;conventional design;analysis and design
中图分类号:TH49 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)15-0166-01
压力容器是化工、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广泛使用的承压设备。
尽管各类压力容器设备功能各异、结构复杂程度不一,但一般可将其分解为筒体、封头、法兰、开孔、接管、支座等部件。
压力容器及其部件的两种设计方法分别是常规设计和分析设计。
常规设计是以弹性设计准则为基础,以壳体的薄膜理论或材料力学方法导出容器及其部件的设计计算公式,这些公式均以显式表达,给出了压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系。
它包含了设计三要素:设计方法、设计载荷及许用应力,但这些并不是建立在对容器及其部件进行详尽的应力分析基础之上。
如容器筒体,是采用“中径公式”(根据内压与筒壁上均匀分布的薄膜应力整体平衡推导而得),一般情况它仅考虑壁厚中均布的薄膜应力,不考虑其它类型的应力,如对弯曲应力,只有当它特别显著、起主导作用时才予以考虑。
实际上,当容器承载以后器壁上会出现多种应力,其中包括由于结构不连续所产生的局部高应力,常规设计对此只是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件设计做一些规定,在结构、选材、制造等方面提出要求,把局部应力粗略地控制在一个安全水平上,在考虑许用应力时选取相对高的安全系数,留有足够的安全裕度。
因此,常规设计从本质上讲,可以说是基于经验的设计方法。
工程实际中我们用常规设计的观点和方法解决了很多问题,但也有一些问题无法解释,因为常规设计只考虑弹性失效,没有去深究隐含在许用应力值后面的多种失效模式。
分析设计以详细的应力分析报告为设计依据,以严格的选材与工艺质量为保证。
它采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹塑性失效”准则,采用最大剪应力理论来确定受压元件的尺寸,考虑各种载荷条件可能的组合,以弹性力学薄壳理论为基础进行分析计算,将应力根据其起因、来源、作用范围、性质和危害程度的不同进行分类,如:总体薄膜应力、边缘应力、峰值应力等,并对其进行准确全面计算,按照不同应力引起的不同破坏形式,分别予以不同的强度限制条件,以此来对元件的厚度进行计算。
另外,在JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》中,对材料、制造、检验、制造厂的资格审查等都提出更加严格的要求。
容器中存在的边缘效应、开孔接管、支座、附件连接等局部不连续使器壁应力分布不均匀,局部应力有时会比基于薄膜理论的简化公式算出的应力高好几倍。
在设计上,我们如果采用常规设计,按最大应力点达到屈服极限才认为失效,把最大应力限制在许用应力一下,对大部分低应力区来说不需要这么大的承载潜力,就会造成材料的浪费,如果不考虑应力集中,只按简化公式的薄膜应力进行计算,又会造成应力集中区出现塑性变形,在反复载荷作用下还可能出现裂纹,导致安全事故。
显然,如果我们采用分析设计,对容器进行全面的应力分析,根据容器及其部件的应力分布,对“症”下“药”,该厚处就加厚该薄处就减薄,不仅能确保容器的安全性还可以节省材料。
一些关于弹性力学板壳理论的专著提出壁厚与曲率半径之比小于0.05的壳体为薄壁壳体,大于0.05的为厚壁壳体。
对于薄壁壳体,壳体内外壁产生的应力大小相差不多,我们可以采用常规设计的方法,假设沿壁厚分布的应力是均匀分布的,采用“中径公式”计算壳体的应力与实际应力值相差不大。
但在厚壁壳体中,用这种方法计算的结果往往与实际相差甚远,因为这种情况下其内壁与外壁产生的应力值差别较大。
这就要求我们采用分析设计的方法,对壳体进行详细的应力分析确定合理的尺寸。
当然作为一种设计方法,分析设计也有其不足之处,如在计算时,必须预先确定受压元件及其相邻元件的所有尺寸,再进行强度计算,如果在计算后发现不满足强度条件,则需调整尺寸重新计算,因而计算工作十分繁杂。
可喜的是,近年来计算机技术迅猛发展,为我们提供了有效的计算手段,有限元方法的应用又使我们的结果与工程实际更接近更合理,各种功能软件的应用更是为我们带来极大的方便,分析设计已成为可能。
参考文献:
[1][美]莫斯(Moss,D.R.).压力容器设计手册[M].陈允中,译.北京:中国石化出版社,2005.
[2]JB4732-95 钢制压力容器-分析设计标准[S].
[3]GB150-1998 钢制压力容器[Z].。