压力容器分析设计2
压力容器的常规设计和分析设计
科 技 圈 向导
２１年第 ２ 期 ０２ ｌ
压力容器的常规设计和分析设计
高 峰 ｆ 矿 煤 化 工 程有 限公 司 山东 兖
【 摘
兖州
２２ Ｏ ） ７ １ ０
要】 当前 ， 分析设计 目前 已成为压 力容 器的重要设计方 法。 文首先 阐述 了压力容器分析设计与常规设计的不同。 本 然后 分析设 计中应
形 而破坏 。一次应力又分总体薄膜应力 、 一次弯 曲应力 和局部 薄膜应 力 例如承受内压圆筒 的器壁 中的环 向应力 即为 总体薄膜应力： 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 ： 二 是二次应力 。 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 生的正应 力或剪应力。它 的基本特点具有 “ 自限性 ” ， 即局部屈服 和小量变形 就会使约束缓 和 、 变形协调 ． 只要不反复加载 ， 二次应力不 会引起容器结构破坏 ： 三是峰值应力 峰值应力是 因局部结构不连续 １常规设计与分析设计 ． 它具有最高 的应力值 它的基本特 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 或形状 突变 引起 的局部应力集 中。 自限性” 局部性”峰值 应力不会 引起容器 明显 的变形 和“ ， 行 的相应的设计规范是《 钢制压力容器） ｉ Ｓ — ９ １ 常规设计的特 点具有“ ） ｎ ０ （ Ｇ ８。 ３常 规设 计 和 分 析 设 计 比较 ． 点是： 简体及其部件 的应 力不 允许超过弹性范围 内的某一许用 值 如 果达到这一要求 ． 为筒体或部件就是 比较可靠 的 这样做 比较简 即认 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 单． 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 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 设 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 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 和新 圆筒为例 ， 常规设计 时只考虑薄膜应力 ， 在 至于 温差应力 、 边缘应力以 工况更具科 学性 和可靠性 分析设计提高 了许用应力． 降低了安全系 及 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 数 ３ 多年来 的实际运行表 明： Ｏ 采用分析设计的容器安全 可靠． 且具有 器 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 经济 胜； 与常规设 计相 比， 可节省材料 ２ ％～ ０ 在一定程 度上有效减 ０ ３ ％． ｎ ５ ４ 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 少制造加工量 、 ： ．０ ＝。 降低运输费用 但对 于选 材 、 制造 、 检验和验收规定 了 各 种因素 的影 响． 存在一些 问题 比常规设计更为严格的要求 下面是 常规设计与分析设计的对比 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 ① 比较项 目： 设计准则。 常规设计 ： 弹性失效 ： 只允许存在弹性变 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 分析设计 ： 弹性失效 ＇ 塑性失效 ； ｊ 单 允许 出现 局部 的、 可控制 的塑性变 保 证强度 ． 导致设计变得不合理 。 会 为了防止这种现象 的发生 ． 我们在 形 （． １ 极限载荷（ 一次加载 ２安定 载荷反复加载） ． 。 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 ② 比较项 目： 载荷 。 常规设计 ： 静载荷 。 分析设计 ： 静载荷 、 交变载 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 荷 。 法 ． 国也 于 １９ 年颁 布 了ｆ 我 ９５ 钢制压 力容器一一 分析设计 标准） Ｂ ７ （ ４ Ｊ ③ 比较项 目： 分析方法。 常规设计 ： 薄膜理论 、 材料力学方法 、 简化 犯 一 ９ ） 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 公式加经验 系数 。分析设计 ： ５． 弹性或塑性力学分析ｆ 理论方 法、 数值方 法 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 法 、 实验方法）板壳理论 。 、 应力 加以分类和加 以限制 ④ 比较项 目： 应力评定。 常规设计 ： 应力不分类 、 同一 的许用应力 、 分析设计和常规设计 的主要 区别如下： 用第一强度理论 、 基本安全系数较大 。分析设计 ： 力分类 、 应 用应力强 用第 基本安全系数较小。 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 度对各类应力进行评定 、 三强度理论 、 方 面都提 出了较高 的要求和较多的限击峰件。 ⑤ 比较项 目： 材料。 常规要求 。 分析设计 ： 质、 优 延性好 、 性能稳定 ②分析设计考虑容器低循环疲劳失效 。 而常规设计并未包 括疲劳 ⑥ 比较项 目： 制造 、 检验。 常规设计 ： 常规要求。 分析设计 ： 整体 陛、 连续性 、 相贯处光滑过渡 、 全焊透、０ ％ １０ 探伤 。 分 析。 ③分 析设计考虑疲劳分析时要求详细计算温差应力 ． 而常规设计 分析设计方法虽然合 理而先进－ 却需要进行大量 复杂的分析计 ｆ 旦 除个 别元件外一般无此要求 算． 需要计算机 才能完成， 因而提高 了设计 费用 和时间， 以。 所 只有当设 ④ 分析设计采用最 大剪应 力理论 ． 而常规设计 ． 最大主应 力 计高参数 、 采用 重要的容器时才 采用这种方法 。但有些容器必须采用分析 理论 。 设计而无其 它选 择 对 一般的常规容器． 长期的实践证 明采用传 统的 ⑤ 分析设计原则上要 求对容器元 件各个部位 的应力进行详 细计 常规设计方法完全可以满足容器 的安全性。 如采用 分析设 计方法． 虽然 算 ． 根据各种应力对 元件失效所起不 同的作用予 以分类 ． 并 然后对 不 节省部分钢材， 却提高了设计 、 制造 费用， 实际上是不合算的。 因而美国 同类别 的应力采用不同的应力校核条件加以限制。 而常规设甘一般不 Ａ Ｍ Ｓ Ｅ规范 同时规定 了上述两种设计准则 ’ 我国也颁 布了 Ｇ １０ １９ Ｂ５— ９８ 计算 某些 局部应力 ． 针对具体结构 引人 不 同的结构 系数 ． 仅 也不对应 《 钢制压 力容器》 Ｊ ４ ３ — ５ 钢制压力容 器—— 分析设计标准 》 和 Ｂ ７２９ 《 ， 根 力进行分类 。 据不 同情况进行不同选择 分析设计是一个整体。 计准则的不 同． 设 要 求与之配套 的一 系列规 范和措 施也不同， 包括材料选用 、 制造工艺 、 检 ２分 析 设计 中应 力分 类 及 其 应 用 ． 分析设 计涉 及了各种可能失效模式 中一些 主要 的失效模式 ， 计 验要求 、 程序 、 制造资格 等方面 ； 常规设计 方法 简单易行， 设 计算 设计 而 具 但 根据 所考虑 的失效模 式 比较详 细地 计算 了容器及受 压元件 的各 种应 有丰 富的使用经 验， 有时却无法解释压力容器 出现 的一些事 故 所 设计者应 根据实践 经验， 经济 通过 力 ． 根据各种应力本身 的性质及对失效模 式所起的不同作用予 以分 以 常规设 计和分析设 计不能混用 ， 并
压力容器及有限元分析-2
ASME压力容器及其有限元分析压力容器，英文：pressure vessel，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。
贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。
压力容器的用途十分广泛。
它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。
压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。
此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。
压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。
ASME压力容器设计意味着计算方法是按ASME第8卷中的规则和计算方法进行设计和计算，不一定要选用ASME材料，除非和客户签订的技术协议里特别注明需要使用ASME材料，容器的管路当然也是要按ASME的要求。
由于产品的安全性和经济性的要求，有限元分析应用需求是最广泛的。
根据标准的要求，设计者可以借助有限元来解决容器的结构强度、稳定性及寿命（疲劳）的设计问题。
压力容器的主要特点结构形式：压力容器主要的结构形式为回转壳，当然最典型的是柱壳（常称为筒体）和球壳（球罐和封头等）。
常见的结构主要特点是：开孔、支撑、加强构件等；壳体的厚度远小于壳体的曲率半径；结构不规则；异种材料连接等。
根据其结构形式的主要特点和用途还可以进一部分类为：塔式容器、卧式容器、换热器、球罐等。
载荷形式：1) 压力：这是最重要的载荷形式，包括内压和外压；2) 热载荷：主要是由于温度梯度引起来的热应力；3) 力和力矩：设备管道传给设备的外力，附加载荷等4) 地震：设备的地震也是必须考虑的问题；5) 风载荷：对于一些塔式容器和球罐，风载荷也是主要考虑的载荷；6) 雪载荷：对我国北方地区的室外容器；求解模式：静力，动力，屈曲，疲劳，线弹性，弹塑性，非线性，接触等压力容器的分类一、按设计压力分类：1、低压（L）0.1MPa≤P＜1.6 MPa2、中压（M）1.6 MPa≤P＜10 MPa3、高压（H）10 MPa≤P＜100 MPa4、超高压（U）P≥100 MPa二、按工艺过程中的作用分：1、反应压力容器（R）：主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器。
压力容器的设计问题分析
压力容器的设计问题分析摘要：本论文旨在对压力容器的设计问题进行分析，并探讨相关的挑战和未来发展方向。
首先介绍了压力容器的定义、分类和设计原则，以及力学性能要求。
然后详细讨论了材料选择与应力分析、结构设计与优化、焊接和连接技术，以及压力容器的安全性评估和监测等关键问题。
在现有问题和挑战方面，指出了安全性问题、材料选择和性能、环境影响以及监测与维护等方面的挑战。
本论文的研究有助于同业者更好地理解和解决压力容器设计中的问题，提高其安全性、可靠性和可持续性。
关键词：压力容器，容器设计，问题分析，探讨1压力容器设计的基本原理1.1 压力容器的定义和分类压力容器是指能够承受一定的内外压力，并用于储存、运输或处理液体、气体或多相物质的设备。
它们通常由金属或合金材料制造而成，具有一定的强度和密封性能。
现如今，压力容器广泛应用于化工、石油、能源、制药、食品等不同的领域。
根据结构和功能特点的不同，压力容器可分为以下几类：（1）容器类型：常见的容器类型包括储罐、反应器、分离器、换热器等等。
（2）压力等级：根据承受的压力范围，压力容器可分为低压容器、中压容器以及高压容器。
（3）安装位置：压力容器可以分为立式容器、卧式容器和倾斜式容器，根据实际需要安装在不同位置和方向上。
1.2 压力容器设计的基本原则和流程压力容器设计需要遵循以下基本原则和流程：（1）确定设计条件：确定容器的工作压力和温度等不同的设计条件，并根据相关规范和标准进行选择。
（2）材料选择：根据设计条件、介质性质和环境要求选择合适的材料，比如常用的钢材、合金材料等等。
（3）结构设计：设计容器的结构形式、壁厚、尺寸和连接方式等，以满足强度、刚度和泄漏要求。
（4）强度校核：进行容器的应力分析和强度校核，确保设计的容器在工作条件下具有足够的强度和稳定性。
（5）密封性设计：确保容器具有良好的密封性能，防止泄漏和安全隐患的发生。
（6）监测和维护设计：考虑容器的监测和维护手段，以保证容器安全运行和使用寿命。
低温压力容器的设计分析
低温压力容器的设计分析低温压力容器是指在低于零度的环境中工作的容器，通常用于存储和运输液态气体，液氮、液氧、液氩等均为常见的低温液体。
由于低温环境下物质的特性会发生变化，因此低温压力容器的设计必须考虑到这些因素，以确保容器在安全可靠地工作。
本文将对低温压力容器的设计要点和分析进行探讨。
一、设计要点1.材料选用2.结构设计3.绝热设计由于低温液体的蒸发潜热较高，容器内的温度会迅速下降，导致容器表面结霜。
为了减少热量的散失，提高容器的绝热性能是必要的。
可以采取增加绝热层厚度、使用保温材料等措施来提高容器的绝热性能。
4.安全阀设计低温液体具有较大的蒸气压，一旦容器内压力过高，就会导致容器爆炸。
因此，在设计中必须考虑安全阀的设置，确保在容器内压力超过设定值时能够及时安全地排放压力。
5.排水设计由于低温液体的存在，容器内部会有凝露水和结冰现象。
这些水汽会降低容器的强度和耐腐蚀性，因此必须设计合理的排水系统，定期排除容器内的凝露水和结冰。
6.储罐涂层为了保护容器免受腐蚀和低温影响，可以在容器表面涂上特殊的防腐涂层。
这些涂层能够增强容器的抗腐蚀性能，延长容器的使用寿命。
二、设计分析针对低温压力容器的设计，需要进行结构分析和性能测试，以验证容器的强度和安全性。
1.结构分析在设计初期，需要进行有限元分析等结构分析，评估容器的受力和变形情况。
通过模拟不同工况下的受力情况，确定容器的最大受力位置和最大应力值，以确保容器在工作过程中不会发生结构破坏。
2.强度测试设计完成后，需要进行强度测试，验证容器的最大承载能力是否符合设计要求。
常见的测试方法包括液压试验、氢氦试验、抗冲击测试等。
通过这些测试，可以验证容器的强度和安全性，确保容器在工作中不会发生泄漏或爆炸等情况。
3.低温性能测试设计完成后，还需要进行低温性能测试，评估容器在低温环境下的工作性能。
通过模拟低温环境下的工作情况，测试容器在不同温度下的性能表现，验证容器的低温抗裂性能和绝热性能。
压力容器分析设计分析
1 问题描述利用ANSYS软件对压力容器用标准椭圆形封头和半球形封头进行应力分析，并沿着压力容器轴向方向绘制笛卡尔坐标系下X、Y、Z方向应力曲线，三个主应力曲线以及第一强度理论，第三强度理论、第四强度理论计算方法下的应力理论值和应力曲线。
相关参数：筒体内径：400mm，筒体长度为1000mm，筒体、封头厚度均为5mm，材料弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，内压P=1MPa。
2 建模过程：单元选取：本题研究的是薄壁压力容器，对于薄壁结构，最好是选用shell单元，shell单元可以减少计算量。
而且，如果选实体单元，薄壁结构承受弯矩的时候，如果在厚度方向的单元层数太少，有时候计算结果误差比较大，反而不如shell单元计算准确。
材料特性：ANSYS 结构分析材料属性有线性 (Linear)、非线性 (Nolinear)、密度(Density)、热膨胀 (Thermal Expansion)、阻尼 (Damping)、摩擦系数 ( Friction Coefficient)、特殊材料 (Specialized Materials) 等七种。
本题选取材料模型为线弹性材料，材料参数E=206GPa，μ=0.3。
几何建模：本题采用实体建模，该方法适合于复杂模型，尤其适合于3D实体建模，需人工处理的数据量小，效率高。
允许对节点和单元实施不同的几何操作，支持布尔操作（相加、相减、相交等），支持ANSYS优化设计功能，可以进行自适应网格划分，可以进行局部网格划分，便于修正与改进。
本题采用的是从下往上的建模方式。
先建立点，再连线画圆，然后将线沿轴线旋转，得到压力容器模型，上封头为标准椭圆形封头，下封头为球形封头。
网格划分：对有限元分析，ANSYS有四种网格划分方法，自由网格划分、映射网格划分，延伸网格划分和自适应网格划分。
本题采用自由网格划分，自由网格划分功能十分强大，没有单元形状的限制，网格也不遵循任何的模式，因此适用于对复杂形状的面和体网格划分。
2、压力容器应力分析
r——平行圆半径； R1（经线在B点的曲率半径）——第一曲率半径； R2（与经线在B点处的切线相垂直的平面截交回转曲面得一平面曲线，该
平面曲线在B点的曲率半径）——第二曲率半径，R2=r/sinφ 考虑 壁厚，含纬线的正交圆锥面能截出真实壁厚，含 平行圆的横截面不能截出真实壁厚。
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b. 球形壳体
压力容器应力分析
任一点M：p=ρgR(1-cosφ)
注：充满液体
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经推导得：
gR 2
6t
(1 2 cos2 ) 1 cos
gR 2
6t
(5 6 cos 2 cos2 ) 1 cos
gR 2
6t
(5 2 cos2 ) 1 cos
t
gx
, 则
(0 gx)R
t
注：容器上方是封闭的
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p0
t
R
σφ
σφ
径向朝外的p0相互抵消，产生σθ而与σφ无关，朝下的p0由筒底承担， 筒底将力又传给支座和基础，朝上的p0与σφ相平衡：
2πRtσφ=πR2p0
则
p0R 2t
若容器上方是开口的，或无气体压力（p0=0）时，σφ=0
薄壁圆筒 厚壁圆筒
Do/Di≤1.1 Do/Di>1.1
压力容器应力分析 t——壳体厚度 R——中间面曲率半径
Do——圆筒外径 Di——圆筒内径
3
2.1.1 薄壁圆筒的应力
压力容器应力分析
σφ ——经向应力（轴向应力）；σθ——环向应力（周向应力）σr— —径向应力，很小、忽略
4
压力容器应力分析
第二章压力容器应力分析
《过程设备设计基础》教案2—压力容器应力分析课程名称：过程设备设计基础专业：过程装备与控制工程任课教师：第2章 压力容器应力分析§2-1 回转薄壳应力分析一、回转薄壳的概念薄壳：（t/R ）≤0.1 R----中间面曲率半径 薄壁圆筒：（D 0/D i ）max ≤1.1~1.2 二、薄壁圆筒的应力图2-1、图2-2 材料力学的“截面法”三、回转薄壳的无力矩理论1、回转薄壳的几何要素（1）回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度 * 对于薄壳，可用中间面表示壳体的几何特性。
tpD td pR tpD Dt D p i 22sin 24422====⨯⎰θπθϕϕσσαασπσπ（2）母线、经线、法线、纬线、平行圆（3）第一曲率半径R1、第二曲率半径R2、平行圆半径r（4）周向坐标和经向坐标2、无力矩理论和有力矩理论（1）轴对称问题轴对称几何形状----回转壳体载荷----气压或液压应力和变形----对称于回转轴（2）无力矩理论和有力矩理论a、外力（载荷）----主要指沿壳体表面连续分布的、垂直于壳体表面的压力，如气压、液压等。
P Z= P Z（φ）b、内力薄膜内力----Nφ、Nθ（沿壳体厚度均匀分布）弯曲内力---- Qφ、Mφ、Mθ（沿壳体厚度非均匀分布）c、无力矩理论和有力矩理论有力矩理论（弯曲理论）----考虑上述全部内力无力矩理论（薄膜理论）----略去弯曲内力，只考虑薄膜内力●在壳体很薄，形状和载荷连续的情况下，弯曲应力和薄膜应力相比很小，可以忽略，即可采用无力矩理论。
●无力矩理论是一种近似理论，采用无力矩理论可是壳地应力分析大为简化，薄壁容器的应力分析和计算均以无力矩理论为基础。
在无力矩状态下，应力沿厚度均匀分布，壳体材料强度可以得到合理的利用，是最理想的应力状态。
（3）无力矩理论的基本方程a、无力矩理论的基本假设小位移假设----壳体受载后，壳体中各点的位移远小于壁厚。
考虑变形后的平衡状态时壳用变形前的尺寸代替变形后的尺寸直法线假设----变形前垂直于中面的直线变形后仍为直线，且垂直于变形后的中面。
压力容器的分析设计
过渡区或 与筒体连 接处 平 盖 中 心 区
內
压
內
压
与 筒 体 连 接 处
內
压
局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力
PL Q
表4-15 压力容器典型部位的应力分类
接 管 接 管 壁 內 压 一次总体薄膜应力 局部薄膜应力一次应力 弯曲应力二次应力 峰值应力 薄膜应力二次应力 弯曲应力二次应力 峰值应力 Pm PL Q F Q Q F Q F
4.4.2.1 应力分类
一次应力P （3）一次局部薄膜应力PL 在结构不连续区由内压或其它机械载荷产生的薄膜应力和 结构不连续效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。 作用范围是局部区域 。 具有一些自限性，表现出二次应力的一些特征，从保守 角度考虑，仍将它划为一次应力。
实例：壳体和封头连接处的薄膜应力； 在容器的支座或接管处由外部的力或力矩引起的薄膜应力。
一次总体薄膜应力强度SⅠ；
一次局部薄膜应力强度SⅡ； 一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力（PL+Pb）强度SⅢ； 一次加二次应力（PL+Pb+Q）强度SⅣ； 峰值应力强度SⅤ（由PL+Pb+Q+F算得）。
4.4.3 应力强度计算
应力强度计算步骤 除峰值应力强度外 ，其余四类应力强度计算步骤为： （1）在所考虑的点上，选取一正交坐标系， 如经向、环向与法向分别用下标x 、q 、z表示， 用x、q和z表示该坐标系中的正应力， txq、txz、tzq表示该坐标系中的剪应力。 （2）计算各种载荷作用下的各应力分量，并根据定义将各 组应力分量分别归入以下的类别：一次总体薄膜应力 Pm；一次局部薄膜应力PL；一次弯曲应力Pb；二次应 力Q；峰值应力F。
4.4.3 应力强度计算