压力容器壳体局部应力计算和强度评定[1]
压力容器的结构强度与安全性评估
压力容器的结构强度与安全性评估引言：压力容器是工业生产中常见的一种设备，广泛应用于化工、石油、制药等领域。
压力容器在工作过程中承受着巨大的内外压力，因此其结构强度和安全性评估显得尤为重要。
本文将从压力容器的结构强度和安全性评估两个方面进行探讨。
一、压力容器的结构强度评估压力容器的结构强度评估是指通过对其结构进行分析和计算，判断其是否能够承受工作过程中的内外压力而不发生破坏。
结构强度评估包括材料强度、焊接强度和容器整体结构强度等方面的考虑。
1. 材料强度评估压力容器常见的材料有碳钢、不锈钢等，其强度是评估其结构强度的主要指标之一。
在评估过程中，需要考虑材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等参数，通过比较材料的强度与工作条件下的应力情况，判断材料是否能够满足强度要求。
2. 焊接强度评估压力容器的焊接强度对于其整体结构的强度至关重要。
在焊接过程中，需要注意焊缝的质量，确保焊接强度满足要求。
评估焊缝强度时，需要考虑焊接材料和焊接工艺对焊缝强度的影响，并进行相应的计算和检验。
3. 容器整体结构强度评估容器整体结构强度包括容器壳体和端头的强度评估。
对于壳体部分，需要考虑容器的形状和尺寸、内外压力、温度等因素，计算壳体的强度和变形情况。
对于端头部分，需要考虑其几何形状和受力情况，通过应力分析和有限元计算等方法，评估端头的强度和稳定性。
二、压力容器的安全性评估压力容器的安全性评估是指对容器在正常工作条件下的使用安全性进行判断和评价。
安全性评估包括容器的材料耐蚀性、泄漏风险和破裂风险等方面的考虑。
1. 材料耐蚀性评估在化工和石油行业等腐蚀介质的作用下，容器材料可能发生腐蚀现象。
因此，在安全性评估中需要对材料的耐蚀性进行评估和测试，确保容器在腐蚀环境下能够保持足够的强度和完整性。
2. 泄漏风险评估泄漏是压力容器使用过程中的一个重要安全隐患。
通过对容器的密封性和接口连接的评估，可判断容器在正常运行情况下是否存在泄漏的风险。
压力容器应力分析与安全设计
钢制压力容器 用材料许用应 力的取值方法
碳素钢或低合金钢>420℃，铬钼合金钢>450℃， 奥氏体不锈钢>550℃时，同时考虑基于高温蠕变极限
或持久强度
的许用应力
即
或
压力容器应力分析与安全设计
表9-2 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法
材料
许用应力 取下列各值中的最小值/MPa
压力容器应力分析与安全设计
3. 对边缘应力的处理
若用塑性好的材料制造筒体，可减少容器发生破坏的危险 性。 正是由于边缘应力的局部性与自限性，设计中一般不 按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对 于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。
压力容器应力分析与安全设计
第二节 压力容器的安全设计
压力容器设计是保障压力容器安全的首要环 节。压力容器设计从安全角度包括强度安全设计和 结构安全设计，两者都离不开正确选材，不同材料 的容器的承载能力与结构可靠程度是不同的。
碳素钢、低合金 钢、铁素体高合
金钢
奥氏体高合金钢
压力容器应力分析与安全设计
4、焊接接头系数——焊缝金属与母材强度的比值，反映容器 强度受削弱的程度。
焊缝缺陷
夹渣、未熔透、 裂纹、气孔等
焊缝热影响区晶粒粗大
薄弱环节
母材强度或塑性降低
影响因素
接头形式 无损检测要求及长度比例
压力容器应力分析与安全设计
焊缝系数的大小与材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接 结构、坡 口型式、焊接方法、焊缝无损检测长度比例以及焊前 预热处理及焊后热处理等因素有关。目前我国《钢制压力容器》 中的焊缝系数主要依据焊缝结构、坡口型式、无损检测的要求等 确定。焊缝系数的选择见下表。
压力容器的强度计算
• M——碟形封头的形状系数 • M的取值见表8-4
•
§16-2 容器设计(PASS)
• 壁厚的计算
简 化
•
§16-2 容器设计(PASS)
• 碟形封头球面内半径Rci可以取等于封头直 径Di或0.9 Di，令Rci＝α Di
•式中α＝0.9或1，常用值为0.9
碟形封头的厚度如果太薄，也会发生内压下的弹性失 稳。所以规定：对于Rci＝0.9Di。r＝0.17Di的碟形封头， 其计算厚度不得小于封头内直径的0.15％。如果折边半径 小于0.17Di（但不允许小于0.1Di），其计算厚度不得小 于0.3％Di。
头要比凸形封头厚得多。
（3）平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中，采用平 板封头比较经济简便。 承压设备的封头一般不采用平板形，只是压力容器的人孔、手孔以及在操 作时需要用盲板封闭的地方，才用平板盖。
（4）高压容器中，平板封头用得较为普遍。 这是因为高压容器的封头很厚，直径又相对较小，凸形封头的制造较为困难。
•3.厚度系数在确定工作应力和最大许可压力时的应用:
•厚度系数β
β＝δe / δ
•(16-13)
•厚度系数反映了筒体厚度上的富裕程度。
•(16-14)
•(16-15)
•
§16-2 容器设计
•三、内压凸形封头壁厚的确定:
1. 封头的分类:
•
§16-2 容器设计
•2.内压凸形封头包括四种形式：
•(a)标准椭圆形，(b)半球形，(c)碟形,(d)无折边球形。
§16-3 容器参数的确定
•一、设计压力 ：
1.设计压力：
设计压力是在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器 设计压力。其值稍高于最大工作压力。
压力容器应力分析典型局部应力
压力容器应力分析典型局部应力
三、数值计算
应力数值计算的方法比较多，如差分法、变分法、有限单 元法和边界元法等。但目前使用最广泛的是有限单元法。
有限单元法的基本思路： 将连续体离散为有限个单元的组合体，以单元结点的参
量为基本未知量，单元内的相应参量用单元结点上的数值插 值，将一个连续体的无限自由度问题变成有限自由度的问题， 再利用整体分析求出未知量。显然，随着单元数量的增加， 解的近似程度将不断改进，如单元满足收敛要求，近似解也 最终收敛于精确解。
为边缘效应的衰减长度。故开孔系数 表示开孔 大小和壳体局部应力衰减长度的比值。
压力容器应力分析典型局部应力
随着开孔系数的增大而增大
Kt 随壁厚比t/T的增大而减小
内伸式接管的应力集中系数较小 即：增大接管和壳体的壁厚，减小接管半径，
有利于降低应力集中系数
压力容器应力分析典型局部应力
球壳带接管的应力集 中系数曲线适用范围：
压力容器应力分析典型局部应力
二、减少附件传递的局部载荷
如果对与壳体相连的附件采取一定的措施，就可以减少 附件所传递的局部载荷对壳体的影响，从而降低局部应力。 例如：
● 对管道、阀门等设备附件设置支撑或支架，可降低这些附
件的重量对壳体的影响；
● 对接管等附件加设热补偿元件可降低因热胀冷缩所产生的
热载荷。
压力容器应力分析典型局部应力
一、应力集中系数法
1、应力集中系数 ——受内压壳体与接管连接处的最大弹性应力 ——该壳体不开孔时的环向薄膜应力
通过理论计算，数据整理，得到一系列曲线。通过应力集中 系数曲线图查Kt，就可得到最大应力
压力容器局部应力的分析计算与补强措施
百度文库- 让每个人平等地提升自我东北石油大学课程综合实践（二）课程过程设备设计题目典型局部应力学院机械科学与工程学院专业班级装备12-2班学生姓名李早东学生学号指导教师林玉娟2014年5月11日目录第一章局部应力 (1)1.局部应力的计算方法与概述 (1)WRC方法 (1)介质压力引起的应力计算 (3)强度评定 (3)欧盟的压力容器标准EN13445 (4)有限元法 (4)第二章补强分析 (5)2.降低局部应力的方法与措施 (5)直立容器支承式支座处的强度校核 (5)支座处封头的局部载荷 (5)支座处封头截面上的应力 (6)支座处封头的强度校核条件 (9)补强措施 (10)第三章结束语 (12)第一章局部应力1.局部应力的计算方法与概述压力容器除了承受介质压力载荷外,常常还要受到附件传来的其他外载荷。
通过支座、托架、吊耳等附件传来的载荷,主要是设备的自重及其内部物料等静重;通过接管传来的载荷主要是管道和管系反力、重量以及由于受热膨胀引起的推力和力矩。
这些载荷对壳体的影响虽仅限于附件与壳体连接处附近的局部区域,但常会产生较高的局部应力。
除外载荷产生的局部应力外,介质压力载荷还将在附件与壳体连接区产生另外一些局部应力,如局部薄膜应力、弯曲应力,以及截面尺寸突变的转角处的应力集中。
外载荷应力和介质压力载荷应力的联合作用将会使附件和壳体连接区域成为压力容器发生破坏的主要根源。
因此,计算外载荷作用下附件和壳体中的局部应力就显得十分重要,但是由于问题的非对称性,对局部应力作完整的理论计算过于复杂,对于实际设计往往不便于应用。
目前,对于压力容器壳体上由接管外载荷引起的局部应力的计算,主要有以Bijlaard理论为基础的两种方法:一是美国焊接研究协会(WRC)第107公报和有关补充规定WRC第297公报介绍的方法;二是英国压力容器设计标准BS550附录G建议的方法。
随着压力容器向高参数化发展和分析设计方法的广泛采用,要求进行局部应力计算和采用分析设计法进行强度评定的压力容器会越来越多,故本文在对WRC107方法理解基础上,对一高压反应器底封头上由接管载荷引起的局部应力作了详细计算,并按分析设计原理对接管和封头连接区的应力进行了强度评定,以便对工程中同类结构的局部应力计算、强度评定及压力容器分析设计方法的应用提供一定的参考。
压力容器中的应力计算汇总
由图可见： 1.球形壳体上的φ＝ ，而且各点处的应力相 同。但是椭球形壳体 上各点处的薄膜应力不 同，而且应力值与椭球 形壳体的长轴半径 a 与短轴半径b的比之有关。 2.在椭球形壳体的顶点 B处的薄膜应力有三个特 点： ①当a / b 2时，顶点处的应力值最 大 ②该点处的φ＝ pa a pD a ③该点处的应力值为 σφ＝σ （ ）＝ （ ） θ＝ 2δ b 4δ b 由此可见，椭球越扁， 顶点处的薄膜应力越大 。
§7-2 圆形平板承受均布载荷时 的弯曲应力
• 一、平板的变形与内力分析 • 1.环形截面的变形及由此而产生的环向弯曲 应力； • 2.相邻环形截面的相对转动及由此而产生的 径向弯曲应力； • 3.弯曲应力的分布规律及它们的最大值。 • 二、弯曲应力与薄膜应力的比较和结论
一、平板的变形与内力分析
容器的结构
• 容器一般是由筒体、封头、法兰、支座、接管 及人孔（手孔）等元件组成，如下图所示。筒 体和封头是容器的主体。
⒉容器的几何特点
• ⑴回转曲面的形成 以任何直线或平面曲线为母线，绕其同平面内的 轴线（回转轴)旋转一周后形成的曲面，称为回转 曲面。回转曲面的形成，例如（1，2，3，4） ⑵回转壳体的定义与实例 就曲面而言不具有厚度，就壳体来说，则有壁厚， 有了壁厚也就有了内表面和外表面之区分。居内、 外表面之间，且与内外表面等距离的面为中间面， 以回转曲面为中间面的壳体就是回转壳体。
㈣圆锥形壳体中的薄膜应力
• 圆锥形壳体与圆筒形壳体相比较有两点区别： • 1.圆锥形壳体中间面的母线虽然也是直线，但 它不是平行于回转轴，而是与回转轴相交，其 交角α称为圆锥形壳体的半锥角。正是由于这 个缘故，圆锥形中间面上沿其母线上各点的回 转半径均不相等。因此，圆锥形壳体上的薄膜 应力从大端到小端是不一样的。 • 2.圆锥形壳体的锥截面与横截面不是同一截面， 作用在锥截面上的经向薄膜应力σφ与回转轴也 相交成α角。
气瓶应力分析和强度计算
气瓶应力分析和强度计算气瓶应力分析和强度计算气瓶应力分析和强度计算气瓶是一种承受内压的压力容器，一般由圆筒、封头、封底所组成。
从受力情况看(这是强度设计的力学基础)，它可以分为头部及其影响区、简体、底部及其影响区三部分。
而强度设计的任务就是要正确确定每一部分的结构形状及其尺寸，保证在整个使用年限内安全运行。
对已有的气瓶，则可利用应力分析及强度设计有关公式进行安全校验和剩余寿命的估算。
图4—1为一凹形底气瓶的应力分布图。
强度设计的基本原则是安全可靠，经济合理。
一、气瓶筒体的应力状态气瓶筒体部分是一薄壁圆柱形壳体，或称薄壁圆筒。
由于气瓶的公称工作压力可达30MPa，属于高压容器。
制造气瓶的材料一般都选用强度较高的优质结构钢，所以其壁厚S相对于半径Ri来说仍是很小的，一般S／Ri<1／10。
根据力学分析及有关压力容器的设计规定，当圆筒外、内直径之比Do／Di≤1．2时，可认为是薄壁圆筒，均可按薄壁圆筒设计。
所谓薄壁圆筒，从力学上讲，就是指：当圆筒的壁厚相对于半径很小时，圆筒断面上承受弯矩的能力很小，筒壁主要承受拉力或压力，因此，可以近似地认为应力在整个筒壁上，沿壁厚度是均匀分布的，即所谓无力矩理论。
按无力矩理论计算求得的应力称为薄膜应力。
现在我们来分析气瓶简体即薄壁圆筒的应力状态。
圆筒是最简单的一种回转壳体，也是压力容器中最基本的部分。
薄壁圆筒的无力矩理论应力状态可以用分析回转壳体应力状态的一般方法求解，也可以更简单的从静力平衡方程式直接求得。
以图4—2为例，如果我们在气瓶中部以垂直于轴线的平面(横截面)将气瓶截为上下二段，则作用在环断面的经向应力(亦称轴向应力)的合力为πDSo经，此力应与由内压P 作用在气瓶底端的总轴向力(不管封头形状如何，均为π/4D2i p)相平衡，即因系薄壁圆筒，故内径D”可近似地等于平均直径Di．即D1≈D，由此，可求得作为了求得环向应力(亦称周向应力或切向应力)，则可取长度为L的一段圆筒，并以通过轴线的纵向截面将此圆环沿轴线切开,如图4—3所示，一辟两半，并沿Y--Y方向列公式(4．1)及(4．2)中圆筒的直径均为内径，所以有时亦称内径公式。
容器壳体切向接管区应力数值计算和强度分析
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的计算 结果 与 按 ＡＳ ＭＥ规 范 的计 算 结 果 进 行 了 比
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摘 要 ： 针 对 某 容 器 壳体 上 切 向 接 管 结 构 的 应 力 计 算 和 强 度 分 析 问 题 ， 用 有 限 元 理 论 和 方 法 ， 立 应 建
数 值 计 算 模 型 ， 用 ＡＮＳ 采 ＹＳ进 行 应 力 计 算 ， 到 了 详 尽 的 应 力 场 。 在 应 力 分 析 的 基 础 上 ， 照 分 得 按
Ａ ＡＱＵＳ的有 限元分 析是 比较 可靠 的 。 Ｂ
表 １ 危 险 截 面 当 量 应 力 有 限 元 法 与 Ａ ＭＥ算 法 Ｓ