压力容器设计基础(一)
7.第七章 压力容器设计基础

1800 (1900) 2000 (2100) 2200 (2300) 2400 2500 2600 2800 3000 3200 3400 3500 3600 3800 4000 4200 4400 4500 4600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000
缺点
(1)只能套合短筒,筒节间深环焊缝多。
(2)要求准确的过盈量,对筒节的制造要求高。
16
绕板式
优点:(1)机械化程度高,操作简便,材料利用率高 优点 (2)纵焊缝少。 缺点:(1)绕板薄,不宜制造壁厚很大的容器。 缺点 (2)层间松动问题。
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槽形绕带式
优点 (1)筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压产生的 轴向力。 缺点 (2)机械化程度高,材料利用率高。 (1)钢带成本高,公差要求严格。
(1) 中压容器; (2) 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器; (3) 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和 低压储存容器; (4) 低压管壳式余热锅炉; (5) 低压搪玻璃压力容器。
不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。
三类容器
二类容器
一类容器
介质毒性分 级 指 标 Ⅰ 极度危害
31
⑵公称压力
工作压力不同,相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件
的尺寸也不同,标准零部件尺寸需按压力确定。
将承受的压力范围分为若干个标准压力等级,即公称压力。 表7-3 压力容器法兰与管法兰的公称压力PN 压力容器法 兰(MPa) 管法兰 (MPa) - 0.25 - 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4
日本国家标准(JIS);
德国压力容器规范(AD)。
压力容器设计基础总结

2 Ri Lp 2 L
压力容器设计基础
pRi
26
圆筒内的应力
受内压的圆筒体的壳体中的轴向和周向应力:
pRi 2
pRi
周向应力时轴向应力的2倍。
如果控制周向应力σθ不超过许用应力,即:
pRi
[ ]t
则可得容器的强度尺寸为:
pRi pDi = t [ ] 2[ ]t
压力容器设计基础
27
圆筒内的应力
弹性失效准则下的四个强度理论:
第一强度理论(最大主应力理论) 材料不论在什么复杂的应力状态下,只要三个主应力中有一个达到 轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时,材料就要发生破坏。 第二强度理论(最大变形理论) 材料的破坏取决于最大线应变,即最大相对伸长或缩短。
第三强度理论(最大剪应力理论)
碳钢在稀硫酸中极不耐蚀,但在浓硫酸中却很稳定; 铅耐稀硫酸,但不能在浓硫酸中使用; 不锈钢在中、低浓度的硝酸中耐蚀,但不耐浓硝酸的腐蚀; 碳钢在稀硫酸中是均匀腐蚀,奥氏体不锈钢在氯化物的水溶液中
会由于应力腐蚀而产生裂纹。
压力容器设计基础
14
压力容器工作条件及特点
介质的危害性
在石油、化工、天然气的工业生产装臵中,参与过程的绝大部分是 易燃、易爆、有毒或有腐蚀性的物质,同时这些物质的状态在工艺 过程中受温度、压力的控制不断变化。
压力容器设计基础
4
压力容器的分类
根据生产过程中的作用原理分类
反应容器(R) 换热容器(E) 分离容器(S)
新GB150 压力容器设计基础、总论

23
失效准则及设计理论基础
•压力容器设计理论基础
压力容器的结构部件应力状态的计算 GB150标准的计算方法 整体部件:薄膜无力矩理论;边缘区域总体上不考 虑(不排除个别区域的计及)。 JB4732标准的计算方法 整体部件:弹性力学的分析结果 ;局部区域采用应 力分析,或应力指数法。
6
设计管理与标准、法规的选用
压力容器设计依据
• GB150标准范围内的压力容器: 应依据GB150进行设计,并符合以GB150为基础标 准的相关标准的规定。当设计温度小于以钢材蠕变 控制其许用应力的相应温度时,还可选用JB4732标 准进行设计(单位和个人应具备相应资格)。当设 计的压力容器在《固容规》范围内时还必须符合 《容规》的规定。
s按Biblioteka 四强度理论的强度条件为2 1
2 2
2 3
1 2
2 3
1 3
[ ]
试验结果表明第四强度理论比第三强度理论与试验结果符合得更好。
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失效准则及设计理论基础
•压力容器设计理论基础
压力容器的设计准则
GB150 常规设计: 弹性失效、第一强度理论;
JB4732 分析设计: 塑性或弹塑性失效、第三强度理论;
•压力容器相关法规体系构成 法律—行政法规—部门规章—安全技术规范—引用标准”五个层次。 第一层次:法律 根据宪法和立法法的规定,全国人民代表大会及其常委会制定法律。 如安全生产法、劳动法和已颁布的《特种设备安全法》。
9
压力容器相关法规及标准体系构成
《中华人民共和国特种设备安全法》由中华人民共和国 第十二届全国人民代表大会常务委员会第3次会议于 2013年6月29日通过,2013年6月29日中华人民共和国主 席令第4号公布。《中华人民共和国特种设备安全法》 分总则,生产、经营、使用,检验、检测,监督管理, 事故应急救援与调查处理,法律责任,附则7章101条, 自2014年1月1日起施行。
GB150及压力容器设计基础共70页

压力容器失效准则及设计理论基础
压力容器的失效形式
❖ 强度失效
爆破,过度变形
❖ 稳定性失效
失稳
❖ 刚性失效
泄漏(法兰),变形
❖ 疲劳失效
疲劳裂纹、开裂
❖ 腐蚀失效
均匀腐蚀(以腐蚀裕量解决) 晶间腐蚀(超低碳不锈钢) 应力腐蚀(H2S、NH3等介质,拉应力和腐蚀介质共同作用)
压力容器的概念
正确使用法规、标准、规范
❖ 法规与标准、规范的关系 ❖ 正确使用标准规范(摘自ASME前言)
压力容器的建造包括选材、设计、制造、检验、试验等一系列工作内容 标准规范包括了对压力容器建造工作的如下三方面的基本内容:强制性要
求,特殊禁用规定,非强制性指南 标准规范不可能涉及容器建造的所有方面、细节,对于那些没有提及的内
容不应该认为是被禁用的 标准规范不是手册,它不能替代培训、经验和工程评价 工程评价是由知识渊博、熟悉标准应用的设计师作出的技术评价,必须同
标准规范的原则相一致,绝不能以工程评价或经验为借口来否定标准规范 的强制性要求或特殊禁用规定 设计和分析所用工具和方法是随着技术进步而变化的,希望工程师们在应 用这些工具时作出可靠的判断 标准所制定的规则,不能理解为任何一种专有或特定的设计准则,不能限 制设计人员自行选择符合规范规则的设计方法或结构形式。
压力容器失效准则及设计理论基础
强度理论
❖ 最大主应力理论——第一强度理论
1 3
当最大拉应力达到某一极限值时材料失效,理论上适用于脆性材料
❖ 最大拉应变理论——第二强度理论
当最大拉伸应变达到某一极限值时材料失效,不适用于金属材料
❖ 最大剪应力理论——第三强度理论
处于复杂应力状态下的材料,当其承受的最大剪应力达到某一极限状
1--压力容器基础知识

2.4压力容器的分类
现将上述分类中所提及的废热锅炉名词解释如下: 废热锅炉——一种利用化学反应热、烟气余热等 废热来生产蒸汽的设备。按照热源不同,前者主 要是利用化学反应热,后者则利用烟气余热。上 述分类中的废热锅炉为管壳式,管壳式废热锅炉 按《压力容器安全技术监察规程》的规定进行管 理,而烟道式的则按照《蒸汽锅炉安全技术监察 规程》的规定进行管理。
度是有梯度的,定义:沿金属截面的平均温度为金属的
温度 宏观上,温度是物体冷热程度的量度,微观上,温度是 物体分子的不规则热运动激烈程度的反映。温度愈高, 物体分子的不规则热运动愈激烈。 反之则下降,当温度 达到绝对零度时,分子热运动则完全停止。
温度的量度实质上是温差的量度。 目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标( ℃ )、 热力学温标。
法兰,球罐的球壳板,换热器的管板和换热管,M36以上(含M36)的
设备主螺柱以及公称直径大于或者等于250mm的接管和管法兰。
适用范围 设计温度高 于-20℃的钢 制焊接单层 压力容器、 多层包扎压 力容器、热 套及锻焊容 器。 设计温度≤ -20 ℃的容 器,还应符 合附录C 的 规定。
容器主要受压部分焊接接头分类
理念上对压力容器进行分类监管,突出本质安全思想。根
据压力容器所盛装介质危害性、设计压力、容积以及设计 压力与容积的乘积(PV值)进行划分。 2) 根据压力容器盛装介质的危害性进行介质分组、按设 计压力、容积(或者PV值)进行类别划分;
3)以坐标图表的方式确定。
4)压力容器划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三类。
最小厚度:标准规定的:GB150 3.5.6 低碳钢低合金钢:3mm高合金钢2mm)
2.3压力容器的参数
2.3.7气瓶的技术参数 (1)公称工作压力
压力容器零部件设计(一)

压力容器零部件设计(一)压力容器零部件设计压力容器是一种存储、运输和加工液体、气体或固体的设备。
压力容器不仅需要能够耐受压力、温度等因素的影响,还需要具备高度的安全保障。
零部件是构成压力容器的基础,好的压力容器零部件设计可保障压力容器的安全、寿命和性能。
缺陷分析压力容器零部件设计需要避免以下缺陷:1. 结构强度不足:压力容器工作环境的压力、温度等因素对容器本身的材质和结构有很高的要求。
设计时若结构强度不足会导致容器的爆炸等严重后果。
2. 材料选择不当:材料的选择不当可能导致零件在高压、高温等复杂环境下出现失效,进而对容器的整体安全性造成影响。
3. 缺乏必要的松弛缝:由于容器的变形,需要把材料和结构上的缺陷转化为必要的松弛缝,以避免材料和结构的锁死和破裂,也避免了过多的应力集中。
关键设计指标压力容器零部件设计需要符合以下关键设计指标:1. 固定力:压力容器需要通过零部件的固定力将所有部件固定在一起。
2. 尺寸和形状:零部件的尺寸和形状要和容器本身的尺寸和形状相匹配,保证不会出现空隙或者松动的情况。
3. 材质选取:针对不同的工作环境,压力容器零部件的选择需要合理,确保零部件的耐久性能、超压时的性能以及高温环境下的性能等都能满足要求。
4. 强度和稳定性:设计时需要遵循国家标准,零部件的强度和稳定性能够贯穿整个容器的运作寿命。
设计原则对于压力容器零部件设计,有以下几个原则:1. 材料要优先选择纯度高、强度和韧性较好的材料。
2. 控制整体重量,减小材料成本。
3. 尽可能地减少零部件数量,从而减少加工成本和组装成本。
4. 优先考虑贴近整个容器的结构,避免孤立的点,整体性较强可以提高体积利用率。
5. 通过分阶段设计来避免未来的改进成本和时间成本。
压力容器是关系到人们生命和财产安全的装备,所以对于设计要求非常高,本文阐述压力容器零部件设计的缺陷分析、关键设计指标和原则,以期为日益重要的压力容器行业提供帮助。
压力容器设计基础知识讲稿

压力容器设计基础知识讲稿(20140325)目录一.基本概念1.1 压力容器设计应遵循的法规和规程1.2 标准和法规(规程)的关系。
1.3 压力容器的含义(定义)1.4 压力容器设计标准简述1.5 D1级和D2级压力容器说明二.GB150-1998《钢制压力容器》1.围2.标准3.总论3.1 设计单位的资格和职责3.3 GB150管辖的容器围3.4 定义及含义3.5 设计参数选用的一般规定3.6 许用应力3.7 焊接接头系数3.8 压力试验和试验压力4.对材料的要求4.1 选择压力容器用钢应考虑的因素4. 2 D类压力容器受压元件用钢板4.3 钢管4.4 钢锻件4. 5 焊接材料4.6 采用国外钢材的要求4.7 钢材的代用规定4.8 特殊工作环境下的选材5.压圆筒和压球体的计算5. 1 压圆筒和压球体计算的理论基础5.2 压圆筒计算5.3 球壳计算6.外压圆筒和外压球壳的设计6.1 受均匀外压的圆筒(和外压管子)6.2 外压球壳6.3 受外压圆筒和球壳计算图的来源简介6.4 外压圆筒加强圈的计算7.封头的设计和计算7.1 封头标准7.2 椭圆形封头7. 3 碟形封头7.4 球冠形封头7.5 锥壳8.开孔和开孔补强8.1 开孔的作用8.2 开检查孔的要求8.3 开孔的形状和尺寸限制8.4 补强要求8.5 有效补强围及补强面积8.6 多个开孔的补强9 法兰连接9.1 简介9.2 法兰连接密封原理9. 3 法兰密封面的常用型式及优缺点9.4 法兰型式9.5 法兰连接计算要点9.6 管法兰连接10.压力容器的制造、检验和验收10.1 制造许可10.2 材料验收及加工成形10. 3 焊接10.4 D类压力容器热处理10.5 试板和试样10.8 无损检测10. 9 液压试验10.10 容器出厂证明文件。
11.安全附件和超压泄放装置11.1 安全附件11.2 超压泄放装置11.3 压力容器的安全泄放量11.4 安全阀三、GB151-1999《管壳式换热器》01 简述02 标准与GB150-1998《钢制压力容器》的关系。
压力容器基础知识

主讲:陶广峰
一、压力容器的定义
压力的概念: 在压力容器设计中,谈及压力,如果没 有特别指明,通常是指表压力,即指该容器 的内部压力与环境大气压力的差值。如果容 器内部压力高于大气压力,则表压力为正, 表示该容器承受内压作用;如果容器内部压 力低于大气压力,则表压力为负,表示该容 器承受外部压力作用,其绝对值又称为真空 度。
四、压力容器的分类
压力容器的形式、品种繁多。根据不同的要求, 压力容器的分类方法有很多种: 1.按壁厚分: 薄壁容器(容器外径与内径之比小于等于1.2) 和厚壁容器(容器外径与内径之比大于1.2)。 2.按材质分: 钢制压力容器、铝制焊接容器、钛制焊接容器 和非金属容器。
四、压力容器的分类
3.按承压方式分: 内压容器和外压容器。 当容器内部承受压力时称为内压容器,当容 器外部承受压力时称外压容器,如夹套容器、真 空容器等。 4.按工作温度分: 高温容器、常温容器、低温容器。 一般情况下,当工作温度低于或等于-20℃时称 为低温容器,当压力容器的工作温度高于或等于 金属材料的蠕变开始温度时称为高温容器。
四、压力容器的分类
8.按压力容器在生产过程中的作用原理分: 反应压力容器(代号R,如反应器、反应釜、 分解锅、分解塔等); 换热压力容器(代号E,如管壳式余热锅炉、 热交换器、冷却器等); 分离压力容器(代号S,如分离器、过滤器、 集油器、洗涤器、缓冲器、吸收塔等) 储存压力容器(代号C,其中球罐代号B,如 液化石油气球罐)。
四、压力容器的分类
5.按壳体的几何形状分: 球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器。 6.按设计压力分: 低压(L)0.1MPa≤p<1.6MPa; 中压(M)1.6MPa ≤p< 10MPa; 高压(H) 10MPa ≤p< 100MPa ; 超高压(U) p≥ 100MPa 。 7.按盛装介质毒性分: 轻度危害、中度危害、高度危害、和极度危害。
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压力容器地强度与设计<江苏省压力容器检验员培训考核班专题讲座)董金善南京工业大学过程装备研究所第一节概述一、容器地结构在工厂中可以看到许多设备.在这些设备中,有地用来储存物料,如各种储罐、计量罐;有地进行热量交换,如各种换热器、蒸发器、冷凝器、结晶器等;有地用来进行化学反应,如反应釜、聚合釜、发酵罐、合成塔等.这些设备虽然尺寸大小不一,形状结构不同,内部构件地型式更是多种多样,但是它们都有一个外壳,这个外壳就叫作容器.容器一般是由筒体<圆筒)、封头<端盖)、法兰、支座、接管、人孔<手孔)、视镜、安全附件等组成<图1).它们统称为压力容器通用零部件,常、低压压力容器通用零部件大都已有标准,设计时可直接选用.图-1 容器地结构二、压力容器常用标准1.国务院《特种设备安全监察条例》(2003>2.国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》 (1999>3.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可工作程序》 (2003>4.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可实施办法》 (2003>5.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可分级实施范围》(2003>6.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造监督管理办法》(2003>7.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造许可工作程序》(2003>8.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造许可条件》 (2003>9.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器产品安全性能监督检验规则》 (2003>10.国家质量监督检验检疫总局《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》 (2002>11.G B150-1998《钢制压力容器》12.G B151-1999《管壳式换热器》13.J B/T4735-1997《钢制焊接常压容器》14.J B4710-1992《钢制塔式容器》15.J B4731-XXXX《钢制卧式容器》16.H G/T20569-1994《机械搅拌设备》17.G B12337-1998《钢制球形储罐》18.G B16749-1997《压力容器波形膨胀节》19.J B4732-1994《钢制压力容器-分析设计标准》20.H G20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》21.H G20581-1998《钢制化工容器材料选用规定》22.H G20582-1998《钢制化工容器强度计算规定》23.H G20583-1998《钢制化工容器结构设计规定》24.H G20584-1998《钢制化工容器制造技术要求》25.H G20585-1998《钢制低温压力容器技术规定》26.H G20531-1993《铸钢、铸铁容器》27.J B/T4734-2002《铝制焊接容器》28.J B/T4745-2002《钛制焊接容器》29.G B/T15386-1994《空冷式换热器》30.G B16409-1996《板式换热器》31.H G/T2650-1995《钢制管式换热器》32.G B5842-1996《液化石油气钢瓶》33.J B/T4750-2003《制冷装置用压力容器》34.J B/T6539-1992《微型空气压缩机用钢制压力容器》35.J B8701-1998《制冷用板式换热器》36.J B/T4751-2003《螺旋板式换热器》37.G B18442-2001《低温绝热压力容器》38.G B12130-1995《医用高压氧舱》39.G B9019-1988《压力容器公称直径》40.J B/T4700~4707-2000《压力容器法兰》41.H G20592~20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》42.G B/T9112~9124-2000《钢制管法兰》43.J B/T74~90-1994《管路法兰及垫片》44.J B/T4746-2002《钢制压力容器用封头》45.J B/T4736-2002《补强圈》46.H GJ527-1990《补强管》47.J B/T4712-1992《鞍式支座》48.J B/T4713-2007《腿式支座》49.J B/T4724-1992《支承式支座》50.J B/T4725-1992《耳式支座》51.G B16749-1997《波形膨胀节》52.H G501~502-1986《压力容器视镜》53.H G21588~21591-1995《玻璃板液面计》54.H G21592-95《玻璃管液面计》55.H G/T21584-95《磁性液面计》56.H G21514~21527-1995《碳钢、低合金钢人孔》57.H G21528~21535-1995《碳钢、低合金钢人孔》58.H GJ504~509-1986《不锈钢人孔》59.H GJ510~513-1986《不锈钢手孔》60.H G21537-1992《填料箱》61.H G21571~21572-1995《机械密封》62.H G21563~21569-1995《搅拌传动装置》63.H G5-220~222-1965《搅拌器》64.H G/T21574-1994《设备吊耳》65.G B41-1986《I型六角螺母-C级》66.G B6170-1986《I型六角螺母-A和B级》67.G B5780-1986《六角头螺栓-C级》68.G B5782-1986《六角头螺栓-A和B级》69.J B/T4714-1992《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》70.J B/T4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》71.J B/T4716-1992《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》72.J B/T4717-1992《U型管式换热器型式与基本参数》73.H G21503-1992《钢制固定式薄管板列管换热器》74.G B567-1989《拱形金属爆破片形式与参数》75.G B/T14566-93《正形金属爆破片形式与参数》76.G B/T14567-93《反形金属爆破片形式与参数》77.G B/T14568-93《开缝形金属爆破片形式与参数》78.H G/T20668-2000《化工设备设计文件编制规定》79.T CED41002-2000《化工设备图样技术要求》80.G B6654-1996《压力容器用钢板》81.G B713-1986《锅炉用碳素钢和低合金钢板》82.G B3531-1996《低温压力容器用低合金钢钢板》83.G B4237-1992《不锈钢热轧钢板》84.G B8165-1987《不锈钢复合钢板》85.G B8163-1999《输送流体用无缝钢管》86.G B9948-1988《石油裂化用无缝钢管》87.G B6479-1986《化肥设备用高压无缝钢管》88.G B5310-1995《高压锅炉用无缝钢管》89.G B/T14976-94《流体输送不锈钢无缝钢管》90.G B13296-91《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》91.J B4726-2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》92.J B4727-2000《低温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》93.J B4728-2000《压力容器不锈钢锻件》94.G B/T983-1995《不锈钢焊条》95.G B/T5117-1995《碳钢焊条》96.G B/T5118-1995《低合金钢焊条》97.G B5293-1985《碳素钢埋弧焊用焊剂》98.G B12470-1990《低合金钢埋弧焊用焊剂》99.G B/T14957-1994《熔化焊用钢丝》100.GB/T14958-1994《气体保护焊用钢丝》101.GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》102.JB/T2835-1979《低温钢焊条》103.JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》104.JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》105.JB4730-1994《压力容器无损检测》106.JB/T4711-2003《压力容器涂敷与运输包装》107.JB/T613-1993《锅炉受压元件焊接技术条件》108.HG20660-2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》109.GB/T18182-2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》三、压力容器许可证3. 压力容器设计许可证注:① 锅炉设计图纸由省级交由被核准地检验检测机构鉴定;② 气瓶<B 类)、氧舱设计图纸由总局核准地检验检测机构鉴定;③ 客运索道、大型友游乐设施设计图纸由总局核准地检验检测机构鉴定.第二节 压力容器应力分析一、无力矩理论1 无力矩理论锅炉压力容器地主要承压结构是壳体,而壳体是两个近距同形曲面围成地结构.两曲面地垂直距离叫壳体地厚度,平分壳体厚度地曲面叫壳体地中间面.壳体地几何形状可由中间面形状及壳体厚度确定.中间面为回转曲面地壳体叫回转壳体.圆筒壳、圆锥壳、球壳、椭球壳等都是回转壳体.当回转壳体地外径与内径之比≤1.2时,称为薄壁回转壳体,简称回转薄壳;当>1.2时,称为厚壁回转壳体.当然,这种区分是相对地,薄壳与厚壳并没有严格地界限.压力容器中地回转壳体,其几何形状及压力载荷均是轴对称地,相应压力载荷下地应力应变也是轴对称分布地.对于回转薄壳,认为其承压后地变形与气球充气时地情况相似,其内力与应力是张力,沿壳体厚度均匀分布,呈二向应力状态,壳壁中没有弯矩及弯曲应力.这种分析与处理回转薄壳地理论叫无力矩理论或薄膜理论.无力矩理论是一种近似分析及简化计算理论,在锅炉及一般压力容器应力分析和强度计算中得到广泛应用,具有足够地精确度.严格来说,任何回转壳体都具有一定壁厚,承压后其应力沿壁厚并不均匀分布,壳体中因曲率变化也有一定地弯矩及弯曲应力,当壳体较厚且需精确分析时,应采用厚壁理论及有矩理论处理.2 薄膜方程按无矩理论对回转薄壳进行应力分析时,因为应力沿壁厚均布,常将壳体应力简化到中间面上分析.如图2—1所示,壳体中间面由平面曲线AB绕同一平面内回转轴OA旋转一周而成.通过回转轴地平间面与回转面地交线叫经线;作圆锥面与壳体中间面正交,所得交线叫纬线.经线方向存在经向应力,以表示;纬线方向存在环向应力或周向应力,以表示.经向应力可用下述正交截面法求得.如图2-2所示,用一与回转壳体表面正交<垂直)地圆锥面将壳体分成两部分,考虑其中一部分在Y方向地受力平衡,则有:式中:——内压力;——垂直于壳体轴线地圆截面地平均半径;——经向应力;——壳体在被圆锥面截开部分地厚度;——圆锥面地半顶角.从而有:<2-1)区域平衡方程式<2-1)中地是圆锥母线地长度,即回转壳体曲面在纬线上地主曲率半径,或纬线曲率半径<第二曲率半径).回转壳体中地环向应力,作用在壳体地径向截面内.但在径向截面地不同纬线上,环向应力并不相同,因而无法用径向截面法求解环向应力,而只能用微元法,通过分析微元体地受力平衡求解.如图2-3所示,用两个相近地径向平面及两个相近地与经线正交地圆锥面在回转壳体上截取微元体.设:为微元体上地经向应力,作用在上下两个周<纬)向圆锥截面上;为微元体上地环向应力,作用在相邻两个经向截面上;为壳体厚度;为微元体沿经线地长度;为微元体沿环向地长度;为微元体纬线曲率半径;为微元体经线曲率半径;为两经向截面地夹角;为两圆锥截面地夹角.考虑微元体曲面法线方向地受力平衡,可有:因及都很小,所以有:即整理得:<微体平衡方程) <2-2)式<2—l)和式<2—2)是求解薄壁回转壳体在内压作用下应力地基本公式.简称薄膜方程.二、回转薄壳地薄膜应力锅炉和压力容器回转薄壳地应力,都可用薄膜方程求解.由薄膜方程求得地应力叫薄壳地薄膜应力.<一)圆筒壳圆筒壳地中间面是一条直线围绕与之相平行地另一条直线旋转一周形成地.对圆筒壳来说,其纬线曲率半径<圆筒平均半径);经线是直线,其曲率半径为无穷大.由式<2—2)可得:<2-3)由式<2—l)可得:<2-4)比较式<2-3)和式<2-4)可知,在薄壁圆筒壳体中,其环向应力与经向应力<轴向应力)和内压、圆筒半径成正比,和壁厚成反比;且环向应力在数值上是经向应力地两倍.<二)圆锥壳与圆荷壳相似,其经线是直线,曲率半径为无穷大,纬线是经线截锥地母线,纬线曲率半径是截锥母线长度,随圆锥经线到旋转轴地距离而变化<见图2-4),即,,为圆锥壳地半顶角,因而有:<2-5)<2-6)不难看出,圆锥壳上不同点地应力是不同地,从锥顶到锥底,应力随地增大而增大.锥底地环向应力是圆锥壳上地最大应力;在圆锥壳确定地一点,其环向应力是经向力地2倍;圆锥壳地半顶角对其应力有显著影响,半顶角越应圆锥形壳体地应力大,圆锥壳体中地应力越大.<三)球壳除球形容器外,某些锅炉锅筒及压力容器地封头是由半个球壳构成地,半球壳与完整地铁壳在内庄作用下地应力状态基本是相同地.对球壳来说,其曲面各个方向地曲率半径都是相同地,即为球壳地平均半径R.因而有:<2-7)即<2-8)由式<2—8)可看出球壳内地经向应力与环向应力是相等地,如果球壳与圆筒壳直径及壁厚相同,且承受同样地内压,则球壳中地经向应力和环向应力都等于圆筒壳中地经向应力.<四)椭球壳椭球壳是锅炉压力容器中使用得最为普遍地封头结构形式.椭球壳地中间面是由椭圆围绕其短轴旋转一周而成地曲面,即椭球壳曲面地母线是椭圆.设该椭圆地长轴为,短轴为,并取如图2-5所示地坐标,则椭圆方程为:要利用薄膜方程确定椭球壳内地应力,关键是正确地确定经线曲率半径和纬线曲率半径.椭球壳地经线是椭圆,经线曲率半径即椭圆地曲率半径;椭球壳地纬线是垂直于壁厚地圆锥面与椭球壳中性面地交线,纬线地曲率半径则是圆锥面地母线.由高等数学可知,如果曲线地方程为,则曲线上某点地曲率半径为:由椭圆方程得:从而得出椭圆上某点地曲率半径为:即椭球壳经线上某点地曲率半径为:由图2-5可知,椭球壳纬线上某点地曲率半径<圆锥面地母线),可由下式求得:式中,为圆锥面地半顶角,它在数值上等于椭圆在同一点地切线与轴地夹角.因而有:所以将,之值代入薄膜方程,即可求得椭球壳上任一点地应力:(2-9>(2-10>及地分布如下:在椭圆壳顶点,:有,则:在椭球壳赤道部位,有,则:地分布情况如图2-6所示.而当时,即在椭球壳地极点上,其环向应力与经向应力相等;其大小取决于椭球长短轴地比值.椭球长短轴地比值越大,极点处地应力数值也越大.当时,,此时地大小和正负取决于椭球长短轴地比值:如果,即,为正值;如果,即,为零;如果,即,为负值<压缩应力);环向应力地分布如图2-7所示.锅炉压力容器上所用地椭圆封头一般是标准椭球封头,即地椭球封头.对于标准椭球封头:顶点部位:<2-11)赤道部位:<2-12)<2-13)其应力分布如图 2-8所示.用标准椭球封头与半径等于其长半轴地圆筒壳比较,如果二者有相同地壁厚并承受同样内压,则封头赤道上地环向应力与圆筒壳上地环向应力大小相等,方向相反;封头赤道上地经向应力与圆筒壳上地经向应力大小相等,方向相同;封头极点处应力<环向及经向)地大小及方向都与圆筒壳上地环向应力相同.因而标准椭球封头可以与同厚度地圆简壳衔接匹配,所得到地容器受力比较均匀.三、圆平板地应力1 圆平板在内压作用下地弯曲由材料力学可知,当梁承受横向载荷产生弯曲变形时,梁中某截面上地内力、应力、应变及挠度之间存在着下列关系:平板在内压作用下地内力及变形情况,与梁承受横向均布载荷时地内力及变形情况在本质上是相同地,两者都产生弯曲变形,内力是弯矩及剪力.但梁地横向尺寸比梁地长度小得多,故受横向载荷后只是沿长度在载荷作用方向发生弯曲变形;平板则具有一定地长度和宽度,长宽都比其厚度大得多.在横向载荷作用下,在平板地长度方向、宽度方向及平板平面内地其他各个方向,都产生弯曲变形,即产生面地弯曲.面地弯曲可以用两个互相垂直方向地弯曲来描述,常简称为双向弯曲.平板产生双向弯曲时,弯曲应力沿板厚地分布仍然是线性地,即只随离中性轴地距离发生变化,公式仍然成立.但此处弯矩及惯性矩与梁地情况不同.锅炉压力容器地平封头、平端盖、人孔盖、手孔盖都是承受内压地平板,而且大多数是圆平板.因为承受均匀分布地内压,国平板地内力及变形都对称于过平板中心而垂直于平板面地轴,如图2-9所示.以柱坐标系分析圆平板地双向弯曲,设微元体上环向弯矩为,径向弯矩为,径向剪力为.则可通过弯曲后地挠度求解弯曲内力和应力.2 挠度微分方程及其求解弹性力学关于小挠度薄板地分析表明,圆平板某点在内压作用下地弯矩,取决于圆平板在该点地挠度:式中:——圆平板中某点承受内压后地挠度.——该点离圆平板中心地径向距离;——材料地泊松比;——圆平板板条地抗弯刚度,N·mm,,这里是材料弹性模量,是圆平板厚度.而圆平板地挠度取决于压力载荷与自身抗弯刚度:即上式为圆平板承受均布横向载荷时地挠度微分方程式,其解为:对无孔圆平板,在板中心处挠度最大.但此处,相应于地是无意义,所以,从而有:<2-14)式<3-14)中地及,可根据圆平板周界地支承条件决定.3 周边铰<简)支圆平板圆平板地周边是连接在圆筒体上地.圆筒体对圆平板周边地约束情况,由二者地相对刚度来决定、当圆筒体地壁厚比圆平板地壁厚小很多时,圆筒体只能限制圆平板在圆筒体轴线方向地位移,而对圆平板在连接处地转动约束不大,这样地约束可简化成铰支地圆平板.设铰支圆平板地半径为,则有:解得: <2-15)经计算整理,得圆平板径向及环向弯矩为:<2-16)<2-17)因为及是截面中单位宽度上地弯矩,在计算弯曲应力时必须采用截面单位宽度上地惯性矩.相应于及,截面单位宽度地惯性矩为,因此圆平板内某点地径向弯曲应力及环向弯曲应力分别为:<2-18)<2-19)最大应力产生于圆平板中心<)地表面,分别为:<2-20)<2-21)和梁弯曲时一样,圆平板双向弯曲时,以中性面为分界面,沿厚度上下两半部分地应力正负符号是相反地.为简化起见,上列各应力计算公式仅表示圆平板受拉表面地应力.铰支圆平板弯矩及表面弯曲应力地分布如图2-10所示.4 周边固支圆平板如果与圆平板连接地筒体壁厚很厚,筒体不仅限制了原平板周边沿筒体轴向地位移,而且限制了原平板在连接处地转动,则可把筒体对圆平板周边地约束情况简化为固支.固支圆平板地边界条件为:,<2-22)相应地弯矩方程式:<2-23)<2-24)圆平板上下表面<)处任一点地径向弯曲应力及环向弯曲应力分别为: <2-25)<2-26)最大弯曲应力为原平板边缘表面地径向弯曲应力,即:固支圆平板弯矩及表面弯曲应力沿半径地分布如图2-11所示.5 与相连圆筒壳地比较综合周边铰支、固支两种情况,圆平板在内压作用下地最大弯曲应力近似为:周边铰支K=0.31、固支K=0.188.而相连接地圆筒壳在内压作用下地环向薄膜应力为:假定圆平板厚度与圆筒壳相同,且近似取圆平板半径等于圆筒壳平均半径,则:通常圆筒壳地厚度远小于D,因而远大于.绝大多数容器地值均超过50,这就意味着在等厚度、同直径条件下,平板内产生地最大弯曲应力至少是圆筒壁中薄膜应力地20-30倍.如欲使圆平板中地最大弯曲应力与圆筒壳地薄膜应力相同,则圆平板地壁厚必须远大于圆筒壳壁厚:四、圆筒壳地边界效应1 基本概念承受内压地圆筒形元件,总是和其他相应地元件——封头、管板、端盖等连接在一起,组成一个封闭体,才能承受内压,以满足使用要求.在圆筒元件与其他元件相接之处,承受内压之后,其变形和受力情况与非连接部位有很大不同,这是圆筒与相连元件在相连处变形不一致、互相约束造成地.以圆筒与凸形封头连接为例<见图2-12),连接线上各点是圆筒与封头地公共点.作为圆筒筒身上地点,承受内压后其径向位移可按以下关系求出.根据广义虎克定律,环向应变为:分析环向应变与径向位移地关系,有:因而同样可以求出,作为封头上地点,连接处承受内压后地径向位移为:式中,,是凸形封头长轴与短轴之比,或长半径与短半径之比.对标准椭球封头,,因而有:即是说,在连接线上,作为筒身地一部分应沿径向向外位移;作为封头地一部分,应沿径向向外或向内位移.但封头在连接线上地径向位移量总是不同于筒身在连接线上地径向位移量,筒身向外地径向位移总是大于封头向外地径向位移.实际情况是,连接线上地点在承受内任后只能有一个径向位移,最后地变形位置只能在二者单独变形地中间位置,这样才能保持构件在连接处变形后是连续地.即二者在连接处互相约束限制.封头对圆筒地约束和限制,相当于沿圆筒端部国间连续均匀地施加弯矩和剪力,使圆筒端部产生“收口”弯曲变形,以抵消内压作用于圆筒所产生地向外径向位移.因而,封头对圆筒地附加载荷及相应引起地变形都是轴对称地.薄壁圆筒地抗弯能力很差,上述附加弯矩和剪力有时会在连接部位产生相当大地弯曲应力,甚至超过由内压造成地薄膜应力.但这种现象只发生在不同形状地元件相连接地边界区域,所以叫做“边界效应”.由边界效应产生地应力叫“不连续应力”,这是抵消不同元件在连接处变形不连续,保持实际上地变形连续在元件内出现地局部附加应力…边界应力.2 圆筒壳与凸形封头连接时地边界效应圆筒壳与凸形封头连接时,在连接处二者地几何形状是连续地.承受内压后二者虽因连接处变形不相同互相牵制,但最终到达地位置仍保持了连接部位地连续——连接处有同一地径向位移和转动角度.当凸形封头与圆筒壳地材质、壁厚都相同时,相应地因而,当凸形封头与圆筒壳相连接时,在圆筒壳连接部位附近因内压引起地附加内力为:(2-37>(2-38>(2-39>(2-39>以上各式中,为椭球封头长短轴直径之比.,随地变化趋势如图2-14所示.<边界应力变化趋势)<一)连接处<)内力及应力因为连接处弯矩等于零,因而没有相应地附加弯曲应力.连接处地径向剪力在连接处横截面上引起剪应力,平均剪应力为:连接处附加环向力在连接处造成附加环向应力:由式<2-39)及式<2—40)可知,和都是随地增加而减小地,连接处地及是最大剪力及最大环向力,因而,.因为地绝对数值较小,可忽略不计.因而连接处地主要附加应力是环向附加应力.连接处总地应力应是内压引起地薄膜应力与附加应力地代数和:<二)附加弯矩最大截面地内力和应力,地值随而变化.当,或者<取,以下同)时,达到最大值,相应地附加轴向弯曲应力为:在同一位置,及相应地附加环向应力也达最大值,其数值为:在附加弯矩最大地截面上,径向剪力减小为零,附加环向力为:由附加环向力引起地附加环向应力为:作用于该截面内某点地总应力为内压造成地薄膜应力及附加应力之和.对于标准椭圆球封头相连地圆筒,内壁处最大地环向总应力为:内外壁面处地轴向总应力分别为:五、对圆筒壳边界效应地结论1. 圆筒壳地边界效应是圆筒壳与相连元件承载后变形不一致,互相制约而产生附加内力和应力地现象.在下列‘情况下均会产生边界效应及不连续应力:①结构几何形状突变;②同形状结构厚度突变;③同形同厚结构材料突变.在分析元件应力状态时,必须有边界效应和边界应力地基本概念.2. 边界应力,自连接处起沿圆筒壳轴向迅速衰减,其影响范围仅在两元件地连接边界附近.计算表明,当或时,截面中等附加内力已衰减到边界上相应内力地5%以下.因此常把地区域视为边界效应地影响区域.一般钢材,因决定了边界效应区域地大小及衰减快慢,故称之为边界效应衰减系数.3. 边界效应中地主要附加内力是轴向附加弯矩和周向附加力.轴向附加弯矩引起地附加弯曲应力沿壁厚呈线性分布,在内外壁面分别为拉伸应力或压缩应力.拉伸应力与轴向薄膜应力叠加而使总地轴向应力加大;周向附加力引起地周向附加应力是压缩应力,可以抵消一部分周向薄膜应力,降低边界附近总地周向应力水平.4. 凸形封头与圆筒壳相连时,边界处地不连续应力很小,通常可以不予考虑;厚圆平板与圆筒壳连接时,边界处地不连续应力较大.在结构设计中,考虑边界效应,应尽量采用凸形封头而少用平板封头.采用平板封头时,要考虑采用相应地结构及工艺措施,以充分保证构件地安全.六、应力分类前面介绍了在内压等作用下元件内产生地一些应力,实际压力容器元件中地应力还不止这些,比如,元件因热胀冷缩约束所产生地热应力;元件自重、内部介质重量等会在元件内引起弯曲应力或拉伸<压缩)应。