GB150-GB151培训教程

GB150钢制压力容器Steelpressurevessels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6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）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6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）1.1GB150适用范围压力：适用于设计压力不大于35MPa，不低于0.1MPa及真空度高于0.02MPa温度：钢材允许使用温度1、总论适用范围适用范围1、总论1.2GB150管辖范围容器壳体及与其连为整体的受压零部件1）容器与外部管道连接焊缝连接第一道环向焊缝端面法兰连接第一个法兰密封面螺纹连接第一个螺纹接头端面专用连接件第一个密封面2）接管、人孔、手孔等的封头、平盖及紧固件3）非受压元件与受压元件焊接接头（如支座、垫板、吊耳等）4）连接在容器上的超压泄放装置1、总论1.3容器的失效形式压力容器在载荷作用下丧失正常工作能力称之为失效。压力容器设计说到底是壁厚的计算，壁厚确定主要是对材料失效模式的判别:弹性失效壳体应力限制在弹性范围内，按弹性强度理论，壳体承载在弹性状态。塑性失效壳体应力限制在塑性范围内，按塑性强度理论，壳体承载在塑性状态。爆破失效壳体爆破是承载能力最大极限，表示材料承载能力的极限。压力容器失效表现为强度（断裂、泄漏）、刚度（泄漏、变形）和稳定性（失稳）。1、总论1.4设计参数1.4.1压力（6个压力）Pw正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力Pd与相应设计温度相对应作为设计条件的容器顶部的最高压力Pd≥PWPc在相应设计温度下，确定元件厚度压力（包括静液柱）Pt压力试验时容器顶部压力Pwmax设计温度下，容器顶部所能承受最高压力，由受压元件有效厚度计算得到。Pz安全泄放装置动作压力Pw＜Pz≤(1.05-1.1)PwPd≥Pz1、总论1.4设计参数1.4.2温度Tw在正常工况下元件的金属温度，实际工程中，往往以介质的温度表示工作温度。Tt压力试验时元件的金属温度，工程中也往往以试验介质温度来表示试验温度。Td在正常工况下，元件的金属截面的平均温度，由于金属壁面温度计算很麻烦，一般取介质温度加或减10-20℃得到。1、总论1.4设计参数1.4.3壁厚（6个厚度）δc计算厚度，由计算公式得到保证容器强度，刚度和稳定的厚度δd设计厚度，δd=δc+C2（腐蚀裕量）δn名义厚度，δn=δd+C1（钢材负偏差）+△（圆整量）δe有效厚度，δe=δn-C1-C2=δc+△δmin设计要求的成形后最小厚度，δmin≥δn-C1（GB1503.5.6壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输中刚度而定；而δmin是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。）δ坯坯料厚度δ坯=δd+C1+△+C3（其中：C3制造减簿量，主要考虑材料（黑色，有色）、工艺（模压，旋压；冷压，热压），所以C3值一般由制造厂定。）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/nbσs/nsσD/nDσn/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6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）2、受压元件——园筒和球壳2.1园筒和球壳园筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出：tciiciHPDDPD442ticDP41ticicDPllDP2·2ticDP22中径（Di+δ）替代DicticPDP41cticPDP225.1,4.0KPc相当于适用范围2、受压元件——园筒和球壳是以薄壁容器内径公式导出，认为应力是均匀分布。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。,H2.10iDDK园筒受力图2、受压元件——园筒和球壳园筒环向应力是轴向应力2倍，最大主应力为环向应力，所以公式中焊接接头系数为纵向焊缝接头系数。cticPDP4而球壳环向应力和径向应力是相等。按中径公式可推导出，球壳壁厚适用范围Pc≤0.6[σ]tΦ，相当于K≤1.353公式中焊接接头系数为所有拼接焊缝接头系数。2、受压元件——封头2.2封头2.2.1椭圆封头1）应力分布标准椭圆封头（a/b=2）应力分布：par2parpapa2、受压元件——封头径向应力σr为拉伸应力，封头中心最大，沿径线向封头底边逐渐减小。周向应力σθ封头中心拉伸应力，并沿径线向封头底边逐渐减小，由拉伸应力变为压缩应力，至底边压应力最大。且a/b越大，底部压应力愈大。出于上述考虑，GB150规定a/b≯2.6。所以在内压作用下，封头短轴要伸长，长轴要缩短称之为趋园现象，在曲面与直边相连部分，封头底边径向收缩，园筒径向胀大，在边界力作用下产生附加弯距（弯曲应力），封头上最大应力为薄膜应力和弯曲应力之和。2、受压元件——封头2、受压元件——封头2.2.1计算公式cticPDKP5.02可近似理解为，椭圆封头壁厚是园筒壁厚的K倍。（园筒周向应力）封头上最大总应力）(maxK其中：表示为封头形状系数，a/b越大，越扁平，长轴收缩多，变形越大，应力也大。K与Di/2hi关系查表7.12、受压元件——封头3）稳定性在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控制最小厚度来保证。（GB150表7-1下部说明）在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用图表法进行校核计算。2、受压元件——封头2.2封头2.2.2碟形封头1）应力分布碟形封头由球面、环壳和园筒组成，应力分布与椭圆封头相似。径向应力σr为拉伸应力，在球面部分均匀分布，至环壳应力逐渐减小，到底边应力降至一半。周向应力σθ在球面部分为均匀分布拉伸应力，环壳上为压缩应力，在连接点到底边逐渐减小，而在球面与环壳连接处最大。r002rRi20rh碟形壳的应力与变形2、受压元件——封头碟形封头与椭圆封头形状相似，不同点是应力与变形都是不连续的，而且有两个拐点（球面与环壳、环壳与园筒）在两个边界上产生附加力矩（弯曲应力）在内压作用下，球面外凸，环壳内缩，园筒外胀。当r/R越小，球面与环壳处产生应力最大；r/R→1趋于球壳，弯距→0；所以蝶形封头最大应力在球面与环壳过度区。2、受压元件——封头2）碟形封头的计算公式Ri/r越大，变形越大，应力也大，所以M随R/r增大而增大，M与Ri/r查表7-3cticPRMP5.02可近似理解为，蝶形封头壁厚是球壳壁厚的M倍。其中：形状系数，球壳最大应力最大总应力M3）稳定性在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控制最小厚度来保证。（GB150表7-1下部说明）在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用图表法进行校核计算。同椭圆形封头2、受压元件——封头2.2封头2.2.3锥形封头1）定义锥形封头半顶角α≤60°，以大端直径为当量园筒直径(Di/cosα)方法计算（即按当量园筒一次薄膜应力计算）。同一直径处周向应力等于轴向应力2倍；不同直径处，应力是不同的。半顶角α60°，按园平板计算，此时应力以弯曲应力为主，与薄膜理论不适应的。大端α≤30°采用无折边结构；α30°带折边小端α≤45°采用无折边结构；α45°带折边2、受压元件——封头2）应力分析大端轴向力T2分解成沿母线方向N2和垂直与轴线方向P2。N2轴向拉伸应力P2大端径向收缩，产生径向弯曲应力，并使周向应力与压力作用产生周向应力，方向相反而相对减小，所以大端以一次轴向拉伸应力+二次轴向弯曲应力为强度控制条件32、受压元件——封头1.12）应力分析小端轴向力T1分解成母线方向N1和垂直于轴线方向P1.N1轴向拉伸应力P1小端径向张大，产生周向应力。此周向应力与压力作用产生周向应力方向一致，相互叠加，所以小端以一次周向应力+由边界力引起周向应力为强度条件控制值2、受压元件——封头3）计算公式锥壳厚度cos12ctcccPDP由于受边界条件影响，是否需要在大、小端增设加强段，由GB150图7-11、7-13判断，交点在左边表示二次应力影响不大，不起控制作用，按上式计算即可；当交点在右边时，需增设加强段。大端厚度：小端厚度：cticrPDQP2ctiscrPDQP2Q应力增值系数，体现边界应力作用。通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。2、受压元件——封头2.2封头2.2.4平盖平盖厚度是基于园平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算：K为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表7-7。比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知：挠度反映板的刚度；应力则反映强度。所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小，从强度和刚度要求，周边固支比周边简支的为好。tcckPD08.4maxmax＝固支简支ff65.1maxrmaxr＝固支简支休息时间……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6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）3.1失稳外压元件承受的压应力，其破坏形式主要是失稳，失稳可分为周向失稳和轴向失稳。周向失稳断面由园形变成波形轴向失稳轴线由直线变成波形线3、外压元件（园筒和球壳）周向压缩应力引起轴向压缩应力引起3、外压元件（园筒和球壳）3.2外压容器的设计外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。外压容器园筒壁厚的计算，主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。为了防止失稳，应使壳体防止失稳的许用压力[P]大于或等于计算压力Pc.园筒稳定安全系数取3.0，球壳稳定安全系数取14.52。1）周向失稳计算外压容器壳体壁厚计算一般采用图算法，根据壳体直径（或半径），计算长度，假设壁厚(δe)和所用材料牌号，利用图表查取系数，然后代入公式得到许用外压力[P]，使[P]≥Pc；否则重新计算直至合格为止。2）轴向失稳计算由园筒或管子的半径，壁厚δe和所用材料牌号，用图表查取系数，代入公式得B值，使计算压力Pc小于或等于许用轴向压缩应力。许用轴向压缩应力取设计温度下材料许用应力[σ]和B值的较小值。3、外压元件（园筒和球壳）3.3防止外压园筒失稳措施防止外压园筒失稳措施主要有：1）增加园筒壁厚；2）缩短园筒的计算长度；3）设置加强圈。加强圈设置应整圈围绕在园筒上，并要求有足够截面积和组合惯性距。加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈和园筒之间连接可采用连续焊或间断焊。间断焊外部不少于园筒周长的1/2，内部不少于1/3。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6、低温压力容器（附录C）7、超压泄放装置（附录B）4、开孔补强4.1适用范围在筒体、封头上开圆孔，椭圆孔或长圆孔。非园孔的a/b≤2。筒体Di≤1500或凸形封头d≤1/2Di(且筒体d≤520mm)筒体Di1500或锥形封头d≤1/3Di(且筒体d≤1000mm)开孔不仅削弱容器强度，也造成局部应力集中，是造成容器破坏重要因素，所以开孔补强是压力容器设计重要组成部分。4、开孔补强4.2开孔补强形式与作用1）型式两种开孔补强型式——整体补强和局部补强（补强圈）整体补强增加壳体厚度（经济性差）厚壁管（推荐）整体补强锻件与壳体焊接（嵌入式接管）GB150P222图J5a），b）局部补强补强圈（推荐）2）作用内压容器——对开孔截面拉伸