压力容器分析设计基础

压力容器分析设计基础压力容器规则设计与分析设计应力分析设计方法概要压力容器规则设计与分析设计1、规则设计2、分析设计3、规则设计与分析设计的比较1、规则设计设计准则弹性失效准则——容器只有完全处于弹性状态时才是安全的，一旦结构内某点计算的最大应力进入塑性范围，即达到或超过材料的屈服极限，就认为整个容器失效。依据：静载构件、平均应力1、规则设计缺点与局限性由于不考虑可变载荷对容器各个部位引起不同的应力与变形，故无法进行疲劳分析和预计寿命，亦不能推测失效起源于何处。弹性失效并不表明容器的承载能力已经耗尽。不同性质的应力取同一应力评定判据是不合理的，这对设计复杂结构的大型容器很不经济。而有效利用结构的塑性行为已被证明是可行的。取较高的安全系数无疑掩盖了失效的实质。其结果增加了材料消耗和制造成本，而对容器安全有时适得其反。2、分析设计设计准则塑性失效准则——只有当结构沿厚度方向全部屈服时，结构才失效。疲劳失效准则——一定许循环应力幅作用下的构件，只有其循环次数超过允许的最大循环次数后，才会发生疲劳破坏。考虑了超出弹性范围以后结构的塑性行为，放弃传统的弹性失效准则。引入极限分析与安定分析概念，采用塑性失效设计准则。应用电子计算机技术和实验测试技术，对复杂结构的容器整体，包括任何不连续区域都可以做详细的弹性应力分析与计算。按不同性质的应力分类和失效形式给予不同的限制条件。机械应力以极限载荷为界限；不连续应力或热应力以安定载荷为界限。当反复受载需作疲劳分析时以疲劳试验应力幅为界限。引用虚拟应力概念可以方便地对高应变区作弹性分析。2、分析设计先进性比较项目按规则设计按分析设计1规范名称GB150-1998《钢制压力容器》JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》2规范历史（第一版或前身出版年代）1989年1994年3设计压力（最高）35MPa100MPa4设计温度材料的许用温度（可高于材料蠕变温度）材料的蠕变温度以下5不适用工况反复受载疲劳分析高温蠕变6设计准则弹性失效准则塑性失效准则；疲劳失效准则7采用强度理论最大主应力理论①最大切应力理论8应力分类不分类按应力性质不同分类3.规则设计与常规设计的比较9应力分析方法材料力学，板壳力学弹性有限元法，弹性理论和板桥理论解析法，试验应力测试法10计算复杂性以膜应力为基础计算，简单各种应力均需全面计算，复杂11对热应力的考虑通常与机械应力迭加作为二次应力12应力评定判据取相同判据按应力分类取不同判据13基本安全系数（最小）nb=3,ns=1.6nb=2.6,ns=1.514材料控制（以钢板为例）符合压力容器常规要求比前者要求严格许用应力分类GB150-98,约27种JB4732-95,约27种15制造与检验按压力容器常规要求比前者要求严格制造资格要有压力容器制造许可证必须有相应的许可证，例如第三类压力容器许可证16综合经济性一般结构的容器综合经济性好大型、复杂结构的容器综合经济性好（用户需提供详细的设计任务书）关于材料的要求（钢板）比较项目GB150-98JB4732-951采用的钢板标准GBYB(T),冶金部推荐，技术要求较高；GB钢板常温强度指标高合金钢板无有2钢板超声波监测条件与合格级别(逐张)包扎容器内筒钢板Ⅱ级地合金钢板，25mmⅢ级16MnR,30mmⅢ级20R,38mmⅣ级包扎容器内筒钢板Ⅱ级调质钢板Ⅱ级不分材料，20mmⅡ级3拉伸和冲击试验（逐张）调质钢板包扎容器内筒钢板调质钢板包扎容器内筒钢板厚度50mm4最高使用温度(举例)20R,16MnR475℃15CrMoR550℃0Cr19Ni9700℃20R,16MnR375℃15CrMoR475℃0Cr19Ni9425℃使用温度下限-20℃0℃(低于0℃或－10℃做冲击试验）低温用钢板最低使用温度（最低冲击试验温度）16MnR正火，6-25mm,-20℃16MnDR正火，6-32mm,-40℃09Mn2VDR正火,6-32mm,-70℃06MnNbDR正火,6-16mm,-90℃16MnR正火，6-100mm-20℃16MnDR正火，6-32mm,-40℃09Mn2VDR正火,6-20mm,-50℃09MnNiDR正火,6-60mm,-70℃5钢板的韧性要求(以冲击功Akv表示)20R≥18J16MnR,15MnVR≥20J15MnVNR,18MnMoNbR,18MnNiMoNbR≥27Jσb≤450MPa≥20J450-515MPa≥24J515-590MPa≥27J590-650MPa≥31J6可否使用非压力容器用钢板p≤1.0MPa,t=0-350℃δ≤16mm,可用A3或阿AY3不可7可否使用沸腾钢板p≤0.6MPa,t=0-250℃δ≤12mm,可用A3F或AY3F不可比较项目GB150-98JB4732-951使用范围单层压力容器多层包扎压力容器热套压力容器单层压力容器多层包扎压力容器热套压力容器锻焊压力容器2制造用材料应有确认标记不明确明确并对使用硬印标记有限制3封头的形状偏差(封头内径为Df)检查用样板弦长不小于3/4Df封头深度不大于45%Df,检查样板弦长等于Df封头深度大于45%Df,一律按外压封头从严要求封头直边纵向皱折深度不大于1.5mm4焊缝对口错边量不考虑材料因素，按焊缝类别和厚度规定允许错边量。例如纵向焊缝，厚度≤50mm,错边量允许≤3mm增加考虑材料因素，且允许错边量从严，例如σb540MPa,条件与GB150相同，允许错边量≤2.4mm5两板厚度不等，需要减薄的条件(薄板厚度为δ2)δ2≤10mm，厚度差≥3mm;δ210mm，厚度差≥30%δ2;或≥5mm不分板厚，厚度差25%δ2,或≥3mm制造和检验的要求6壳体直线度允差长度L≤20mm,允差2/1000;20mmL≤30mm,允差1/1000不分长短档次，允差1/10007接管底部要求没有规定内表面转角半径r≥1/4壳厚，且不大于20mm对于插入接管，r≥1/4管厚，且不大于10mm8对焊缝的接头余高按施焊方法与焊缝深δ规定余高。例如手工焊，25mmδ≤50mm余高0-3mmδ50mm,余高0-4mm考虑材料因素与焊缝深度δ规定余高，例σb540MPa,25mmδ≤50mm,余高0-10%δ,且≤3mm;δ50mm,余高≤3mm9焊接接头表面不应有的缺陷裂纹、气孔、弧坑、夹渣；除规定材料不得咬边外，其他咬边深≤0.5mm，长≤100mm，两侧咬边总厂度不得超过焊缝长度的10%裂纹、气孔、咬边、弧坑、夹渣10焊接引弧要求不做具体规定禁止在非焊接部位引弧11焊后热处理规定需要进行热处理的材料厚度，不规定热处理方法需要进行热处理的材料厚度同GB150,但明确规定焊后热处理方法，包括进出炉最高炉温，升降温速度和炉温均匀性的要求12焊接试板规定有条件的每台容器应制备焊接试板，例如厚度≥20mm的15MnVR容器，或σb540MPa钢制容器等每台容器至少制备一块焊接试板13焊缝探伤要求规定以外的对接焊缝，允许局部探伤，检查长度≥20%，且不少于250mm合格级别；100%射线探伤、Ⅱ级，超声波探伤，Ⅰ级；局部射线探伤，Ⅲ级，超声波探伤，Ⅱ级对接焊缝与厚度≥65mm的角焊接头，应进行100%射线或超声波探伤。合格级别：射线探伤，Ⅱ级；超声波探伤，Ⅰ级14焊缝探伤人员资格劳动部门颁发的资格证书劳动部门颁发的Ⅱ级探伤或Ⅰ级超声波探伤资格证书15焊接工艺规程，施焊与热处理记录等保存期7年10年应力分析设计方法概要一、应力性质1.薄壁容器2.厚壁容器3.平板端盖4.壳体不连续区5.容器支座区6.容器接管区7.容器热应力一、应力性质1.薄壁容器)2(221222rrTprTpr应力特点：沿壁厚均布；平衡外载，无自限性；外压时为压应力，需考虑失稳。一、应力性质2.厚壁容器izrRRKKprRKprRKp02220222021)1(1)1(1一、应力性质2.厚壁容器为了分析应力的性质，将非线性分布的应力视为均匀分布、线性分布和非线性分布的三部分的叠加。RiR0mfbb按合力等效原则确定按净弯矩等效原则确定合力等效原则——均布部分一、应力性质2.厚壁容器00RRRRmiidrdr1)1(1102202220KpdrrRKpRRRRimi净弯矩等效原则——线性部分00)(RRmRRiirdrrdr)21(1ibRrKK)ln121()1(322KKKKpKb非线性部分mf应力的特点：均匀分布的应力与薄壁容器中的薄膜应力具有相同的性质，来源于与内压力的平衡，遍及整个筒体，无自限性。应力梯度实际上是由筒体内外各处变形不同引起的。源于变形协调，具有自限性。非线性分布应力为应力梯度中的非线性部分。具有自限性，只出现在局部小范围。一、应力性质2.厚壁容器一、应力性质3、平板端盖环向应力径向应力应力主要特点：应力沿板厚线性分布，最大值在板表面，中间面应力为零；与外载荷相平衡，无自限性，随半径r不同而变化;板的上下表面首先屈服，之后应力沿板厚重新分布。2229.13.183rRTp2223.33.183rRTpr一、应力性质4、壳体不连续区容器上不连续区的应力可以由薄膜应力与边缘应力叠加得出：经向应力周向应力边缘应力需由壳体边缘的连续条件解出边缘剪力和边缘弯矩，然后按壳体的力矩理论得出。圆筒形壳体边缘应力的形式为o*o*2,,2,,66TMTNTMTNooooooooMPMPoMPxMPxoxo