压力容器应力分析与安全设计

第二章压力容器应力分析与安全设计第一节压力容器应力分析和变形特点一、压力容器应力和变形特点1.压力容器结构特点/0.1/1.2iiDDo或D薄壁容器：2.薄壁压力容器应力和变形特点1）基本概念①回转壳体②轴对称问题：指壳体的几何形状､约束条件和所受外力都对称于回转轴的问题。③中间面指与壳体内外表面等距离的曲面。④母线：AB⑤经线：AB′、AB〃⑥法线：(n)⑦纬线：CND圆第一曲率半径：指中间面上的一点M处经线的曲率半径：R1=MK1第二曲率半径：通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面，其与中间面相交形成曲线ME，此曲线在M点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径：R2=MK22）薄壁容器变形特点当容器内部压力P大于外部压力P外时，容器产生两种变形：拉伸变形和弯曲变形，其中拉伸应力σ拉远大于弯曲应力σ弯。承受内压圆筒中的薄膜应力㈠无力矩理论的基本假设①直法线假设②互不挤压假设——变形前后壳体厚度不变。——忽略壳壁的法向应力。3）薄膜应力理论的应力计算公式m：经向应力：环向应力㈡环向应力计算公式外力的合力在微元体法线方向的投影：经向应力的合力在法线n上的投影：环向应力的合力在法线n上的投影：根据法线方向力的平衡条件，得：即因为：整理得：作用在该部分的外力在z轴方向上合力为Pz作用在该截面上的应力在z轴上投影为Nz㈢经向应力计算公式由z轴方向的平衡条件：即(2-1)(2-2)㈣轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围薄壁无力矩应力状态的存在，必须满足壳体是轴对称的，即几何形状、材料、载荷的对称性和连续性，同时需保证壳体应具有自由边缘。当这些条件不能全部满足时，就不能应用无力矩理论去分析发生弯曲时的应力状态。但远离局部区域的情况，无力矩理论仍然有效。4）受气体内压的壳体的受力分析①圆筒形壳体圆筒壳的第一曲率半径R1=∞，第二曲率半径R2=D/2代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（2-2）得：224mpRpD分析：薄壁圆筒受内压环向应力是经向应力两倍。问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。/4/2mpDpD分析：问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。/4/2mpDpD例：②球形壳体球壳的R1＝R2=D/2，代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（2-2）得：③椭圆形壳体椭圆壳的经线为一椭圆，设其经线方程为由此方程可得第一曲率半径为：根据上图，第二曲率半径为：将所得R1与R2代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（2-2）得：在顶点（x=0）处椭圆壳体上的应力分布为：在边缘（x=a）处椭圆封头的经向应力分布对于化工常用的标准椭圆形封头，a/b=2，故顶点处：边缘处：④圆锥形壳体右图所示为一圆锥形壳，半锥角为a，A点处半径为r，厚度为，则在A点处：代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（2-2）得A点处的应力：acos21rRR可见，在锥顶的经向应力和环向应力都为零；而在锥底r=D/2二、压力容器的边缘问题及特性1.边缘问题①曲率变化导致的弯曲应力。②联接边缘区的变形与应力2.边缘应力的特点①局部性——不同性质的联接边缘产生不同的边缘应力，但它们大多数都有明显的衰减波特性，随着离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。②自限性——由于边缘应力是两联接件弹性变形不一致，相互制约而产生的，一旦材料产生了塑性变形，弹性变形的约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，这就是边缘应力的自限性。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。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。压力容器的安全设计，指在确定的容器结构尺寸下，所选材料在容器寿命期内有足够抵抗各种外来载荷和经受周围环境条件破坏的能力；而结构的安全设计则是设计容器的总体或局部结构时，尽量避免制造和使用中附加的削弱容器强度的因素。•1.设计压力容器根据化工生产工艺提出的条件，确定设计所需参数（p，t，D），选定材料和结构型式，通过强度计算确定容器筒体及封头壁厚。已经制定标准的受压元件，可直接选取。•2.校核在用容器⑴判定在一个检验周期内，或在剩余寿命期内，容器是否还能在原设计条件下安全使用。⑵对于已不能在原设计条件下使用的容器，应通过强度计算，为容器提出最高允许工作压力。⑶如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判废提供依据。一、压力容器强度计算的内容二﹑薄壁圆筒强度计算公式1.理论计算厚度[]t—设计温度t℃下，筒体材料的许用应力，MPa。考虑焊接接头系数容器筒体一般由钢板卷焊而成。由于在焊接加热过程中，对焊缝金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。因此，钢板的许用应力[]t应该用强度较低的焊缝许用应力代替。办法是把钢板的许用应力乘以焊接接头系数f，f≤1。使用圆筒内直径工艺设计中确定的是容器内径Di，在制造过程中测量的也是圆筒的内径，而受力分析中的D指的却是筒体中面直径。2.设计厚度与名义厚度（1）钢板的负偏差C1。（2）腐蚀裕量C2考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，在计算厚度的基础上，增加腐蚀裕度C2。由此得到筒体的设计厚度为：而筒体的名义厚度为：3.有效厚度碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；最小厚度（δmin）——考虑容器的刚性——制造、运输、吊装；——不包括腐蚀裕量；※不包括腐蚀裕量3.压力容器的最小厚度三、薄壁球壳强度计算公式四、设计参数的确定设计技术参数设计压力设计温度厚度附加量等焊接接头系数许用应力1、设计压力——为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力。设计压力应视内压或外压容器分别取值。容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。外压：取1.25倍的最大内外压差或0.1MPa内压：装安全阀——不低于安全阀开启压力，1.05～1.10倍最高工作压力。装爆破片——爆破片最低标定爆破压力（取所选爆破片制造范围的上限），1.15～1.3倍的最高工作压力。盛装液化气体容器——根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。重锤杠杆式安全阀弹簧式安全阀爆破片•2、正拱开缝型•1、正拱普通拉伸型•3、反拱型计算压力——是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。◆通常情况下，计算压力==设计压力+液柱静压力◆当元件所承受的液柱静压力5%设计压力时，可忽略不计。注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。GB150规定：设计温度等于或低于-20℃的容器属于低温容器。金属温度不低于0℃——设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；金属温度低于0℃——不得高于元件金属可能达到的最低温度。2、设计温度——为压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。3、许用应力——容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。屈服点σs（或σ0.2）、抗拉强度σb、持久强度σD、蠕变极限σn等——根据失效类型确定极限值。蠕变温度以下——最低抗拉强度σb、常温或设计温度下的屈服点σs或三者除以各自的材料设计系数后所得的最小值，作为许用应力，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。ts材料强度失效判据的极限值用不同的方式表示：tntD同时考虑基于高温蠕变极限或持久强度的许用应力stsssbbnnn;;min][即DtDtn][ntntn][或碳素钢或低合金钢420℃，铬钼合金钢450℃，奥氏体不锈钢550℃时，钢制压力容器用材料许用应力的取值方法表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碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢奥氏体高合金钢0.3b6.1s6.1ts5.1tD0.1tn0.3b5.1)(2.0s)1t2.0ts5.1)(5.1tD0.1tn接头形式无损检测要求及长度比例焊缝缺陷夹渣、未熔透、裂纹、气孔等焊缝热影响区晶粒粗大母材强度或塑性降低薄弱环节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。影响因素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。焊接接头形式无损检测比例Φ值焊接接头形式无损检测比例Φ值双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头100%1.00单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）100%0.90局部0.85局部0.80表钢制压力容器的焊接接头系数Φ值5、厚度附加量厚度计算厚度δ设计厚度δd名义厚度δn有效厚度δe成型厚度成形后厚度——制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求。加工减薄量——根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定。计算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名义厚度δn设计厚度δdC1+C2加工减薄量加工减薄量第一次厚度圆整值厚度负偏差C1腐蚀裕量C2第二次厚度圆整值厚度关系示意图腐蚀裕量＝均匀腐蚀速率×容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。碳素钢、低合金钢：C2不小于1mm；不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。腐蚀裕量——防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。五、压力容器结构的安全设计•1、要求结构便于制造，以利于保证制造质量和避免、减少制造缺陷；•2、要求结构便于无损检验，使制造和使用中产生的缺陷能及时、准确地检查出来；•3、结构设计中要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中。降低局部附加应力和应力集中：•（1）结构不连续处应平滑过渡。图2-14•（2）引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开，避免高应力叠加。图2-15•（3）避免采用刚性过大的焊接结构。图2-16•（4）受热系统及部件的胀缩不要受限制。图2-17六、材料选择材料是压力容器的物质基础,正确地选用压力容器材料是保证压力容器长期安全使用的一个基本条件。压力容器是在承压状态下进行工作,有些还要同时承受高温、低温或腐蚀介质的联合作用,由此对构成压力容器的材料提出了更高的要求。目前绝大部分压力容器都是钢制的,压力容器材料的选择,应着重考虑材料的机械性能、工艺性能和耐腐蚀性能。1.材料的机械性能(1)强度指标强度是材料抵抗外力作用而避免产生屈服和断裂破坏的能力,它是决定钢材许用应力值的依据。其常用强度指标有抗拉强度σb和屈服强度σs,高温工作时,还应考虑蠕变极限σbt和持久极限σDt。材料的机械强度关系到容器的厚度和总重,选用强度较高的钢材在高压容器设计和目前压力容器日趋高参数(高温、高压)及大型化的条件下更有其重要意义。一般而言,钢材强度级别的提高总伴随着延塑性和冲击韧性的下降,从而带来了制造工艺性的困难