压力容器受压元件分析讲义—桑如苞NEW.ppt
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1、内外压容器受压元件分析内外压容器受压元件分析桑如苞2012年4月6日内外压容器受压元件分析压力容器都离不开一个为建立压力所必须的承压力容器都离不开一个为建立压力所必须的承压外壳压外壳压力壳压力壳。内外压容器设计即是指对组成压力壳的各种元内外压容器设计即是指对组成压力壳的各种元件在压力作用下的设计计算。件在压力作用下的设计计算。压力壳必须以一定方式来支承:压力壳必须以一定方式来支承:当采用鞍式支座支承时成为卧式容器的形式,当采用鞍式支座支承时成为卧式容器的形式,由于自重、物料等重力作用,在压力壳上(特由于自重、物料等重力作用,在压力壳上(特别是支座部位)产生应力,其受力相当于一个别是支座部位)产
2、生应力,其受力相当于一个两端外伸的简支梁,两端外伸的简支梁,对其计算即为卧式容器标对其计算即为卧式容器标准的内容。准的内容。内外压容器受压元件分析当采用立式支承时成为立(塔)式容器的形式,当采用立式支承时成为立(塔)式容器的形式,由于自重、物料重力、风载、地震等作用,在由于自重、物料重力、风载、地震等作用,在压力壳上产生应力,其受力相当于一个直立的压力壳上产生应力,其受力相当于一个直立的悬臂梁,悬臂梁,对其计算即为塔式容器标准的内容。对其计算即为塔式容器标准的内容。当压力壳做成球形以支腿支承时,即成为球罐,当压力壳做成球形以支腿支承时,即成为球罐,在自重、物料重力、风载、地震等作用下的在自重、
3、物料重力、风载、地震等作用下的计计算即为球形储罐标准的内容。算即为球形储罐标准的内容。内外压容器受压元件分析压力作用下,以薄膜应力承压力作用下,以薄膜应力承载,为此整体上产生一次薄载,为此整体上产生一次薄膜应力,控制值膜应力,控制值1 1倍许用应力。倍许用应力。但在相邻元件连接部位,会但在相邻元件连接部位,会因变形协调产生局部薄膜应因变形协调产生局部薄膜应力和弯曲应力,称二次应力,力和弯曲应力,称二次应力,控制值控制值3 3倍许用应力。倍许用应力。压力作用下,以弯曲应力承压力作用下,以弯曲应力承载,为此整体上产生一次弯载,为此整体上产生一次弯曲应力,控制值曲应力,控制值1.51.5倍许用倍许用
4、应力应力。一、压力容器的构成一、压力容器的构成内外压容器受压元件分析1.一次应力一次应力 为平衡外载(压力为平衡外载(压力 P、重力、风载、地震载荷、重力、风载、地震载荷等等)产生的应力。产生的应力。如强度不足,当时发生破坏,称静强度失效。如强度不足,当时发生破坏,称静强度失效。如容器爆破,风载、地震作用下结构物倒塌。如容器爆破,风载、地震作用下结构物倒塌。此种应力:分为薄膜应力和弯曲应力两此种应力:分为薄膜应力和弯曲应力两种。其中薄膜应力又分为总体(一次总体薄膜应力)种。其中薄膜应力又分为总体(一次总体薄膜应力)和局部薄膜应力。如容器圆筒中的环向、轴向薄膜和局部薄膜应力。如容器圆筒中的环向、
5、轴向薄膜应力即是一次总体薄膜应力,控制为应力即是一次总体薄膜应力,控制为1倍倍 ,局,局部薄膜应力控制值为部薄膜应力控制值为1.5,发生于筒体端部。,发生于筒体端部。二、容器中的应力二、容器中的应力内外压容器受压元件分析2.二次应力二次应力 由于变形协调产生的应力,由于变形协调产生的应力,如椭封与筒体连接处,在压力如椭封与筒体连接处,在压力P作用下变形协调引起的应力。作用下变形协调引起的应力。如强度不足,当时不会发如强度不足,当时不会发生破坏,但会在多次加压卸压生破坏,但会在多次加压卸压下发生破坏,称为失去安定。下发生破坏,称为失去安定。生活中折屈铁丝便是一例。生活中折屈铁丝便是一例。引起这种
6、破坏不分薄膜与引起这种破坏不分薄膜与弯曲应力,是等价的,许用值弯曲应力,是等价的,许用值为一次为一次+二次应力强度二次应力强度 。内外压容器受压元件分析 一次应力和二次应力在一次应力和二次应力在GB150常规设计常规设计中都是考虑了。中都是考虑了。所有元件计算中都考虑了一次应所有元件计算中都考虑了一次应力和二次应力的强度,但有的元件是一次应力起力和二次应力的强度,但有的元件是一次应力起控制作用,如圆筒、球封、锥壳,有的是一次控制作用,如圆筒、球封、锥壳,有的是一次+二次应力强度起控制作用。(如锥形封头大端加二次应力强度起控制作用。(如锥形封头大端加强段,球冠封头等)。强段,球冠封头等)。椭封和
7、碟封设计中将其总应力以椭封和碟封设计中将其总应力以1倍倍 控控制,是保守的。为此俄罗斯标准中对此可不计封制,是保守的。为此俄罗斯标准中对此可不计封头冲压减薄。头冲压减薄。内外压容器受压元件分析 与二次应力相关的载荷主要是压力与二次应力相关的载荷主要是压力(开、停车)。地震、风载不考虑。(开、停车)。地震、风载不考虑。水压试验并不能检验二次应力的破坏。水压试验并不能检验二次应力的破坏。3、峰值应力、峰值应力在在GB150中未考虑,它涉及疲劳破坏。中未考虑,它涉及疲劳破坏。内外压容器受压元件分析1.各种壳的壁厚各种壳的壁厚计计算公式都可以算公式都可以圆圆筒公式筒公式为为基基础础来表示。来表示。1)
8、圆圆筒公式筒公式:2)球壳公式:球壳公式:3)椭封公式:椭封公式:4)碟封公式:碟封公式:三、各种壳元件壁厚计算公式分析比较三、各种壳元件壁厚计算公式分析比较内外压容器受压元件分析5)锥封公式:锥封公式:6)锥封大端加强段公式:锥封大端加强段公式:7)锥封小端加强段公式:锥封小端加强段公式:8)球冠封头公式:球冠封头公式:内外压容器受压元件分析2、各种壳元件壁厚计算所针对的最大应力的状况、各种壳元件壁厚计算所针对的最大应力的状况内外压容器受压元件分析内外压容器受压元件分析3、各种壳元件壁厚、各种壳元件壁厚设计设计的基的基础础1)基于强度设计)基于强度设计基于一次总体薄膜应力强度:基于一次总体薄
9、膜应力强度:圆筒圆筒环向环向球壳球壳环向,经向环向,经向锥锥壳壳环向环向基于一次局部薄膜应力强度:基于一次局部薄膜应力强度:锥锥壳小端加壳小端加强强段段环向环向1.1基于一次薄膜应力基于一次薄膜应力+二次弯曲二次弯曲应应力力强强度:度:锥锥壳大端加壳大端加强强段段经向经向3球冠形封球冠形封头头经向经向3内外压容器受压元件分析2)基于强度和稳定并存的设计)基于强度和稳定并存的设计椭圆椭圆形封形封头头,碟形封,碟形封头头强强度:一次薄膜度:一次薄膜+二次弯曲,二次弯曲,经经向,向,稳稳定:定:环环向,控制最小有效厚度。向,控制最小有效厚度。内外压容器受压元件分析四四、开孔补强、开孔补强1.壳和板的
10、开孔壳和板的开孔补补强强准准则则。a.壳(内壳(内压压)的)的补补强强拉伸强度补强,等面积补强。拉伸强度补强,等面积补强。b.板的板的补补强强弯曲强度补强,半面积补强。弯曲强度补强,半面积补强。c.壳(壳(外外压)的补强压)的补强弯曲强度补强,半面积补强。弯曲强度补强,半面积补强。内外压容器受压元件分析2.等面等面积补积补强强法。法。补强计算对象是薄膜应力,未计及开孔边缘的补强计算对象是薄膜应力,未计及开孔边缘的二次应力(弯曲应力等)。二次应力(弯曲应力等)。大开孔大开孔时时,由于孔,由于孔边边出出现较现较大的弯曲大的弯曲应应力,故力,故不适用大开孔。不适用大开孔。内外压容器受压元件分析图中图
11、中a,b,c三孔,由于三孔,由于“计计算算直径直径”相同,从等面相同,从等面积补积补强强来来讲讲,开孔,开孔补补强强面面积积是一是一样样的,但孔的,但孔边边的的应应力集中力集中相差很大。相差很大。在在A点,点,a孔孔K=4.5b孔孔K=2.5c孔孔K=1.5所以圆筒上的长孔,应使所以圆筒上的长孔,应使长轴垂直筒体轴线。长轴垂直筒体轴线。内外压容器受压元件分析为此为此GB150中,中,对对等面等面积补积补强强法:法:限制限制长圆孔长短径之比长圆孔长短径之比a/b2,是为了控制孔,是为了控制孔边的应力集中;边的应力集中;限制限制开孔率开孔率(d/D)0.5,是为了控制孔边出,是为了控制孔边出现过大
12、的弯曲应力。现过大的弯曲应力。内外压容器受压元件分析开孔所需补强面积开孔所需补强面积A A=d+2et(1-fr)d开孔计算直径,开孔计算直径,d=di+2c开孔计算厚度,开孔部位按公式计算的厚度。开孔计算厚度,开孔部位按公式计算的厚度。d壳体开孔丧失的承受强度的面积。壳体开孔丧失的承受强度的面积。2et(1-fr)由于接管材料强度低于筒体时所需另由于接管材料强度低于筒体时所需另行补偿的面积。行补偿的面积。内外压容器受压元件分析3.各种壳元件上开孔各种壳元件上开孔补补强强计计算参数(算参数(d,)开孔所需补强面积开孔所需补强面积A=d+2et(1-fr)元件元件开孔部位开孔部位d d圆筒圆筒任
13、意任意沿筒体轴向开孔直径沿筒体轴向开孔直径圆筒计算厚度圆筒计算厚度球壳球壳任意任意较大直径较大直径球壳计算厚度球壳计算厚度椭封椭封球面区球面区较大直径较大直径当量球壳计算厚度当量球壳计算厚度过渡区过渡区封头计算厚度封头计算厚度碟封碟封球面区球面区较大直径较大直径球壳计算厚度球壳计算厚度封头计算厚度封头计算厚度过渡区过渡区锥封锥封任意任意沿沿锥锥壳壳母母线线长长度度方方向向开孔直径开孔直径锥锥壳壳计计算算厚厚度度(按按开开孔孔中中心心处处对对应应的的锥锥壳壳直直径径计)计)球冠形封头球冠形封头球面区球面区较大直径较大直径球壳计算厚度球壳计算厚度加强段加强段加强段计算厚度加强段计算厚度内外压容器受
14、压元件分析内外压容器受压元件分析4.压压力面力面积积法法内外压容器受压元件分析5.等面等面积积法与法与压压力面力面积积法比法比较较等面积法:等面积法:筒体上的补强范围筒体上的补强范围 压力面积法:压力面积法:筒体上的补强范围筒体上的补强范围对小直径低压容器对小直径低压容器,若开大孔,若开大孔,则则,等面,等面积积法的法的补补强强范范围围大于大于压压力面力面积积法。法。所以筒体上多余面所以筒体上多余面积积可利用可利用较较多,多,则则另行另行补补强强面面积积就可少(就可少(补补强强板可小)。反之板可小)。反之(对对于于大直径容器大直径容器,如开孔,如开孔),),则则相反。相反。内外压容器受压元件分
15、析6大开孔大开孔补补强强设计设计1)大开孔大开孔边缘边缘的的应应力力a.局部薄膜局部薄膜应应力力mb.弯曲弯曲应应力力bmb所以大开孔所以大开孔补补强强不能忽略弯曲不能忽略弯曲应应力的作用。力的作用。内外压容器受压元件分析2)大开孔大开孔边缘边缘的弯矩的弯矩a.ASME给出的绕圆筒母线的弯矩给出的绕圆筒母线的弯矩b.圆筒双向倍值拉伸引起的弯矩圆筒双向倍值拉伸引起的弯矩c.接管与圆筒在压力作用自接管与圆筒在压力作用自由变形差引起的边缘弯矩由变形差引起的边缘弯矩内外压容器受压元件分析左半个圆筒上的力对左半个圆筒上的力对1-1截面的弯矩截面的弯矩所以所以圆圆筒在筒在压压力作用下只有薄力作用下只有薄膜
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