第四章压力容器设计 CHAPTER Ⅳ Design of Pressure Vessels

第四章压力容器设计 CHAPTER Ⅳ Design of Pressure Vessels 4.4 分析设计

4.4.1 概述 4.1 概述 4.2 设计准则 4.3 常规设计 4.4 分析设计 4.5 疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展 4.4.2 压力容器的应力分类 4.4.3 应力强度计算 4.4.4 应力强度限制 4.4.5 分析设计的应用

过程设备设计 压力容器设计分析设计规则设计 GB150《钢制压力容器》 JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》 4.4 分析设计

过程设备设计 4.仅靠采用或办法控制材料在弹性范围内是不合理的, 也是不现实的，有时甚至起到相反作用。，甚至掩盖问题实质（裂纹）。例如：成本↑， 4.4.1 概述一、常规设计局限性： • 未对容器整体的各处应力作确切的数值计算，且所采用的应力 • 限制条件并未区分应力性质，而是采用统一强度限制条件。 • 2.只考虑一次施加的静载，没有考虑疲劳寿命问题和热应力， • 因而不能确切反映不同性质的应力对容器失效所引起的 • 不同影响。 • 3.无法校核容器的疲劳寿命。 • 5.规定了具体的容器结构形式，无法应用于规范中未包含的其它 • 容器结构和载荷形式，不利于新型设备的开发和使用。 ∴ 提出新的设计观点—应力分析设计方法

过程设备设计 1.详细分析并计算各种应力，然后进行应力分类，且对不同类型应力按不同的设计准则来限制，合理地采用了区别对待的方法。 2.采用了疲劳分析，重视了在压力、温度波动的条件下，容器因受循环载荷而可能遭受的破坏。 ∴ 是先进合理的方法。二、分析设计的基本思想缺点：计算工作量大，对材料性能、焊缝检验和容器操作运行更加严格的要求。

过程设备设计 三、容器的载荷与应力对失效的影响

过程设备设计

过程设备设计 1.目的: 提高容器安全可靠性省材 4. 采用较高的许用应力: , 提高有效载荷四、应力分析法主要特点： 2. 基础出发点: 区分应力不同性质，采用不同的强度条件加以限制。 3. 强度判据: 采用最大剪应力理论（第三强度理论）作为判据 5. 给出防止疲劳失效的设计方法及相应的设计曲线。五、应力分析法基础: • 弹性与塑性应力分析 2. 应力分类 3. 对材料、制造、检验更严格的要求。 4. 严格质量控制。

过程设备设计 一次应力P 应力产生的原因分为分类原则: 根据二次应力Q 应力分布峰值应力F 对失效影响特点:1）满足外载～内力平衡 2）非自限：载荷一次总体薄膜应力Pm 一次局部薄膜应力PL 一次弯曲应力Pb 4.4.2 容器的应力分类㈠、一次应力P 定义: 由外载（压力和其它机械载荷）在容器中产生的应力（正应力或剪应力）包括:

过程设备设计 一次应力弯曲应力(Pb) 薄膜应力(P) 总体(Pm) 局部(PL) 特点: 存在于总体范围内 / 沿δ均布 / 危害最大 / 限制条件严例: 薄壁厚壁特点: 存在于局部范围 ; 沿δ均布 ; 危害较小 ; 限制条件宽例:pi→在不连续区产生的薄膜应力; 结构不连续效应→ 薄膜应力; 特点:沿δ呈线性分布/总体范围/ 内外表面屈服后,若载荷升高，应力沿厚度分布重新调整, ∴危害小;限制宽例:平封头中心部位由pi引起的应力

过程设备设计 例:1）总体不连续处弯曲应力( ) 2）总体 • ㈡、二次应力Q：定义: 由容器自身或相邻部件约束产生的正应力或剪应力特点:1）满足变形协调条件 2）具有自限性：局部屈服→相邻部分约束缓解 →变形协调 →σ、变形不再继续增大。所以危害更小/限制变宽

过程设备设计 ㈢、峰值应力F 定义: 由局部结构不连续和局部热应力引起的而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。特点: 1)高度局部性，与筒体δ一个数量级 2)σ沿δ非线性分布，不会引起整个结构的明显变形。 3) 是导致疲劳破坏、脆性断裂的可能根源→限制较严 4) 一般设计中不考虑，只有在疲劳分析中才加以限制。例: 1)局部不连续总应力中扣除一次和二次应力后的剩余部分。例: 平板开孔受均匀拉伸 2) 结构的小热点处(如加热蛇管、容器壳壁连接处)的热应力。

过程设备设计 3) 碳钢容器内壁奥氏体堆焊层或衬里中的热应力。 4) 厚壁圆筒中径向温度梯度引起的热应力中的非线性分量。 5) 复合钢板中因复层与基体线膨胀系数不同而在复层中引起的热应力。压力容器典型部位的应力分类：见表4-15 注意:只有韧性较高的材料,允许出现局部塑变,上述分类才有意义 (即应力分类的前提条件是材料为塑性材料); 若是脆性材料,P和Q影响没有明显不同,应力分类就没有意义; 压缩应力主要与容器稳定性有关，也不需分类。

过程设备设计 1. 应力强度压力容器的强度设计和计算中，必须根据强度理论建立各个主应力与许用应力之间的关系应力强度的概念 and 分类: , , , 4.4.3 应力强度计算应力强度: 最大主应力与最小主应力之差 (1) 一次总体薄膜应力强度SⅠ(Pm) (2)一次局部薄膜应力强度 SⅡ(PL) (3)一次薄膜(总体或局部)加一次弯曲应力强度SⅢ(PL+Pb) (4)一次加二次应力强度 SⅣ(PL+Pb+Q) (5)峰值应力强度SⅤ(PL+Pb+Q+F)

过程设备设计 每个符号代表6个应力分量 ⑴找6个应力分量: ⑶计算各自的主应力: ＞＞ ⑷按最大剪应力理论计算应力强度： Ⅲ Ⅳ Ⅴ 2. 应力强度计算步骤 ⑵各类同向应力→代数叠加；

过程设备设计 1.设计应力强度 4.4.4 应力强度限制比较

过程设备设计 解决: 1)极限载荷极限载荷求解方法:以矩形截面梁为例限制条件 Ⅲ 2. 极限分析假设: 1)小变形 2)材料是理想弹塑性材料 3)简单加载: 外载和应力按同一比例增加的加载。含义: 容器在某一载荷下整体屈服，结构达到极限承载能力。（塑性失效） 2)虚拟弹性应力 3)限制条件目的: 确定SⅢ的限制条件:

过程设备设计 ⑴纯弯曲：研究对象—矩形截面（宽b、高h），受纯弯曲梁。外载——弯矩M

过程设备设计 计算:1)只上、下表面塑 2) : 弯矩 3) (全屈服): 极限载荷比较：虚拟弹性应力：

过程设备设计 类似分析：PL+ Pb≤1.5Sm 拉弯 ⑵ 联合作用：所以 SⅢ≤1.5KSm 设计: 有安全裕度，两边同除ns＝1.5→限制值限制条件: …安全

过程设备设计 ⑴ ：(图4-60(a)) ＜＜ 3. 安定性分析安定性—指结构在载荷的反复变化过程中，变形趋于稳定，不会出现塑性变形的连续循环，则认为结构是安定的。丧失安定后的结构会在反复加载卸载中引起新的塑性变形，导致塑性疲劳或大变形而发生破坏。目的—确定压力容器对Q的限制值假设—同极限设计准则①小变形 ②理想塑材 ③简单加载

过程设备设计 s s B ’ s 1 s s 2 s s 2 F s B’ s 1 B A B E s A s s s e s e e e e O e s 1 O 1 C D s - C s (b) a （） Fig. 4-60 Shakedown analysis ， The maximum stress range for shakedown is the limit for primary plus secondary stress is 3Sm . as ，

过程设备设计 安定：(图4-60(b)) ⑵ ＞反复→塑性疲劳不安定

过程设备设计 ：同情形⑴—安定状态 ⑶ OABC—不出现反向屈服的最大回线结论: ＞即: SⅣ≤3Sm—结构安定

过程设备设计 4. 应力强度限制 ⑴ 控制各种应力及其组合的目的是： a. 控制一次应力极限是为了防止过分弹性变形，包括稳定在内。 b. 控制一次应力与二次应力叠加的极限是为了防止过分的弹性变形的增长性破坏—塑性不安定（塑性疲劳）。 c. 控制峰值应力极限的目的是防止由周期性载荷引起的疲劳破坏. 所以要对各类应力提出限制条件。

K—载荷组合系数，与载荷和组合 方式有关，K=1.0～1.25 单独校核: 组合校核: ⑵ 应力强度限制条件：当各类应力同时存在时，上面五个条件同时满足。

过程设备设计 Pm SⅠ PL PL+Pb PL+Pb+Q PL+Pb+Q+F SⅡ SⅢ SⅣ SⅤ KSm Use design loads 1.5KSm 3Sm 1.5KSm Sa Use operating loads

过程设备设计 结构分析 1.结构分析: a.哪些部位需按应力分析法？计算应力强度校核应力强度 b.该部位有哪些应力？应力分析应力分类 c.可能失效形式？设计工作 c. 区分载荷 4.4.5 分析设计的应用一、分析设计的设计程序（步骤） 2. 应力分析: a. 受载（p、机、热）？ b. 边界条件？ d. 建立力学分析模型 e. 计算各部分σ

过程设备设计 3. 应力分类: 根据σ对失效作用分类, 4. 计算应力强度: a. 各类同向σ叠加 b. 按第三强度理论 5. 校核应力强度: 单项及组合S校核 →按设计载荷 →按工作载荷

过程设备设计 载荷组合系数 K 注：1）不需要同时考虑风载荷与地震载荷 2）风载荷与地震载荷的计算方法按有关规定 3）一次总体薄膜应力在屈服点以下

过程设备设计 • 1. • 2. • 二、工程应用

第四章压力容器设计 CHAPTER Ⅳ Design of Pressure Vessels