壓力容器受壓元件分析講義-桑如苞CP

內(nèi)外壓容器受壓元件分析桑如苞2012年3月24日內(nèi)外壓容器受壓元件分析壓力容器都離不開(kāi)一個(gè)為建立壓力所必須的承壓外殼—壓力殼。內(nèi)外壓容器設(shè)計(jì)即是指對(duì)組成壓力殼的各種元件在壓力作用下的設(shè)計(jì)計(jì)算。壓力殼必須以一定方式來(lái)支承：當(dāng)采用鞍式支座支承時(shí)成為臥式容器的形式，由于自重、物料等重力作用，在壓力殼上（特別是支座部位）產(chǎn)生應(yīng)力，其受力相當(dāng)于一個(gè)兩端外伸的簡(jiǎn)支梁，對(duì)其計(jì)算即為臥式容器標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。內(nèi)外壓容器受壓元件分析當(dāng)采用立式支承時(shí)成為立（塔）式容器的形式，由于自重、物料重力、風(fēng)載、地震等作用，在壓力殼上產(chǎn)生應(yīng)力，其受力相當(dāng)于一個(gè)直立的懸臂梁，對(duì)其計(jì)算即為塔式容器標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。當(dāng)壓力殼做成球形以支腿支承時(shí)，即成為球罐，在自重、物料重力、風(fēng)載、地震等作用下的計(jì)算即為球形儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。內(nèi)外壓容器受壓元件分析壓力作用下，以薄膜應(yīng)力承載，為此整體上產(chǎn)生一次薄膜應(yīng)力，控制值1倍許用應(yīng)力。但在相鄰元件連接部位，會(huì)因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，稱(chēng)二次應(yīng)力，控制值3倍許用應(yīng)力。壓力作用下，以彎曲應(yīng)力承載，為此整體上產(chǎn)生一次彎曲應(yīng)力，控制值1.5倍許用應(yīng)力。一、壓力容器的構(gòu)成內(nèi)外壓容器受壓元件分析1.各種殼的壁厚計(jì)算公式都可以圓筒公式為基礎(chǔ)來(lái)表示。1）圓筒公式：

2）球殼公式：3）橢封公式：4）碟封公式：二、各種殼元件壁厚計(jì)算公式分析比較內(nèi)外壓容器受壓元件分析5）錐封公式：

6）錐封大端加強(qiáng)段公式：

7）錐封小端加強(qiáng)段公式：8）球冠封頭公式：內(nèi)外壓容器受壓元件分析2、各種殼元件壁厚計(jì)算所針對(duì)的最大應(yīng)力的狀況

內(nèi)外壓容器受壓元件分析內(nèi)外壓容器受壓元件分析3、各種殼元件壁厚設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

1）基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)基于一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：

圓筒——環(huán)向

[σ]球殼——環(huán)向，經(jīng)向

[σ]錐殼——環(huán)向

[σ]

基于一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：錐殼小端加強(qiáng)段——環(huán)向

1.1[σ]基于一次薄膜應(yīng)力+二次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度：錐殼大端加強(qiáng)段——經(jīng)向

3[σ]球冠形封頭——經(jīng)向

3[σ]

內(nèi)外壓容器受壓元件分析2）基于強(qiáng)度和穩(wěn)定并存的設(shè)計(jì)

橢圓形封頭，碟形封頭強(qiáng)度：一次薄膜+二次彎曲，經(jīng)向，[σ]穩(wěn)定：環(huán)向，控制最小有效厚度。內(nèi)外壓容器受壓元件分析1.圓筒

1）應(yīng)力狀況：兩向薄膜應(yīng)力

環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍。2）壁厚計(jì)算公式：

符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)GB150，稱(chēng)中徑公式。適用范圍，K≤1.5，等價(jià)于pc≤0.4[σ]t

三、壓力容器受壓元件計(jì)算內(nèi)外壓容器受壓元件分析3）公式來(lái)由：

內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算公式是從圓筒與內(nèi)壓的靜力平衡條件得出的。

設(shè)有內(nèi)壓圓筒（兩端設(shè)封頭）如圖所示內(nèi)外壓容器受壓元件分析（1）圓筒受壓力pc的軸向作用：pc在圓筒軸向產(chǎn)生的總軸向力：

圓筒橫截面的面積：

fi=πDiδ由此產(chǎn)生的圓筒軸向應(yīng)力：

內(nèi)外壓容器受壓元件分析當(dāng)控制σh≤時(shí)，則：

此即按圓筒軸向應(yīng)力計(jì)算的壁厚公式。內(nèi)外壓容器受壓元件分析（2）圓筒受壓力pc的徑向作用

pc對(duì)圓筒徑向作用，在半個(gè)圓筒投影面上產(chǎn)生的合力（沿圖中水平方向）：

F2=pc·Di·l承受此水平合力的圓筒縱截面面積：

f2=2δl由此產(chǎn)生的圓筒環(huán)向應(yīng)力：內(nèi)外壓容器受壓元件分析當(dāng)控制σθ≤[σ]時(shí)，

此式稱(chēng)為內(nèi)壓圓筒的內(nèi)徑公式。上述計(jì)算公式認(rèn)為應(yīng)力是沿圓筒壁厚均勻分布的，它們對(duì)薄壁容器是適合的。內(nèi)外壓容器受壓元件分析

但對(duì)于較厚壁厚的圓筒，其環(huán)向應(yīng)力并不是均勻分布的。薄壁內(nèi)徑公式與實(shí)際應(yīng)力存在較大誤差。對(duì)厚壁圓筒中的應(yīng)力情況以由彈性力學(xué)為基礎(chǔ)推導(dǎo)得出的拉美公式較好地反映了其分布。由拉美公式可知：厚壁筒中存在三個(gè)方向的應(yīng)力，其中只有軸向應(yīng)力是沿厚度均勻布的。環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均是非均勻分布的，且內(nèi)壁處為最大值。內(nèi)外壓容器受壓元件分析筒壁三向應(yīng)力中，以周向應(yīng)力最大，內(nèi)壁處達(dá)最大值，外壁處為最小值，內(nèi)外壁處的應(yīng)力差值隨K=Do/Di增大而增大。當(dāng)K=1.5時(shí)，由薄壁公式按均勻分布假設(shè)計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力值比按拉美公式計(jì)算的圓筒內(nèi)壁處的最大環(huán)向應(yīng)力要偏低23%，存在較大的計(jì)算誤差。

由于薄壁公式形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便、適于工程應(yīng)用。為了解決厚壁筒時(shí)薄壁公式引起的較大誤差，由此采取增大計(jì)算內(nèi)徑，以適應(yīng)增大應(yīng)力計(jì)算值的要求。內(nèi)外壓容器受壓元件分析為此將圓筒計(jì)算內(nèi)徑改為中徑，即以（Di+δ）代替Di代入薄壁內(nèi)徑公式中，則有：

經(jīng)變形得：δ（2σθ－pc

）=pc·Di當(dāng)σθ控制在

，且考慮接頭系數(shù)時(shí)，即σθ取

時(shí)，則

此即GB150中的內(nèi)壓圓筒公式，稱(chēng)中徑公式。內(nèi)外壓容器受壓元件分析

當(dāng)K=1.5時(shí)，按此式計(jì)算的應(yīng)力與拉美公式計(jì)算的最大環(huán)向應(yīng)力僅偏小3.8%。完全滿足工程設(shè)計(jì)要求。4）公式計(jì)算應(yīng)力的意義

一次總體環(huán)向薄膜應(yīng)力，控制值[σ]。

內(nèi)外壓容器受壓元件分析5）焊接接頭系數(shù)

—指縱縫接頭系數(shù)6）二次應(yīng)力

當(dāng)圓筒與半球形封頭、橢圓形封頭連接時(shí)二次應(yīng)力很小，能自動(dòng)滿足3[σ]的強(qiáng)度條件，故可不予考慮。內(nèi)外壓容器受壓元件分析2.球殼

1）應(yīng)力狀況：各向薄膜應(yīng)力相等2）厚度計(jì)算式：

稱(chēng)中徑公式。

適用范圍：

等價(jià)于K≤1.3533）公式來(lái)由：同圓筒軸向應(yīng)力作用情況內(nèi)外壓容器受壓元件分析4）計(jì)算應(yīng)力的意義：一次總體、薄膜應(yīng)力（環(huán)向、經(jīng)向）控制值：

5）焊縫接頭系數(shù)：指所有拼縫接頭系數(shù)（縱縫、環(huán)縫）。注意:包括球封與圓筒的連接環(huán)縫系數(shù)。內(nèi)外壓容器受壓元件分析6）與圓筒的連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)GB150附錄J圖J1（d）、（e）、（f）。

原則：不能削薄圓筒，局部加厚球殼。7）二次應(yīng)力當(dāng)半球形封頭與圓筒連接時(shí)二次應(yīng)力很小，能自動(dòng)滿足3[σ]的強(qiáng)度條件，故可不予考慮。內(nèi)外壓容器受壓元件分析3.橢圓封頭A、內(nèi)壓作用下1）應(yīng)力狀況

a.薄膜應(yīng)力

內(nèi)外壓容器受壓元件分析a)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭薄膜應(yīng)力分布經(jīng)向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在頂點(diǎn)。環(huán)向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在頂點(diǎn)，最大壓應(yīng)力在底邊。b)變形特征：趨圓。c)計(jì)算對(duì)象意義：拉應(yīng)力——強(qiáng)度計(jì)算壓應(yīng)力——穩(wěn)定控制內(nèi)外壓容器受壓元件分析b.彎曲應(yīng)力（與圓筒連接）

a)變形協(xié)調(diào)，形成邊界力。b)產(chǎn)生二次應(yīng)力內(nèi)外壓容器受壓元件分析c.橢圓封頭的應(yīng)力：薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力。最大應(yīng)力的發(fā)生部位、方向、組成。內(nèi)外壓容器受壓元件分析d.形狀系數(shù)K的意義K為封頭上的最大應(yīng)力與對(duì)接圓筒中的環(huán)向薄膜應(yīng)力的比值，

K分布曲線可回歸成公式：不同a/b的K見(jiàn)GB150表7-1。標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K=1。內(nèi)外壓容器受壓元件分析2）計(jì)算公式

近似可理解為圓筒厚度的K倍.3）焊縫接頭系數(shù)

指拼縫，但不包括橢封與圓筒的連接環(huán)縫的接頭系數(shù)。內(nèi)外壓容器受壓元件分析4）內(nèi)壓穩(wěn)定a.a/b≯2.6限制條件b.防止失穩(wěn)，限制封頭最小有效厚度：

a/b≤2即K≤1δmin≥0.15%Dia/b

＞2即K＞1δmin≥0.30%Di內(nèi)外壓容器受壓元件分析B.外壓作用下1）封頭穩(wěn)定計(jì)算是以薄膜應(yīng)力為對(duì)象的a.變形特征：趨扁。b.計(jì)算對(duì)象：

過(guò)渡區(qū)——不存在穩(wěn)定問(wèn)題。

封頭中心部分——“球面區(qū)”有穩(wěn)定問(wèn)題。c.計(jì)算意義:按外壓球殼。

當(dāng)量球殼：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭；

當(dāng)量球殼計(jì)算外半徑：Ro=0.9DoDo——封頭外徑內(nèi)外壓容器受壓元件分析2）對(duì)對(duì)接圓筒的影響外壓圓筒計(jì)算長(zhǎng)度L的意義——L為兩個(gè)始終保持圓形的截面之間的距離。橢圓封頭曲面深度的1/3處可視為能保持圓形的截面。為此由兩個(gè)橢圓封頭與圓筒相連接的容器，該圓筒的外壓計(jì)算長(zhǎng)度L=圓筒長(zhǎng)度+兩個(gè)橢圓封頭的直邊段長(zhǎng)度+兩倍橢圓封頭曲面深度的1/3。內(nèi)外壓容器受壓元件分析3）圓筒失穩(wěn)特點(diǎn)a.周向失穩(wěn)（外壓作用）圓形截面變成波形截面，波數(shù)n從2個(gè)波至多個(gè)波。n=2稱(chēng)長(zhǎng)圓筒，n＞2稱(chēng)短圓筒。b.軸向失穩(wěn)（軸向力及彎矩作用）塔在風(fēng)彎、地震彎矩和重力載荷作用下的失穩(wěn)。軸線由直線變成波折線。內(nèi)外壓容器受壓元件分析c.外壓圓筒計(jì)算系數(shù)A—外壓圓筒臨界失穩(wěn)時(shí)的周向壓縮應(yīng)變，與材料無(wú)關(guān)，只與結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)（查圖6—2）。B—外壓圓筒許用的周向壓縮應(yīng)力的2倍，與材料彈性模量有關(guān)（查圖6—3至圖6—10）。d.外壓圓筒許用外壓的計(jì)算D0×L×P=2δe×B/2×LD0×P=δe×B[P]=δe×B/D0=B/(D0/δe)—GB150式（6—1）內(nèi)外壓容器受壓元件分析e.外壓圓筒的計(jì)算外壓圓筒既有穩(wěn)定問(wèn)題又有壓縮強(qiáng)度問(wèn)題?！獙?duì)D0/δe≥20的圓筒通常只有穩(wěn)定問(wèn)題，為此僅需按穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，GB150中（6-1）式、（6-2）式即是。（6-2）式是指在彈性階段時(shí)的計(jì)算式?！獙?duì)D0/δe＜20的圓筒穩(wěn)定問(wèn)題和壓縮強(qiáng)度問(wèn)題并存，為此需按穩(wěn)定和強(qiáng)度分別進(jìn)行計(jì)算，GB150中（6-4）式中前一項(xiàng)即是按穩(wěn)定計(jì)算的許用外壓力，第二項(xiàng)即是按壓縮強(qiáng)度計(jì)算的許用外壓力。內(nèi)外壓容器受壓元件分析——對(duì)D0/δe＜4的圓筒，其外壓失穩(wěn)都為長(zhǎng)圓筒形式，故失穩(wěn)時(shí)的臨界應(yīng)變A都直接按長(zhǎng)圓筒計(jì)算，（6—3）式即是。4.碟形封頭受力、變形特征，應(yīng)力分布，穩(wěn)定，控制條件與橢封相似，只不過(guò)形狀系數(shù)由K（橢封）改為M。內(nèi)容從略.內(nèi)外壓容器受壓元件分析5.錐形封頭1)薄膜應(yīng)力狀態(tài)a.計(jì)算模型：當(dāng)量圓筒。應(yīng)力狀況與圓筒相似。同處的環(huán)向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的兩倍，但不同直徑處應(yīng)力不同。內(nèi)外壓容器受壓元件分析b.計(jì)算公式：

式中Dc——計(jì)算直徑內(nèi)外壓容器受壓元件分析c.計(jì)算應(yīng)力的意義一次、總體（大端）環(huán)向薄膜應(yīng)力，控制值。d.焊縫接頭系數(shù)

指錐殼縱縫的接頭系數(shù)。內(nèi)外壓容器受壓元件分析2）彎曲應(yīng)力狀態(tài)（發(fā)生于與圓筒連接部位）a.變形協(xié)調(diào)，產(chǎn)生邊界力，可引起較大邊緣應(yīng)力，即二次應(yīng)力，需考慮。b.錐殼端部的應(yīng)力：由薄膜應(yīng)力+邊緣應(yīng)力組成。大端：最大應(yīng)力為縱向（軸向）拉伸薄膜應(yīng)力+軸向彎曲拉伸應(yīng)力組成。小端：起控制作用的應(yīng)力為環(huán)向（局部）薄膜應(yīng)力。內(nèi)外壓容器受壓元件分析c.大、小端厚度的確定。

a)大端：當(dāng)軸向總應(yīng)力超過(guò)時(shí)，（由查圖7-11確定），則需另行計(jì)算厚度，稱(chēng)大端加強(qiáng)段厚度。計(jì)算公式：

其中：Q稱(chēng)應(yīng)力增值系數(shù)，體現(xiàn)了邊緣應(yīng)力的作用，并將許用應(yīng)力控制值放寬至

。內(nèi)外壓容器受壓元件分析b)小端：當(dāng)環(huán)向局部薄膜應(yīng)力超過(guò)（由查圖7-13確定）時(shí)，則需另行計(jì)算厚度，稱(chēng)小端加強(qiáng)段厚度。計(jì)算公式：

其中：Q也稱(chēng)應(yīng)力增值系數(shù)，其中體現(xiàn)邊界力作用引起的局部環(huán)向薄膜應(yīng)力，并將許用應(yīng)力控制值調(diào)至

。內(nèi)外壓容器受壓元件分析d.加強(qiáng)段長(zhǎng)度a)錐殼大端加強(qiáng)段長(zhǎng)度L1：

與之相接的圓筒也同時(shí)加厚至δr，稱(chēng)圓筒加強(qiáng)段其最小長(zhǎng)度

大端加強(qiáng)段長(zhǎng)度的意義——當(dāng)量圓筒在均布邊界力作用下，圓筒中軸向彎曲應(yīng)力的衰減長(zhǎng)度。內(nèi)外壓容器受壓元件分析b)錐殼小端加強(qiáng)段長(zhǎng)度L1

與之相接的圓筒也同時(shí)加厚至δr，稱(chēng)圓筒加強(qiáng)段，其最小長(zhǎng)度

。小端加強(qiáng)段長(zhǎng)度的意義——當(dāng)量圓筒在均布邊界力作用下圓筒中局部環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減長(zhǎng)度。內(nèi)外壓容器受壓元件分析c)錐殼大小端加強(qiáng)段長(zhǎng)度比較

略去大端與小端直徑的差異，大端軸向彎曲應(yīng)力的衰減長(zhǎng)度約為小端環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減長(zhǎng)度的

倍（1.414倍）。內(nèi)外壓容器受壓元件分析e.焊縫接頭系數(shù)

大端指

小端指之小者應(yīng)注意：錐殼加強(qiáng)段厚度δr計(jì)算中的

與錐殼厚度δ計(jì)算中的

是不同的。內(nèi)外壓容器受壓元件分析3)折邊錐形封頭

當(dāng)錐殼大端加強(qiáng)段厚度較大時(shí)，可采用帶折邊結(jié)構(gòu)。它將大大緩和其軸向彎曲應(yīng)力，此時(shí)錐形封頭帶折邊的大端，按當(dāng)量碟形封頭計(jì)算。

對(duì)錐形封頭小端帶折邊的結(jié)構(gòu)，其對(duì)減小環(huán)向薄膜應(yīng)力作用不明顯，為此對(duì)α≤45°時(shí)計(jì)算與無(wú)折邊相同。對(duì)α＞45°時(shí)，Q查圖（7—5）。內(nèi)外壓容器受壓元件分析6.圓平板1)應(yīng)力狀況：

兩向彎曲應(yīng)力，徑向、環(huán)向彎曲應(yīng)力。2)兩種極端邊界支持條件a.簡(jiǎn)支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)不受約束，σmax在板中心，徑向彎曲應(yīng)力與環(huán)向彎曲應(yīng)力相等。內(nèi)外壓容器受壓元件分析b.固支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)受絕對(duì)約束（等于零），σmax在板邊緣，為徑向彎曲應(yīng)力。c.螺栓墊片聯(lián)接的平蓋：

按簡(jiǎn)支圓板處理，σmax在板中心。內(nèi)外壓容器受壓元件分析四、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)1.殼和板的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則。a.殼（內(nèi)壓）的補(bǔ)強(qiáng)

——拉伸強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)，等面積補(bǔ)強(qiáng)。b.板的補(bǔ)強(qiáng)

——彎曲強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)，半面積補(bǔ)強(qiáng)。c.殼（外壓）的補(bǔ)強(qiáng)

——彎曲強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)，半面積補(bǔ)強(qiáng)。內(nèi)外壓容器受壓元件分析2.等面積補(bǔ)強(qiáng)法。補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算對(duì)象是薄膜應(yīng)力，未計(jì)及開(kāi)孔邊緣的二次應(yīng)力（彎曲應(yīng)力等）。大開(kāi)孔時(shí)，由于孔邊出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力，故不適用大開(kāi)孔。內(nèi)外壓容器受壓元件分析圖中a,b,c三孔，由于“計(jì)算直徑”相同，從等面積補(bǔ)強(qiáng)來(lái)講，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)面積是一樣的，但孔邊的應(yīng)力集中相差很大。在A點(diǎn)，a孔

K=4.5b孔

K=2.5c孔

K=1.5所以圓筒上的長(zhǎng)孔，應(yīng)使長(zhǎng)軸垂直筒體軸線。內(nèi)外壓容器受壓元件分析為此GB150中，對(duì)等面積補(bǔ)強(qiáng)法：※限制長(zhǎng)圓孔長(zhǎng)短徑之比a/b≤2，是為了控制孔邊的應(yīng)力集中；※限制開(kāi)孔率（d/D）≤0.5，是為了控制孔邊出現(xiàn)過(guò)大的彎曲應(yīng)力。內(nèi)外壓容器受壓元件分析1)開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A

A=dδ+2δetδ(1-fr)d——開(kāi)孔計(jì)算直徑，d=di+2cδ——開(kāi)孔計(jì)算厚度，開(kāi)孔部位按公式計(jì)算的厚度。dδ——?dú)んw開(kāi)孔喪失的承受強(qiáng)度的面積。2δetδ(1-fr)——由于接管材料強(qiáng)度低于筒體時(shí)所需另行補(bǔ)償?shù)拿娣e。內(nèi)外壓容器受壓元件分析內(nèi)外壓容器受壓元件分析2）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍

a.殼體：B=2d意義：受均勻拉伸的開(kāi)小孔大平板，孔邊局部應(yīng)力的衰減范圍。b.接管：

意義：圓柱殼在端部均布力作用下，殼中環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減范圍（同錐殼小端加強(qiáng)段長(zhǎng)度的意義）。內(nèi)外壓容器受壓元件分析3.d，δ的確定。1)da.圓筒：縱向截面上的開(kāi)孔直徑內(nèi)外壓容器受壓元件分析b.球殼：較大直徑c.橢封，碟封，同球殼d.錐殼：同圓筒。內(nèi)外壓容器受壓元件分析2)δa.圓筒：按δb.球殼：按δc.橢圓封頭：過(guò)渡區(qū)δ取封頭計(jì)算厚度，球面區(qū)δ取球面當(dāng)量球殼計(jì)算厚度。標(biāo)準(zhǔn)橢封當(dāng)量球殼半徑Ri=0.9Di內(nèi)外壓容器受壓元件分析d.碟形封頭：周邊r部位開(kāi)孔，δ取封頭計(jì)算厚度中心R部位開(kāi)孔，δ取球殼計(jì)算厚度。內(nèi)外壓容器受壓元件分析e.錐形封頭δ取開(kāi)孔中心處計(jì)算直徑2R的計(jì)算厚度。內(nèi)外壓容器受壓元件分析4.各種殼元件上開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算參數(shù)（d，δ）開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A=dδ+2δetδ(1-fr)元件開(kāi)孔部位dδ圓筒任意沿筒體軸向開(kāi)孔直徑圓筒計(jì)算厚度球殼任意較大直徑球殼計(jì)算厚度橢封球面區(qū)較大直徑當(dāng)量球殼計(jì)算厚度過(guò)渡區(qū)封頭計(jì)算厚度碟封球面區(qū)較大直徑球殼計(jì)算厚度封頭計(jì)算厚度過(guò)渡區(qū)錐封任意沿錐殼母線長(zhǎng)度方向開(kāi)孔直徑錐殼計(jì)算厚度（按開(kāi)孔中心處對(duì)應(yīng)的錐殼直徑計(jì)）球冠形封頭球面區(qū)較大直徑球殼計(jì)算厚度加強(qiáng)段加強(qiáng)段計(jì)算厚度內(nèi)外壓容器受壓元件分析內(nèi)外壓容器受壓元件分析5.壓力面積法內(nèi)外壓容器受壓元件分析6.等面積法與壓力面積法比較等面積法：筒體上的補(bǔ)強(qiáng)范圍壓力面積法：筒體上的補(bǔ)強(qiáng)范圍

對(duì)小直徑低壓容器

↓，若開(kāi)大孔

↑，則，等面積法的補(bǔ)強(qiáng)范圍大于壓力面積法。所以筒體上多余面積可利用較多，則另行補(bǔ)強(qiáng)面積就可少（補(bǔ)強(qiáng)板可小）。反之（對(duì)于大直徑容器

↑，如開(kāi)孔↓），則相反。內(nèi)外壓容器受壓元件分析7．大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)1)大開(kāi)孔邊緣的應(yīng)力

a.局部薄膜應(yīng)力σmb.彎曲應(yīng)力σb

σm≈σb所以大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)不能忽略彎曲應(yīng)力的作用。內(nèi)外壓容器受壓元件分析2)大開(kāi)孔邊緣的彎矩a.ASME給出的繞圓筒母線的彎矩b.

圓筒雙向倍值拉伸引起的彎矩c.接管與圓筒在壓力作用自由變形差引起的邊緣彎矩內(nèi)外壓容器受壓元件分析左半個(gè)圓筒上的力對(duì)1-1截面的彎矩所以圓筒在壓力作用下只有薄膜應(yīng)力，沒(méi)有彎曲應(yīng)力，處薄膜應(yīng)力狀態(tài)。但開(kāi)孔接管后，接管直徑范圍內(nèi)壓力軸向作用產(chǎn)生的軸向力，作用到接管壁上與原開(kāi)孔前壓力作用位置發(fā)生變化，由此引起2-2截面的彎矩差

。內(nèi)外壓容器受壓元件分析內(nèi)外壓容器受壓元件分析內(nèi)外壓容器受壓元件分析內(nèi)外壓容器受壓元件分析3)大開(kāi)孔邊緣承受彎矩的范圍只與圓筒

有關(guān)，與接管直徑關(guān)系不大。4)大開(kāi)孔邊緣的彎曲應(yīng)力不允忽略，小開(kāi)孔邊緣可不計(jì)?？走厪澗?/p>

和

隨r↑大幅增加，但圓筒承受此彎矩的范圍

不與r相關(guān)，保持不變，所以彎曲應(yīng)力會(huì)很大。小開(kāi)孔時(shí)，r↓，

↓

↓，而承受彎矩的范圍仍為

，所以彎曲應(yīng)力很小，可不計(jì)。內(nèi)外壓容器受壓元件分析5)大開(kāi)孔邊緣應(yīng)力的精確計(jì)算a.解析法：

GB150中的方法，具有國(guó)際水平。b.數(shù)值法：

有限元分析，工程中常用。

特點(diǎn)：快捷簡(jiǎn)便。內(nèi)外壓容器受壓元件分析c.解析法的等效應(yīng)力校核1）計(jì)算圓筒和接管的中面直徑；2）計(jì)算3）查圖確定Km，K；4）（局部薄膜應(yīng)力）

（局部薄膜+彎曲應(yīng)力）5）評(píng)定6）不滿足，調(diào)整和，直至滿足。內(nèi)外壓容器受壓元件分析6）大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)1）采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)：優(yōu)先采用厚壁管或加厚筒節(jié)，整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件；2）不允許采用補(bǔ)強(qiáng)圈（彎曲應(yīng)力作用下，補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體不能成一實(shí)體，組合截面抗彎能力不能與等同厚度的筒體相當(dāng)）；3）厚壁管長(zhǎng)度（衰減長(zhǎng)度）加厚筒節(jié)長(zhǎng)度4）對(duì)接管與筒體的連接焊縫必須全截面焊透，并進(jìn)行超聲檢測(cè)，特別對(duì)“肩部”焊縫重點(diǎn)檢測(cè)。具體要求見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)外壓容器受壓元件分析五、法蘭1.法蘭聯(lián)接設(shè)計(jì)包括墊片、螺栓、法蘭三部分。2.墊片設(shè)計(jì)1)墊片寬度a.接觸寬度Nb.壓緊寬度boc.有效密封寬度b內(nèi)外壓容器受壓元件分析2)墊片比壓力墊片在預(yù)緊時(shí)，為了消除法蘭密封面與墊片接觸面間的縫隙，需要施加于墊片單位有效密封面積上的最小壓緊力，稱(chēng)為墊片的比壓力。3)墊片系數(shù)墊片在操作時(shí)，為保持密封，需要施加于墊片單位有效密封面積上的最小壓緊力與內(nèi)壓力的比值，稱(chēng)為墊片系數(shù)。4)墊片合理設(shè)計(jì)的原則，應(yīng)使墊片在予緊和操作兩種狀態(tài)下所需的壓緊力盡可能?。▔|片力?。?nèi)外壓容器受壓元件分析3.螺栓設(shè)計(jì)※關(guān)鍵——應(yīng)使螺栓中心圓直徑盡可能?。Ρ坌。?.法蘭設(shè)計(jì)1)法蘭的應(yīng)力σH——軸向應(yīng)力σR——徑向應(yīng)力σT——環(huán)向應(yīng)力內(nèi)外壓容器受壓元件分析2）法蘭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵※應(yīng)使法蘭三個(gè)計(jì)算應(yīng)力盡量接近相應(yīng)的許用應(yīng)力；趨滿應(yīng)力狀態(tài)。內(nèi)外壓容器受壓元件分析5、Waters法與ASME法蘭剛度計(jì)算法的分析比較內(nèi)外壓容器受壓元件分析1）Waters法的假定與存在的問(wèn)題國(guó)際上較為通行的壓力容器法蘭設(shè)計(jì)方法當(dāng)屬Waters法。該法于1937年提出，其對(duì)法蘭計(jì)算模型作了以下簡(jiǎn)化。法蘭的應(yīng)力由3部分組成：（1）法蘭力矩產(chǎn)生的應(yīng)力；（2）由壓力直接作用于組成法蘭的三部分（直邊段、錐頸、法蘭環(huán)）上引起的軸向和環(huán)向應(yīng)力（法蘭環(huán)上可忽略）；（3）由組成法蘭的三部分間由于壓力作用下變形協(xié)調(diào)引起的邊界力產(chǎn)生的應(yīng)力。

內(nèi)外壓容器受壓元件分析

法蘭受載情況見(jiàn)下圖，法蘭應(yīng)力只考慮了圖1（a）中的法蘭力矩的作用。實(shí)際上由壓力在法蘭直邊段中產(chǎn)生的應(yīng)力并非很小。對(duì)于平焊法蘭來(lái)說(shuō)，其直邊段厚度即為與法蘭對(duì)接的圓筒的厚度。此厚度按內(nèi)壓圓筒計(jì)算。內(nèi)壓圓筒計(jì)算此壁厚時(shí)，將其環(huán)向薄膜應(yīng)力控制在一倍筒體材料的許用應(yīng)力[σ]，此時(shí)圓筒中的軸向薄膜應(yīng)力

即達(dá)0.5[σ]。這軸向應(yīng)力

相比法蘭力矩在法蘭錐頸上引起的法蘭軸向彎曲應(yīng)力

（按標(biāo)準(zhǔn)控制1.5[σ]），可見(jiàn)

≈

/3，故

已非小量。同時(shí)因

為一次總體薄膜應(yīng)力，而

又為一次彎曲應(yīng)力。即法蘭錐頸小端的總軸向應(yīng)力為

。根據(jù)塑性力學(xué)的極限設(shè)計(jì)原理：。而Waters法中已將控制至1.5[σ]，為此是不合理的。內(nèi)外壓容器受壓元件分析內(nèi)外壓容器受壓元件分析

由Waters法所計(jì)算的法蘭應(yīng)力比由有限元分析所得的應(yīng)力要小1／3，其撓度則小一半。就此說(shuō)明Waters法在簡(jiǎn)化中略去了（2）的作用，對(duì)平焊法蘭的設(shè)計(jì)會(huì)造成很大的影響。因此按此設(shè)計(jì)的法蘭可能因變形較大，引起密封的泄漏問(wèn)題，為此，ASME標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該法提出了補(bǔ)充進(jìn)行剛度計(jì)算的要求。

2