压力容器审核人员培训教材第四部分.ppt

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压力容器设计审批人培训,（四）济南石油化工设计院黄泓电话：

0531-88576125，13626411112电子邮箱：

二一二年十一月,内容简介,GB150.3-2011压力容器第3部分：

设计第5、6章一、封头二、开孔和开孔补强,一、封头,压力容器常用的封头有凸形封头、锥形封头、偏心锥壳、变径段、平盖、和紧缩口。

其中凸型封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。

偏心锥壳,1.椭圆封头A、内压作用下1）应力状况a.薄膜应力（两向应力作用，纬（环）向、经向）a）标准椭圆封头薄膜应力分布：

经向薄膜应力分布情况,环向薄膜应力分布情况,经向应力：

最大应力在顶点。

环向应力：

最大拉应力在顶点，最大压应力在底边。

b）变形特征：

趋圆。

c）计算对象意义：

拉应力强度计算压应力稳定控制b.弯曲应力（与圆筒连接）a）变形协调，形成边界力。

b）产生二次应力。

边缘应力：

d.形状系数K的意义K为封头上的最大应力与对接圆筒中的环向薄膜应力的比值，,K分布曲线可回归成公式：

不同a/b的K见GB150.3第117页表5-1。

标准椭圆封头K=1。

边缘应力的特性,由边缘力和边缘力矩引起的边缘力具有以下两个特点：

（1）局限性

（2）自限性,2）计算公式因K为封头上的最大应力与对接圆筒中的环向薄膜应力的比值，则封头计算厚度为对接圆筒计算厚度的K倍。

又圆筒壁厚为等径球壳壁厚的2倍，故有椭圆形封头厚度：

=K圆筒2K球壳,近似可理解为圆筒厚度的K倍。

3）焊接接头系数。

指拼缝，但不包括椭封与圆筒的连接环缝的接头系数。

4）内压作用下的稳定：

a.a/b2.6是GB150.3（表5-1）限制条件，（当a/b2.5时，最大应力发生在过渡区外壁，且为周向压缩应力。

）即是为了限制压缩应力值，防止易发生的弹性失稳。

b.防止失稳，限制封头最小有效厚度：

a/b2，即K1min0.15%Dia/b2，即K1min0.30%Di,B外压作用下：

1）封头稳定以薄膜应力为对象计算：

a.变形特征：

封头长轴伸长，短轴缩短趋扁。

b.计算对象长轴伸长使过渡区的圆周直径增大，周长伸长，在周向产生拉应力，为此过渡区不存在稳定问题。

封头中心部分“球面区”会产生周向和经向的压缩应力，为此存在失稳问题。

c.计算意义，按外压球壳。

当量球壳：

对标准椭圆封头；当量球壳计算外半径：

Ro=0.9Do。

Do封头外径。

2）对对接圆筒的影响。

外压圆筒计算长度L的意义：

L为两个始终保持圆形的刚性截面之间的距离。

椭圆封头曲面深度的1/3处可视为能保持圆形的截面，为此由两个椭圆封头与圆筒相连接的容器，该圆筒的外压计算长度L=圆筒长度+两个椭圆封头的直边段长度+两倍椭圆封头曲面深度的1/3。

2.碟形封头受力、变形特征，应力分布，稳定，控制条件与椭圆封头相似，只不过形状系数由K（椭封）改为M。

1）组成：

中间是球壳加边缘环壳，直边段圆筒构成。

各处结构不连续，是拼凑的旋转壳体，所以应力分布存在局部突变。

2）应力状态：

主要是两向应力，即周向应力和经向应力，结构不连续区存在着局部的不连续因变形协调而产生的应力，是由薄膜应力和弯曲应力组成。

（1）薄膜应力分布对于与标准椭圆封头具有相似外形（相同直径与高度）的碟形封头，由薄膜理论可以得到内压作下封头的应力分布如图见下图,经向应力在封头球面部分呈均匀分布，为拉伸薄膜应力，至过渡区（环壳）应力逐渐减小，到达封头底边时应力降至一半，与对接圆筒的轴向应力相等。

封头上的周向应力在封头球面部分亦均匀分布，为拉伸薄膜应力，数值与经向应力相等。

封头过渡区（环壳）上的周向应力为压缩薄膜应力，在球壳与环壳的连接点处压应力最大，沿经向至底边压应力逐渐减小，在底边处为最小值。

（2）边缘影响及边缘应力两处边界，圆筒与环壳对接的边界1，环壳与球壳对接的边界2见下图,碟形封头中边界力作用示意图,3）r/Ri对碟形封头应力的影响：

a.当r/Ri较小时（0.16）边界2上的作用力对整个封头中的应力起很大的影响。

b.当r/Ri0.16时，M值受其影响很小，这是整个封头仅受边界1（即封头底边）的影响，其受力情况已与椭圆封头相近了。

4）变形特征：

内压作用下有趋圆特征，存在着失稳可能。

封头上周向压缩应力随其Ri/r的增大而加剧，从而很容易发生失稳，GB150.3（表5-3）对Ri/r不超过10，即是基于这种考虑的。

外压过渡区不存在失稳，“趋扁”；仅对球面部分进行外压计算。

3.球冠形封头一）内压作用

（1）与筒体的连接方式通常是部分球壳与圆筒连接

（2）边缘问题及应力分布情况球冠和圆筒的连接部位受边界力等作用，在原薄膜应力的基础引起附加的径向、周向弯曲应力及局部薄膜应力。

根据应力分析表明：

它们的最大应力发生在连接处边缘，且为径向应力，其中弯曲应力占相当的比重。

球冠封头受力作用示意图,（3）厚度计算公式该式去除Q后即为内压圆筒厚度计算式。

上述球冠形封头的应力受边界力的影响及其许用应力的调整（放宽至3），是通过系数Q来体现的。

Q应根据结构参数（球冠内半径Ri与封头内直径Di之比）和压力参数按相应曲线查取。

（GB150.3图5-5图5-7）,（4）圆筒加强段,球冠形封头的计算方法系由解析法应力分析得出，分析中设定圆筒取与球冠等厚。

由于该计算厚度大于内压圆筒计算厚度，从经济性考虑，圆筒通常仅设一段与球冠等厚的短节，称为加强段。

加强段最小长度根据圆筒端部局部应力的衰减范围确定。

球冠形封头的厚度计算中是经向弯曲应力起控制作用，对应地圆筒也是轴向弯曲应力起控制作用，故其加强段长度按圆柱壳在均布边界力作用下的弯曲应力的衰减长度考虑，最小长度取。

二）外压作用球冠封头受外压的厚度，应满足按内压和外压稳定计算厚度，取两者的大值。

三）两侧受压当不能保证在任何情况下封头两侧的压力都同时作用时，封头厚度应按两种情况计算，取其大值。

只考虑凹面受压，计算厚度按第3章内压球壳确定，Q值由图56查取；只考虑凸面受压，计算厚度按第4章外压球壳确定，Q值由图57查取，此外还应按不应小于按5.5.2确定的有效厚度。

5.锥形封头,1）锥形封头分无折边锥形封头和折边锥形封头两种。

锥壳是锥形封头的主体。

锥壳计算与其半顶角有关。

半顶角小的锥壳，在压力作用下受力与圆柱壳相类似，主要以薄膜应力承载，且环向应力与轴向应力也有2倍的关系，所以计算可按当量圆筒进行。

对半顶角较大的锥壳，压力作用下的受力与圆平板相接近，主要以弯曲应力承载，所以计算按圆平板进行。

GB150.3规定：

锥壳半顶角60时按当量圆筒计算，大于60时按圆板计算（或应力分析）。

对于以薄膜应力承载的锥壳，其壁厚按当量圆筒计算。

但在锥壳与相邻圆筒连接部位由于变形协调引起的附加应力的作用尚需另行考虑。

附加应力的大小与锥壳半顶角大小直接相关。

半顶角较小时，锥壳与圆筒连接处变形协调产生的附加应力很小，不会影响锥壳的计算厚度。

但半顶角较大时，其边界力和由此引起的附加应力会大大增加，为此导致加厚锥壳与圆筒连接部位的厚度。

当锥壳半顶角更大时，因边界力急剧增大会导致很大的厚度，从经济性出发，宜在锥壳端部增设一过渡圆弧段（环壳），其作用类似碟形封头的过渡圆弧段，从而大大缓和锥壳端部的局部附加应力，此时锥形封头称折边锥形封头，且有大端折边与小端折边之分。

为有效缓解锥壳与圆筒间的附加应力，对折边的过渡段转角半径须有一定要求。

关于折边结构GB150.3规定：

锥壳大端，当半顶角30时，可采用无折边结构；当45时，大端应采用带过渡段的折边结构。

当60时，大端和小端均应采用带过渡段的折边结构。

大端折边锥壳的过渡段转角半径r应不小于封头大端内直径的10%，且3r；小端折边锥壳的过渡段转角半径r应不小于封头大端内直径的5%，且不小于该过渡段厚度的3倍。

对锥壳小端，当锥壳半顶角45时，可采用无折边结构。

当45时，应采用带过渡段的折边结构。

小端折边锥壳的过渡段转角半径r应不小于封头小端内直径的5，且不小于该过渡段厚度的3倍。

2）锥壳计算公式=Dc锥壳大端内径；DcCos当量圆筒的内径。

上式实为内压圆筒的厚度计算式。

式中焊接接头系数是指承受环向薄膜应力的接头系数，为此应为锥壳纵缝接头系数。

3）锥壳加强段,锥壳加强段有大端与小端之分。

（1）锥壳大端加强段当锥壳半顶角较大时，因锥壳与相接圆筒间产生较大的边界力并引起较大的附加应力，使锥壳大端应力增大，由此需要的锥壳加强段厚度为r:

式中Q称应力增值系数，按GB150.3相关曲线查取（图5-1112）。

式中焊接接头系数是指锥壳与圆筒连接环缝的接头系数,

（2）大端加强段长度,加强段应有足够的长度。

由于在此是锥壳轴向弯曲应力起控制作用，为此锥壳大端加强段长度应以锥壳（当量圆筒）局部轴向弯曲应力的衰减长度考虑，其最小长度应不少于。

与之相接的圆筒加强段最小长度取圆筒局部轴向弯曲应力的衰减长度，应不少于。

其中：

DiL锥壳大端直边段内直径,（3）锥壳小端加强段,在锥壳半顶角稍大时，锥壳小端与圆筒连接处往往会引起较大的环向局部薄膜应力，由此需要对锥壳小端和与之相接的圆筒同时进行加强，加强段厚度均为r：

式中Q也为应力增值系数，但与大端加强段厚度计算公式中的是不同的两个系数，应按GB150.3的图5-14查取。

式中焊接接头系数应计及锥壳小端与圆筒连接处所有承受环向局部薄膜应力的诸焊缝的接头系数，且取其小者。

为此该接头系数应包括锥壳纵焊缝、圆筒纵焊缝和锥壳小端与圆筒连接环缝三条焊缝的接头系数，并取较小者。

（4）小端加强段长度,加强段应有足够的长度。

由于在此是锥壳局部环向薄膜应力起控制作用，为此锥壳小端加强段长度应以锥壳（当量圆筒）局部环向薄膜应力的衰减长度考虑，其最小长度应不少于。

与之相接的圆筒加强段最小长度取圆筒局部环向薄膜应力的衰减长度，应不少于。

焊接接头系数,大端指2小端指3、4、5之小者。

应注意，锥壳加强段厚度r计算中的与锥壳厚度计算中的是不同的。

5）折边锥壳,

（1）锥壳大端折边锥壳大端厚度按（GB150.3第128页）式518（过渡段厚度）、519（与过渡段相连处的锥壳厚度）计算，取其中的大值：

（见下图）a）过渡段厚度：

（518）K系数，根据及r/DiL值，查表56,b）与过渡段相接处的锥壳厚度：

式中：

f系数，,其值查表75,（519）,其值查表75,其值查表75,其值查表5-7,2）锥壳小端当锥壳半顶角45时，若采用折边，过渡段厚度按（510）计算，式中Q值由图514查取。

当锥壳半顶角45时，过渡段厚度仍按式（510）计算，但式中Q值由图515查取。

锥壳小端与筒体连接处是局部环向薄膜应力起控制作用，过渡段圆弧对改善此应力并不明显，因此小端无论是加强结构还是带折边结构，其计算方法相同，只是顶角不同时，Q的取值有不同的图来确定。

注意：

与过渡段相接的锥壳和圆筒的加强段厚度应与过渡段相同。

锥壳加强段的长度L1应不小于。

圆筒加强段的长度L应不小于。

（见下图）,加强段长度,加强段长度,3）折边锥壳的厚度当锥壳大端或大、小端同时具有过渡段时，应分别确定各部分的厚度。

若只取一种厚度组合时，应取各部分厚度中最大值。

5.7偏心锥壳适用于连接具有平行轴线两圆筒的非轴对称偏心锥壳（见下图），同时满足以下要求：

a）两筒体轴线间距L应不大于两筒体内直径差值的1/2b）对内压情况偏心锥壳与筒体间夹角大值130o，对于外压情况160o；,受内压偏心锥壳厚度计算a）锥壳半顶角取偏心锥壳与筒体间夹角1、2的大值;b）按5.6.3要求确定偏心锥壳厚度；c）按5.6.4.1要求确定偏心锥壳大端厚度；d）按5.6.4.2要求确定偏心锥壳小端厚度；e）取上述b）、c）、d）的大值作为偏心锥壳的厚度。

受外压偏心锥壳厚度计算受外压偏心锥壳的厚度确定、与圆筒连接处的外压加强设计参照5.6.6，锥壳半顶角分别取1、2进行设计，分别满足二者的要求并取大值作为偏心锥壳的厚度。

6.平盖1）应力状况：

两向弯曲应力，径向、环向弯曲应力。

2）两种极端边界支持条件。

a.简支：

圆板边缘的偏转不受约束，max在板中心，径向应力与环向应力相等。

b.固支：

圆板边缘的偏转受绝对约束（等于零），max在板边缘为径向应力。

c.螺栓垫片联接的平盖按简支圆板处理，max在板中心。

简支,在周边固支圆板中,加筋圆形平盖厚度加筋平盖厚度按下式计算，且平盖厚度值不小于6mm。

式中，当量直径d取d1和d2中较大者。

拉撑结构的设计方法,用于以棒材、管材或板材支撑（以下简称“拉撑”）的凸型封头、平封头（平板）及筒体的设计。

拉撑结构包括焊接与非焊接两种结构。

常用结构型式如表5-13。

受拉撑的板厚计算：

GB/T25198-2010压力容器封头简介,压力容器封头,二、开孔和开孔补强,强度削弱不连续应力局部应力焊接缺陷和残余应力,开孔接管部位的应力集中,本章规定适用于容器本体的开孔及其补强计算，包括等面积法和分析法。

等面积法适用范围：

适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。

当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0。

a）当圆筒内径Di1500mm时，开孔最大直径dopDi/2，且dop520mm；当圆筒内径Di1500mm时，开孔最大直径dopDi/3，且dop1000mm；b）凸形封头或球壳开孔的最大允许直径dopDi/2；c）锥形封头开孔的最大直径dopDi/3，Di为开孔中心处的锥壳内直径。

注：

开孔最大直径dop对椭圆形或长圆形开孔指长轴尺寸。

分析法适用范围本方法是根据弹性薄壳理论得到的应力分析法，用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计，其适用范围如下：

d0.9D且max0.5，d/Det/e2,分析法与等面积法适用的开孔率范围比较,不另行补强的最大开孔直径,壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：

a）设计压力p2.5MPa；b）两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和；对于3个或以上相邻开孔，任意两孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于该两孔直径之和的2.5倍；c）接管外径小于或等于89mm；d）接管壁厚满足表6-1要求；表中接管壁厚的腐蚀裕量为1mm,需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚。

e）开孔不得位于A、B类焊接接头上。

f）钢材的标准抗拉强度下限值Rm540MPa时,接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构形式。

开孔附近的焊接接头容器上的开孔宜避开容器焊接接头。

当开孔通过或邻近容器焊接接头时,则应保证在开孔中心的2dop范围内的接头不存在有任何超标缺陷。

开孔最大直径的限制,注意：

超范围时的解决方法,应力分析法,压力面积法（HG/T20582-2011）钢制化工容器强度计算规定第7章大开孔的补强计算7.1.1本章所述的开孔补强计算方法为压力面积法，适用于法向圆形开孔内径与壳体内径之比diDi超过GB150压力容器中的范围，但必须符合本标准第7.1.3条的范围要求，并且还必须满足本标准第7.1.4条中对结构、制造及使用场合的要求。

7.1.2本章适用于壳体承受内压的开孔补强，也可用于壳体承受外压的情况，承受外压时，可将外压作为内压，按承受内压的开孔补强方法进行补强计算。

7.1.3开孔直径及厚度的限制。

3、凸形封头上的开孔情况，须满足以下条件。

1）对于球形壳体和凸形封头有接管补强时（如本标准图7.4.18），其接管内径di与球壳或筒体外径Do之比：

doD。

0.6。

2）对于球形壳体和凸形封头采用凸缘环补强时（如本标准图7.4.1-5和图7.4.1-6），其凸缘环的内径di与球壳或筒体外径D。

之比：

doD。

0.6。

在我国，压力面积法尚不能作为合法的设计依据，当壳体开孔超出GB150.3规定时，该法只能参考使用。

有效补强范围,

（一）开孔削弱的面积,内压圆筒或球壳,外压圆筒或球壳,平盖（开孔直径d0.5Di时）,对安放式接管fr=1.0,

（二）补强金属面积,壳体,接管,焊缝,补强圈面积,接管方位,的确定,a.圆筒：

按b.球壳：

按c.椭圆封头：

过渡区取封头计算厚度，球面区，取球面当量球壳计算厚度。

标准椭封当量球壳半径Ri=0.9Did.碟形封头：

周边r部位开孔，取封头计算厚度中心R部位开孔，取球壳计算厚度。

e.锥形封头取开孔中心处计算直径2R的计算厚度。

外压容器的补强,外压壳体开孔补强所需面积A为下式：

A0.5dop+2et（1-fr）式中:

为壳体外压计算的有效厚度,其余计算同内压。

本式表明所需补强材料的面积等于壳体因开孔丧失的用来承受外压稳定所需材料的一半;对椭圆封头等不再对过渡区和球面进行区分。

平盖开孔补强,平盖不论承受内压还是外压,板中始终是弯曲应力,只有弯曲强度问题,不存在失稳问题,故其计算厚度方法两者是一致的,开孔补强计算方法也是一样的;开孔补强所需面积:

A=0.5doppp-平盖的计算厚度当开孔率大于0.5时:

受力与法兰接近,故其开孔补强按法兰或者反向法兰进行计算,壳体开孔，当采用补强圈补强时，应所遵循的原则,a.钢材的标准抗拉强度下限值b540MPab.补强圈厚度小于或等于1.5nc.壳体名义厚度n38mmd.容器的设计压力小于6.4MPae.容器的设计温度不大于350。

圆筒径向接管开孔补强设计的分析法给出了内压作用下圆筒具有径向平齐接管开孔补强设计的另一种方法，本计算方法是根据弹性薄壳理论得到的圆筒开孔补强的应力分析法，力学模型如下图。

在本方法涵盖的补强适用范围内，与前述等面积补强法具有同样的设计可靠性。

本计算方法可保守地用于带有径向内伸接管的补强计算。

两种等效的补强计算途径，根据需要可任择其一：

a）等效应力校核；b）补强结构尺寸设计。

有特殊要求（如核能装置中可按本标准进行设计的容器）的压力容器圆筒开孔补强计算，仅可采用等效应力校核方法。

对于内压与接管外载荷共同作用下的圆筒接管开孔补强计算分析方法，将另行单独发布。

小结,压力容器设计,正确选材,正确设计,正确制造,严格检验,按照规范要求,减少内应力,减少不连续应力,无损检测,保证焊缝质量,材料的韧性,