压力容器设计复习课件.ppt

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1、1,压力容器设计复习,潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院,基本概念,2,第一章 压力容器设计概论,压力容器设计复习,3,第一章 压力容器设计概论,这一章内容主要阐述了化工容器的特点，从安全性和经济性两方面分析了设计压力容器的基本要求，同时通过介绍压力容器质量保证体系这一重要概念，从而明确本课程的性质、对象、范围及方法。,4,第一章 压力容器设计概论,(1)明确本课程的主要任务和主要研究对象。(2)了解压力容器的应用特点和设计压力容器的基本要求。(3)充分认识压力容器建立质量保证体系的必要性并了解其基本内容。(4)一般了解国内外主要的压力容器规范。,1.1 基本要求,5,第一章 压力容器设计概

2、论,1.2 内容要点,(1)“压力容器设计”的任务是研究容器在压力、温度和化学介质等作用下的受力、变形和失效的规律，为合理设计容器截面形状和尺寸提供有关强度、刚度、稳定性分析和密封性的基本理论和方法。,6,第一章 压力容器设计概论,1.2 内容要点,(2)压力容器设计是以材料力学、机械零件、金属材料等课程为基础的一门专业主干课，因此学习本课程不仅要掌握压力容器的一般设计方法，重在掌握基本原理和设计思想，学会综合运用其他课程的基本理论和方法，全面考虑、分析和解决工程实际问题。,7,第一章 压力容器设计概论,1.2 内容要点,(3)压力容器的本身特点决定其安全性是核心问题，因此设计容器应当是以安全

3、为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命，即使容器满足强度、刚度和稳定性的要求，此外，材料消耗低，制造、操作、安装和维修方便等。,8,第一章 压力容器设计概论,1.2 内容要点,(4)压力容器的质量管理和质量保证体系是更严格意义上的安全性，它是近代系统工程学在压力容器领域中的应用，所以也称“压力容器安全系统工程”，它包括了安全监察、检验、设计制造、使用管理以及安全评估等方面。就一台容器而言，包括了设计、材料、制造与制造过程中的检验、在役检验与监控四个方面。其中，设计是先导，材料是基础，制造是关键，检验是保征。,9,第一章 压力容器设计概论,1.2 内

4、容要点,(5)正确选择和合理使用材料是压力容器设计的一个重要组成部分，对于保证容器的结构合理，安全使用和降低制造成本至关重要。除了适合工艺过程要求外，材料的选择必须考虑力学性能和工艺性能两方面的要求。前者包括适当的强度、良好的塑性和较好的韧性，后者包括良好的冷热加工性能，较好的可焊性和适宜的热处理性能等。因钢材具有上述众多优点而成为主要的容器用材，但不排斥特殊的场合使用有色金属、非金属材料等。,10,第一章 压力容器设计概论,1.2 内容要点,(6)压力容器用钢按化学成分与用途主要有三类，即普通碳素钢、低合金(高强度)钢、不锈耐酸钢和耐热钢。普通碳素钢与低合金钢又可根据制造容器的特殊要求派生出

5、压力容器用钢。压力容器用钢区别一般用钢主要在于降低了钢中的硫、磷的含量，增加了冲击功的指标和提高了质量检验要求。,11,第一章 压力容器设计概论,1.2 内容要点,(7)压力容器的设计和制造都需遵循一定的标准规定，这类标准和规范是综合了理论、试验和经验的产物，在法律上是强制性的。我国的压力容器设计规范主要有GB150“钢制压力容器”以及JB4732“钢制压力容器分析设计标准”。同时作为政府部门对压力容器安全监督的法规主要是“压力容器安全技术监察规程”。此外还有关于材料、制造、检验等必须遵循的国家标准和行业标准。这些共同组成以GBI5O为核心的标准体系，是压力容器质量管理和质量保证体系中加强法制

6、的具体表现。,12,第一章 压力容器设计概论,1.2 内容要点,(8)从安全的重要程度对压力容器分类，对于压力容器的技术管理和安全监督具有特殊的意义。这里，容器的类别按压力高低、容器大小、介质的危害程度以及在生产中的重要作用划分成三类，其中的三类容器最为重要。要求也最为严格。,13,2.1 回转壳体的薄膜应力2.2 压力容器的不连续应力2.3 圆形平板的应力,第二章 容器设计的理论基础,压力容器设计复习,14,2.1 回转壳体的薄膜应力,第二章 容器设计的理论基础,本节通过介绍薄壳理论的一些基本概念、基本理论和分析方法、主要讨论回转薄壳的无力矩理论以及在轴对称条件下的薄膜应力和变形的计算。,1

7、5,2.1 回转壳体的薄膜应力,轴对称问题是容器壳体的应力分析和强度计算的最基本问题，对轴对称问题的理解和掌握是薄壁容器的工程设计的理论基础，同时无力矩理论所得结果总可以作为分析壳体在载荷、结构突变处附近局部区域弯曲问题(有力矩理论)的特解，因此掌握好本节内容将有助于后续各节的学习。,第二章 容器设计的理论基础,16,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.1基本要求,(1)了解回转薄壳应力分析中采用两种计算理论的基本原理与意义。(2)掌握回转壳体几伺特性的基本定义，学会对几种典型回转壳体第一曲率半径和第二曲率半径的计算。,第二章 容器设计的理论基础,17,(3)熟练掌握利用无力矩壳体理论求解轴对

8、称问题的基本方程式计算常用容器壳体的薄膜应力以及薄膜平行圆径向位移和经线转角。(4)正确理解无力矩理论的应用条件。,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.1基本要求,第二章 容器设计的理论基础,18,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,(1)工程实际中，薄壳指的是壳体厚度与其中间面最小主曲率半径的比值不超过1/10的薄壁壳体结构。薄壁容器的外壳一般是这种，且其几何上对称于某一轴线的结构，故称回转薄壳。容器薄壳通常承受的外部载荷对称于同一轴线，且支承条件也是轴对称。由于载荷、结构是轴对称的，因而壳内的应力和变形均具有轴对称特点，解这类壳体问题统称为回转壳体的轴对称问题。,第二章 容器

9、设计的理论基础,19,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,(2)分析壳体的应力有两种基本理论“无力矩理论(薄膜理论)”与“有力矩理论”。对于轴对称问题，壳体中面微元四个边上存在法向力N、N，弯矩M、M和横向力Q等五个内力分量(它们是沿微元侧边分布的单位长度的力与力矩)。若N、N相对于M、M、Q大得多，可将后者忽略为零。大大简化了计算。这种壳体理论就是“无力矩理论”、反之考虑全部内力，就是“有力矩理论”。,第二章 容器设计的理论基础,20,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,(3)回转壳体中几何特征中的第一主曲率半径(Rl)和第二主曲率半径(R2)是计算壳体薄膜应力的

10、两个重要几何参数。从定义出发，Rl是壳体上任意点的经线曲率半径，因此可以直接由描述经线形状的关系式确定：而R2是垂直于该点经线切线的截面切割壳体中面而成的曲线的主曲率半径。,第二章 容器设计的理论基础,21,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,由于Rl的中心Ol、与R2的中心O2都在中面的法线上，和第二主曲率中心O2在回转轴线上，R2为壳体中面上考察点沿法线至回转轴的长度，或利用R2与垂直于回转轴与垂直于回转轴与中面相割的平行圆半径的关系式求解(见图)。,注意Rl、R2可以是常数，如球壳、锥壳和圆柱壳，也可以是逐点变化的，如椭球壳，尖顶壳等。,第二章 容器设计的理论基础,22,2

11、.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,(4)按无力矩理论计算回转壳体薄膜应力是薄壁容器强度计算的理论基础。若对于圆柱或球形薄壳，受均匀气压下可采用材料力学“截面法”计算周向内力N和经向内力N，但是对一般回转壳，因沿经线的内力不相同，只能采用从壳体上取微体的力平衡分析得到以下两个基本方程。以求解壳体上任意点的薄膜内力(仅考虑受法向分布面载荷Pz)，即,第二章 容器设计的理论基础,23,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,24,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,25,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.

12、2 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,26,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,27,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,(6)轴对称加载的回转壳体，产生轴对称变形。当薄膜应力已知时，可以求出这种变形。并称为薄膜变形。由于分析壳体不连续性概念与计算不连续应力的考虑,关注的是容器边缘处的薄膜平行圆径向位移(或平行圆半径增量)与经线转角。注意按教材的规定,平行圆径向位移的符号约定为平行圆半径增大为负，反之为正；转角以回转轴左侧的经线为准、逆时针转动为正，反之为负。在以后壳体不连续分析时所采用的符号要与之一致。,第二章 容器设计的理论基础,

13、28,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,(7)壳体的无力矩工作状态存在两种情况，一种是壳体的抗弯刚度非常小实际不能抵抗弯曲，只能是无矩应力状态；第二种情况是壳体既然有厚度，就具有限的抗弯刚度，但由于特定的壳体形状、加载方式以及支承条件使弯曲应力比薄膜应力小很多形成事实上的无力矩应力状态。第一种情况虽属于无力矩理论范围但不是我们研究的对象而实现第二种的无力矩工作状态就必须满足三个限制条件，即：,第二章 容器设计的理论基础,29,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,壳体的曲率，厚度和物理性质或作用在壳体上的载荷都是连续的且没有突然的变化；壳体的边界上没有力矩和横向力作

14、用；壳体边界上的法向位移及转角不受限制。,第二章 容器设计的理论基础,30,2.1 回转壳体的薄膜应力 2.1.2 内容要点,下图是容器上不满足无力矩理论应用条件的一些局部区域的实例。,第二章 容器设计的理论基础,31,第二章 容器设计的理论基础,压力容器设计复习,2.1 回转壳体的薄膜应力2.2 压力容器的不连续应力2.3 圆形平板的应力,32,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 基本要求,(1)了解圆柱壳轴对称弯曲问题的一般解法,掌握长圆柱壳受均匀分布的边缘载荷作用时计算弯曲应力的基本步骤。(2)掌握容器不连续效应的基本概念以及不连续应力的意义和特征。(3)学会用变形连续性条件和迭加

15、原理计算容器在形状、载荷、温度等不连续情况下应力的方法。,第二章 容器设计的理论基础,33,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,(1)前一节压力容器受内压作用时，考虑遍布全壳沿壁厚均匀分布的法向应力，或称薄膜应力。但壳体必须满足一定的条件，使得壳体中弯曲引起的应力比薄膜应力小得多，因而忽略不计。实际容器壳体，由于不同的薄膜应力而引起的不同位移将发生较大的弯曲变形，它产生的弯曲应力数值可以很大，仅用薄膜应力描述应力状态就不充分了，需要采用有力矩理论考虑壳体的弯曲。,第二章 容器设计的理论基础,34,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,(2)当考虑较简单的圆柱壳对称

16、弯曲问题时，壳体中不仅有薄膜内力N、N，(其中还包含弯曲成分)，还存在弯曲内力M、M、Q。如果仅考虑力平衡关系，不能求出未知内力，如同材料力学中的静不定问题，要综合考虑力平衡条件、变形(几何)条件和物理条件三个方面，最后归结为求解弯曲问题的微分方程，即,第二章 容器设计的理论基础,35,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,该方程通解等于齐次方程的通解加上一个不为零的特解，可以近似把薄膜解当作一个特解，于是,第二章 容器设计的理论基础,36,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,为了应用方便,w齐可表示为长圆柱壳在其边缘上只承受均匀分布的边缘剪力Q0和边缘弯矩M0作

17、用的弯曲解形式(见图)，即(以下w齐用w(Q0,M0)表示),第二章 容器设计的理论基础,37,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,由此得到各内力的表达式为：,第二章 容器设计的理论基础,38,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,在受载端的挠度和转角为：,第二章 容器设计的理论基础,39,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,(3)实际容器都是由两种(或两种以上)不同形状或厚度或材料的壳体组合而成，在外加载荷(机械载荷或热载荷)作用下，相邻壳体连接处的薄膜变形不相同，就发生了局部弯曲以保持器壁的连续性，在这些部位发生较高的附加应力，称为边缘效应或不

18、连续效应，产生的附加应力，称为不连续应力。,第二章 容器设计的理论基础,40,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,(4)工程上分析容器壳体连接处不连续效应的方法称为不连续分析，其基本方法分别是求出各部分在连接处由压力p和边缘载荷Q0,M0引起的变形，然后利用变形连续条件和叠加原理，得到只包含未知边缘载荷Q0,M0所组成的线性代数方程组，即,第二章 容器设计的理论基础,41,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,42,2.2 压力容器的不连续应力 2.1.1 内容要点,(5)这是总体结构不连续应力，基本特征之一是局部性，影响半径与(Rt)

19、是同一量级；其二是自限性，局部屈服或较小畸变就能消除附加应力发生的条件，因此对于在静载的塑性材料，不连续应力可以通过边缘结构的合理设计，限制其应力水平过高，但是在容器受到交变载荷的作用，或材料在工作环境下呈现脆性时，确定不连续应力具有重要的意义，因为高应力可成为疲劳失效的发源地或直接导致脆性破裂。,第二章 容器设计的理论基础,43,第二章 容器设计的理论基础,压力容器设计复习,2.1 回转壳体的薄膜应力2.2 压力容器的不连续应力2.3 圆形平板的应力,44,2.3 圆形平板的应力 2.1.1 基本要求,第二章 容器设计的理论基础,(1)理解薄板弯曲理论的基本假设及其含义。(2)了解求解圆板轴

20、对称弯曲问题的基本原理和步骤(3)掌握圆板在常用边界条件和几种简单受力下应力和挠度的计算。(4)了解用叠加法对实际容器结构中环板弯曲应力的计算方法。,45,2.3 圆形平板的应力 2.1.1 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,(1)圆板或圆形环板是压力容器的重要构件。按板厚 t 与中面特征尺寸 l(例如直径、边长)相比，t/l 1(工程上，t/l 1/5)称为薄板，否则称为厚板。板在横向载荷作用下，将产生弯曲变形，板的最大弯曲挠度 w 与板厚相比，当 w/t 1时称为小挠度板，否则为大挠度板。本节的研究对象是在化工容器中常见的小挠度圆形薄板或圆环形薄板。,46,2.3 圆形平板的应力 2.

21、1.1 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,(2)弹性薄板小挠度理论采用三个基本假设，即直线法、不挤压和中性面假设。基于上述假设圆板仅处于双向弯曲状态，与壳体相比，板内将承受较大弯曲应力，而不同于壳体主要承受沿壳壁厚度均匀分布的拉(压)应力。,47,2.3 圆形平板的应力 2.1.1 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,48,2.3 圆形平板的应力 2.1.1 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,对于中心无孔的实心圆板，则按照中心条件；(w)r=0=有限值，(Qr)r=0=有限值，则有C1=C3=0。对于受有均布横向载荷p的圆板：,49,2.3 圆形平板的应力 2.1.1 内容要点,第二

22、章 容器设计的理论基础,(4)对于均布载荷作用下的实心圆板的最大挠度和应力的大小与位置随板的周边支承条件不同而不同。周边固支：,50,2.3 圆形平板的应力 2.1.1 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,(4)对于均布载荷作用下的实心圆板的最大挠度和应力的大小与位置随板的周边支承条件不同而不同。周边简支：,51,2.3 圆形平板的应力 2.1.1 内容要点,第二章 容器设计的理论基础,由此可见，最大弯曲正应力与(D/t)2 成正比，最大剪应力则与(D/t)成正比，而周边简支板的最大挠度为固支板的4.08倍，最大应力是1.65倍。,52,2.3 圆形平板的应力 2.1.1 内容要点,第二章

23、容器设计的理论基础,(5)圆环形板的轴对称弯曲问题若按下式，只需由内外周边的边界条件确定四个积分常数求解，而pZ视具体问题为0或仍为pZ。在弹性范围内，当已有各种简单载荷下问题的解时，可以用叠加法计算复杂载荷下的圆板或圆环形板的挠度和应力。对于工程实用而言，往往只需要从手册中查取各种受载条件下板(包括矩形板)中的最大应力和挠度，如教材表2-2示例。,53,3.1 壳体的设计3.2 法兰的设计3.3 开孔与补强设计3.4 卧式容器与支座的设计3.5 局部应力计算3.6 结构设计问题,第三章 中低压容器设计,压力容器设计复习,54,3.1 壳体的设计 3.1.1 基本要求,第三章 中低压容器设计,

24、压力容器按规则设计(Design by Rule)又称常规设计，特点是以弹性失效为准则，仅考虑静载作用(主要是内部介质压力作用)，并以平均应力为基础导出设计计算公式。我国压力容器常规设计以“钢制压力容器”国家标准(GB150)为依据。本节介绍内压容器回转壳体(包括薄壁圆筒、球壳、凸形封头)的设计及平板封头设计。,55,3.1 壳体的设计 3.1.1 基本要求,第三章 中低压容器设计,(1)掌握壳体设计公式的计算依据、失效准则及强度条件。(2)理解设计公式中各参数，设计压力p、设计温度T、焊缝系数、壁厚附加量C、许用应力t、安全系数n、应力增强系数、试验压力pT、试验温度等的定义或意义，学会正确

25、选用设计参数进行设计计算。(3)掌握各种封头的力学与制造特性及对结构尺寸的要求，并能结合具体条件合理选用封头型式。(4)了解容器用钢的基本类型、使用状态及适用范围，能根据其力学性能、物理性能、耐蚀性能及加工工艺性能，合理选择与设计条件相适应的容器用材。,56,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,(1)中低压容器回转壳体的设计以无力矩理论为基础确定基本应力，用弹性失效准则，并以第一强度理论建立强度条件，即组合壳体设计时，各壳体厚度分别计算；对具有明显弯曲应力(或边缘效应)的壳体，在设计公式中引入应力增强系数或局部增加壁厚。,57,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容

26、要点,第三章 中低压容器设计,58,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,壳体有效壁厚 te=tn-C，是实际用于承受应力载荷的壁厚。壳体最小壁厚tmin指制造、安装、运输时对壳体刚度要求的最小厚度。在以强度计算确定壁厚的同时还必须使(tn-C2)不得小于tmin。圆筒最小壁厚规定如下：对于碳钢和低合金钢容器：内径Di3800mm时，tmin2Di/1000且不小于3mm；内径Di3800mm时，tmin按运输和现场制造、安装条件确定对于不锈钢容器，tmin2mm,59,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,(3)主要设计参数及选择原则

27、设计压力p：相应设计温度下用以确定壁厚的表压力，其值不得低于容器最高工作压力(指容器顶部最高压力)；对于装有液体的容器，当要计算的受压元件所在截面处的液柱静压力超过工作压力的5%时，应取上述设计压力与该液柱静压力之和对其进行设计。,60,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,设计温度T：相应设计压力下容器正常工作时设定的受压元件的金属温度(壁厚方向平均温度)，以确定许用应力，其值不得低于元件可能达到的最高金属温度，或0C以下时不得高于元件可能达到的最低金属温度。焊缝系数：用以考虑容器焊缝区因焊接缺陷受到的强度削弱。对于以环向应力(或者纵向应力)为依据的设计公式，指纵

28、向(或者环向)焊缝系数，其值可根据焊缝型式及探伤要求确定。,61,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,壁厚附加量C：C=C1+C2 C1为钢板或钢管的厚度负偏差，钢板按GB708、709选取；如使用按YB(T)40供货的钢板则C10.25mm，且 C16 tn 时可取C10；对于不锈钢复合钢板按GB8l65选取，钢管偏差也有相应标准。C2为腐蚀裕量，根据介质对材料的腐蚀速率Ka和设计寿命B确定；对碳钢和低合金钢C2不小于1mm，对不锈钢、腐蚀性极微时可取C2=0；C2只对均匀腐蚀有意义，对非均匀腐蚀则必须从选材和防腐措施上加以解决。,62,3.1 壳体的设计 3.

29、1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,许用应力t：针对失效类型由材料相应强度指标(强度极限b、屈服点y、蠕变极限Ct、持久强度Dt)除以相应安全系数n并取其最小值所得的材料许用强度。常用材料不同温度下的许用应力已用表列出，可直接选用。不锈钢复合板或多层板许用应力为：,63,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,(4)压力容器制造完毕必须进行耐压试验(液压或气压)，目的是检验容器超工作压力下的宏观强度、焊缝致密性及密封可靠性。液压试验介质一般是水，气压试验主要在液压试验不宜时采用。对奥氏体不锈钢，液压试验后应将水渍去除干净或试验时控制介质中Cl-25ppm以防止腐

30、蚀。,试验压力pT为：,64,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,试验温度以高于材料实际NDT来确定，以防脆断。一般要求介质温度15oC,但对碳钢、16MnR、正火15MnVR要求液体温度5oC即可。压力试验前需对筒体应力进行校核(液压时计入液体静压):此外，对内装贵重气体、易燃易爆或有毒介质的容器，还应作致密性试验(气密性试验或煤油渗透试验)，气密性试验压力为1.05 p。,65,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,(5)凸形封头受力状态由好到次排序是半球、椭圆或碟形、锥形封头；从便于制造的角度看，排序却相反。中低压容器中椭圆封头应

31、用最广泛。凸形封头壁厚设计公式及结构尺寸要求查相应表格。,66,3.1 壳体的设计 3.1.1 内容要点,第三章 中低压容器设计,67,第三章 中低压容器设计,压力容器设计复习,3.1 壳体的设计3.2 法兰的设计3.3 开孔与补强设计3.4 卧式容器与支座的设计3.5 局部应力计算3.6 结构设计问题,68,法兰连接是化工容器、管道常用的一种可拆连接型式。本节从如何满足法兰连接密封的可靠性、足够的强度等出发，简要介绍垫片、螺栓及法兰本体的设计等问题。,3.2 法兰的设计,第三章 中低压容器设计,69,(1)正确理解法兰连接的密封原理，了解影响密封的因素。(2)掌握垫片材料类型及垫片的选择，理

32、解垫片性能参数的物理意义。(3)掌握螺栓载荷的计算及螺栓的设计问题。(4)了解法兰的结构及其特点，能使用法兰标准正确选用法兰。(5)掌握非标准法兰结构尺寸的确定和强度计算方法。,3.2 法兰的设计 3.2.1 基本要求,第三章 中低压容器设计,70,(1)法兰连接通过紧固螺栓压紧垫片实现密封。法兰密封的泄漏形式包括渗透泄漏和界面泄漏。法兰通过螺栓压紧垫片时，垫片发生变形，提供垫片与密封面的压紧力，以形成压力介质通过密封面的阻力，当这种阻力大于密封元件两侧的介质压力差时，介质即被密封住。垫片性能、螺栓力大小、密封面型式及尺寸精度、法兰刚度及操作条件等均影响密封的可靠性。,3.2 法兰的设计 3.

33、2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,71,(2)法兰连接设计首先面临垫片选择。垫片是法兰密封的主要元件，为形成密封，要求垫片具有适宜的变形和回弹能力。垫片按材料分为非金属垫、金属垫和组合垫三种。法兰密封面有平面、凹凸面、榫槽面、梯形槽等，与不同密封面匹配的垫片结构也不完全相同。设计时主要根据介质的特性、温度、压力，确定垫片的材料、结构形式及尺寸。,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,72,预紧密封比压y和垫片系数m是表征垫片特征的两个主要参数。预紧密封比压y是指预紧时迫使垫片变形与密封面接触以形成初始密封条件，垫片上所必须的单位面积上的最小压紧载荷。垫片系数

34、m指操作时达到密封不漏，垫片上必须维持的工作密封比压与介质压力p的比值。y、m 的大小与垫片材料、结构等因素有关。设计时，由y、m确定垫片在预紧和操作状态下的压紧力大小。,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,73,(3)在法兰连接结构中，连接螺栓提供压力。螺栓力既要保证预紧和操作时密封不漏，又要不致把垫片压坏。计算螺栓预紧和操作状态所需最小载荷和螺栓最小截面积如下表所示。,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,74,设计所需螺栓面积取大值。并按下式计算螺栓根径 满足法兰环刚度和安装等要求，设计时必须合理调配螺栓的大小和个数，并要求实际螺

35、栓面积。由法兰环的刚度要求螺栓的最大间距为：,(3-7),(3-8),3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,75,(4)法兰按法兰环，锥颈和筒体的整体程度分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰，松式法兰是法兰未能有效地与筒体连接成一整体，筒体不与法兰共同承受法兰力矩的作用；如果法兰环，颈部和筒体三者有效地连成一整体，共同随法兰力矩的作用，则为整体法兰；受力的整体性程度介于以上二者之间的法兰为任意式法兰。,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,76,法兰标准有压力容器法兰标准(JB4700-4707-92)和钢制管法兰标准(HGJ44-76-9

36、7)。前者将法兰分为平焊(包括甲型和乙型)和对焊法兰，后者分为平焊、对焊、承插焊、平焊环松套板式等法兰。法兰标准，按不同公称直径(DN)和公称压力(PN)选择。由于标准法兰的PN是一定的法兰材料和温度下的最大工作压力，例如压力容器法兰的PN是按材料16MnR 或16Mn在200C条件下确定的。选择标准法兰时，应注意法兰材料和温度对法兰PN与最大工作压力的对应关系。,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,77,法兰设计方法很多，应用较多的是Waters法，它是以弹性应力分析为基础的设计方法。分析过程是将带颈整体法兰分为壳体、锥颈和法兰环三部分，然后利用薄壳理论和平板理

37、论对三部分进行应力分析，经简化得设计公式。非标准法兰从设计角度分为整体法兰和活套法兰，其受力如下图所示。,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,78,图3-1 法兰受力图,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,79,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,80,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,81,法兰的最大轴向弯曲应力位于颈的大端或小端处；法兰环的最大径向应力由径向弯曲应力和径向正应力两部分组成，位于环内缘面与锥颈的连接处；法兰环的最大环向应力由弯曲应力和正应力两部分组成，位于

38、内缘面靠近垫片密封面处，而表中t为环内缘面与锥颈的连接点处的应力。,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,82,对于活套法兰及平焊法兰，还应按预紧和操作两种工况计算剪应力，式中(A为剪切面积)。,(3-9),3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,83,应力校核,(3-10),3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,84,颈部的轴向弯曲应力1按极限载荷设计法，取1.5ft与2.5nt的小值作为最大允许应力。法兰的r、t控制在材料在弹性范围内。为避免法兰环部分屈服，应对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制。不满足应力校核

39、条件时，需调整法兰锥颈或法兰环的尺寸，以满足应力校核条件。法兰的剪应力应分别小于或等于翻边或筒体材料在常温和设计温度下许用应力的0.8倍,3.2 法兰的设计 3.2.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,85,第三章 中低压容器设计,压力容器设计复习,3.1 壳体的设计3.2 法兰的设计3.3 开孔与补强设计3.4 卧式容器与支座的设计3.5 局部应力计算3.6 结构设计问题,86,(1)正确理解壳体开孔和开孔接管产生应力集中的原因及应力的性质，并能计算某些典型载荷作用的球壳、圆柱壳体与接管连接处的应力集中系数或最大应力。(2)掌握各种补强结构的特点，正确理解主要补强设计准则的原理。(3)掌握

40、等面积补强法的计算方法。,3.3 开孔与补强设计 3.3.1 基本要求,第三章 中低压容器设计,87,(1)受压壳体开孔后，削弱了器壁材料，孔边应力的分布发生改变，开孔附近发生局部的应力升高，这种应力上具有局部性，且衰减较快，最大应力在孔边缘处，由此引起应力集中。薄壳孔边应力可借助于平板开孔的应力计算结果进行分析。受压壳体开小孔时，孔边的最大应力和应力集中系数如表3-5所示。,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,88,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,89,(2)容器开孔接管后，开孔削弱了器壁材料，破坏了原有的应力分布而引起

41、应力集中；壳体与接管连接处因结构不连续而产生附加应力；壳体与接管的拐角处因不等截面过渡引起应力集中。上述因素使开孔接管处产生较大的应力峰值，大小高达容器壁基本应力的数倍。通常用应力集中系数Kt=max/来描述开孔接管处的力学特性。受内压壳体内的开孔接管，可用应力指数法或应力集中系数曲线得到应力集中系数；接管上受径向力、弯矩、扭矩等，则可用应力集中系数曲线得到解决应力集中系数或采用WRC法计算局部应力。,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,90,(3)壳体与接管连接处不可避免会出现应力集中，造成局部的高应力区，而开孔接管结构在制造过程中还容易产生缺陷和残余应力，

42、使开孔接管根部成为压力容器出现脆性裂口和疲劳破坏的薄弱部位。设计时往往需要采取适当的补强措施，降低开孔接管处应力集中系数。由于壳体、接管等本身往往有除满足强度外的富裕金属能起补强作用，凡是开孔接管结构的应力集中系数Kt3时，可以不另行补强。GB150-89规定，对于设计压力p2.5MPa，若两相邻开孔中心矩(曲面为弧面)不小于两孔直径之和的两倍时，可不另行补强的条件为；当壳体的Tn12mm时，接管DN80mm，当壳体的Tn12mm时，接管DN50mm。,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,91,(4)由于开孔应力集中的局部性，一般采用局部补强结构 贴板补强的结

43、构简单，制造方便，使用经验成熟，但补强面积分散，作用并不大，而且补强圈与壳体搭接处刚度大，焊接易产生裂纹。抗疲劳性能差。温度较高时，热应力较大。厚壁管补强的结构简单，制造方便，补强面积集中，能有效降低应力集中系数。整锻件补强的补强面积集中，能最有效降低应力集中系数。焊接接头为对接焊，质量容易保证，抗疲劳性能好。但制造麻烦，成本高。,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,92,(5)补强设计准则有等面积法、极限分析法、压力面积法等。其中等面积法是开孔补强计算中应用最为广泛的方法。等面积法：该法是在有效补强范围内，使补强金属截面积不小于开孔失去的有效金属截面积，它是

44、以开孔后截面的一次总体平均应力不致升高为依据的。当小开孔时，开孔边缘的应力是以局部薄膜应力为主的，因此上述假设适用。开孔直径较大时，开孔边缘除有很大局部薄膜应力外，还有很高的弯曲应力，故等面积法应对开孔最大直径加以限制。,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,93,(5)补强设计准则有等面积法、极限分析法、压力面积法等。其中等面积法是开孔补强计算中应用最为广泛的方法。极限分析法：以开孔补强结构发生塑性失效的极限载荷为依据，并将最大应力控制在2y内的设计方法，在GB150中，将此法称为“开孔补强设计的另一方法”。,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三

45、章 中低压容器设计,94,5 等面积法的计算,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,95,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,96,(3)有效补强范围宽度外侧高度内侧高度,取小值,取大值,取小值,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,97,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,98,（5）有效补强面积筒体多余金属面积,接管多余金属面积,有效补强区内焊缝金属截面积A3。当时，不需补强，否则补强面积为圆筒体的斜接管，封头的非径向接管开孔补强以及大开孔的补强计算，可参考有

46、关标准。,3.3 开孔与补强设计 3.3.2 内容要点,第三章 中低压容器设计,99,第三章 中低压容器设计,压力容器设计复习,3.1 壳体的设计3.2 法兰的设计3.3 开孔与补强设计3.4 卧式容器与支座的设计3.5 局部应力计算3.6 结构设计问题,100,卧式容器支座形式有圈座、支腿和鞍座。其中鞍座是应用最广泛的一种支承方式，这种支座已标准化，设计时尽量选择标准支座，不能选标准则需自行设计。即使选用标准鞍座，也应对筒体的强度和稳定性进行校核计算。本节介绍双鞍座容器的载荷、内力、应力的计算及校核等问题。,3.4 卧式容器与支座的设计,第三章 中低压容器设计,101,(1)了解鞍式支座的结

47、构，并能合理确定鞍座的位置。(2)能正确进行双鞍座卧式容器的载荷、内力、应力计算和强度校核。,3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.1 基本要求,第三章 中低压容器设计,102,(1)卧式容器一般用对称布置的双鞍座，其受力状况可简化为以受均布载荷为主的外伸梁。若鞍座形心至相邻封头切线的距离为A，为使跨中截面与支座截面处轴向弯矩绝对值大致相等，一般取A0.2L，为了尽量利用封头对支座处筒体的加强作用，还应使A0.5Rm。但对于壁厚、长径比较大的容器，或鞍座处设有加强圈时，A可稍大一些。,3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.2 内容提要,第三章 中低压容器设计,103,(2)双鞍座卧式容器的载荷

48、除操作压力外，还有筒体、封头、附件、充液质量载荷和支座反力。若令设备最大质量为m，则鞍座反力F=mg/2：梁长为L（两封头切线间距）时，梁上承受均布载荷q和梁两端的弯矩M、剪力V作用，如下所示。梁的内力有轴向弯矩和竖直剪力，其最大弯矩在容器的支座截面或跨中截面上；最大剪力在容器的支座截面处。,3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.2 内容提要,第三章 中低压容器设计,104,图3-2 双鞍座卧式容器受载简图,3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.2 内容提要,第三章 中低压容器设计,105,跨中截面的弯矩：,支座截面的弯矩：,(3-18),(3-19),3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.2

49、 内容提要,第三章 中低压容器设计,106,支座截面的最大剪力，通常在靠近圆筒纵向中心一侧的筒体截面上，为,(3-20),3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.2 内容提要,第三章 中低压容器设计,107,(3)卧式容器除操作压力引起的薄膜应力外，还因质量载荷和支座反力作用，使筒体跨中截在存在轴向弯曲力，在支座截面既有轴向弯曲应力，也有切向剪应力和周向应力。筒体的轴向应力由压力和轴向弯矩产生的两部分应力组成，如表3-8所示。,3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.2 内容提要,第三章 中低压容器设计,108,表3-8 筒体的轴向应力,3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.2 内容提要,第三章

50、中低压容器设计,109,从表中可知，最大拉应力可能出现在跨中截面的最低点处或鞍座截面的最高点处(若筒体未被加强而要考虑扁塌现象时，则在鞍座的边角附近)。最大压应力可能出现在筒体和跨中截面的最高点处或鞍座截面的最低点处。验算应力时应根据不同压力(内压或外压)和不同工况进行应力组合，求出最大拉应力和最大压应力。并使最大拉应力不得超过材料的许用应力，最大压应力不得超过材料的轴向许用压缩应力。,3.4 卧式容器与支座的设计 3.4.2 内容提要,第三章 中低压容器设计,110,(2)在支座截面处的剪力在筒体中引起切向剪应力，最大剪应力如下表所示，表中的剪应力分别满足,表3-9 筒体与封头的最大剪应力,