压力容器技术进展课件.ppt

1、12James Watt (1736-1819)34l核电站一个核电站一个1500MW压水堆压力壳，工压水堆压力壳，工作压力为作压力为15MPa，工作温度为，工作温度为300C，容器内直径容器内直径7800mm，壁厚，壁厚317 mm，重重650吨；吨；l煤气化液化装置中的压力容器工作压力煤气化液化装置中的压力容器工作压力为为20MPa，工作温度为，工作温度为500C，最大内，最大内直径达直径达5000mm，壁厚为，壁厚为400 mm，重，重2600吨；吨；l炼油厂加氢反应器的直径达炼油厂加氢反应器的直径达4.5mm,厚厚280mm, 重约重约1000吨。吨。传统容器设计方法都基于弹性失效设计

2、准则，将容器中传统容器设计方法都基于弹性失效设计准则，将容器中最大应力限制在弹性范围内可保证安全。这种最大应力限制在弹性范围内可保证安全。这种“规则设计规则设计”方法对设计的容器基本上是安全的，主要着眼于限制容器中方法对设计的容器基本上是安全的，主要着眼于限制容器中的的最大最大薄膜应力或其他由机械载荷直接产生的弯曲应力及剪薄膜应力或其他由机械载荷直接产生的弯曲应力及剪应力等。这种方法仍是现今设计规范的主流。应力等。这种方法仍是现今设计规范的主流。但应当看到，这种设计方法对容器中的某些应力，例如但应当看到，这种设计方法对容器中的某些应力，例如结构不连续应力，开孔接管部位的集中应力等并不逐一进行结

3、构不连续应力，开孔接管部位的集中应力等并不逐一进行强度校核，特别是当载荷强度校核，特别是当载荷( (压力或温度压力或温度) )有交变可能引起结构有交变可能引起结构的疲劳失效时也未对这些应力进行安全性校核。的疲劳失效时也未对这些应力进行安全性校核。化工容器的应力分析设计化工容器的应力分析设计 压力容器技术进展 现代设计技术6一、分析设计法概述一、分析设计法概述 l随着技术的发展，核容器和大型化的高参数化工容器的广泛随着技术的发展，核容器和大型化的高参数化工容器的广泛使用，工程师们逐步认识到各种不同的应力对容器的失效有使用，工程师们逐步认识到各种不同的应力对容器的失效有不同的影响。不同的影响。l应

4、从产生应力的原因、作用的部位及对失效的影响几方面将应从产生应力的原因、作用的部位及对失效的影响几方面将容器中的应力进行合理的分类，形成了容器中的应力进行合理的分类，形成了“应力分类应力分类”的概念的概念和相应的工程设计方法。和相应的工程设计方法。l按不同类别的应力可能引起的失效模式建立起弹性失效、塑按不同类别的应力可能引起的失效模式建立起弹性失效、塑性失效、弹塑性失效及疲劳失效的设计与校核方法，并给出性失效、弹塑性失效及疲劳失效的设计与校核方法，并给出不同的应力限制条件。不同的应力限制条件。这就是应力分析设计的这就是应力分析设计的总体思想总体思想。l这套方法的基础首先要对容器中关键部位逐一进行

5、应力分析，这套方法的基础首先要对容器中关键部位逐一进行应力分析，然后才能进行应力分类。然后才能进行应力分类。压力容器技术进展 现代设计技术7l应力分析设计的指导思想应力分析设计的指导思想容器上存在不同载荷及容器上存在不同载荷及不同的应力，而且对容器失效的影响又各不相同，因不同的应力，而且对容器失效的影响又各不相同，因此就应当更为科学地将应力进行分类，并按不同的失此就应当更为科学地将应力进行分类，并按不同的失效形式和设计准则进行应力强度校核。效形式和设计准则进行应力强度校核。l分析设计法分析设计法按这种设计思想进行容器设计时必先按这种设计思想进行容器设计时必先进行详细的应力分析，将各种外载荷或变

6、形约束产生进行详细的应力分析，将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进行应力分类，再按不同的应力分别计算出来，然后进行应力分类，再按不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效，这就是以应力分析为基础的设计方法。形式的失效，这就是以应力分析为基础的设计方法。 压力容器技术进展 现代设计技术8(一一)容器的载荷与应力容器的载荷与应力 (1)由压力载荷引起的应力由压力载荷引起的应力(2)由机械载荷引起的应力由机械载荷引起的应力(3)由不连续效应引起的不连续应力由不连续效应引起的不连续应力(4)由温差产生的热应力由温差产生的热

7、应力(5)由应力集中引起的集中应力由应力集中引起的集中应力压力容器技术进展 现代设计技术9(三三) 各种应力对容器失效的影响各种应力对容器失效的影响 爆破总发生爆破总发生在远离封头在远离封头的圆筒体中的圆筒体中部，从中央部，从中央向两头撕裂向两头撕裂 封头与筒体连接封头与筒体连接处存在较大的不处存在较大的不连续应力，但爆连续应力，但爆破不从这里开始破不从这里开始 不同的应力引起容不同的应力引起容器失效的形式不同。器失效的形式不同。 压力容器技术进展 现代设计技术10l内压产生的应力使容器在总体范围内发生弹性失效或塑性失效，内压产生的应力使容器在总体范围内发生弹性失效或塑性失效，即膜应力可使筒体

8、屈服变形，以致爆破。外压引起总体刚性失稳，即膜应力可使筒体屈服变形，以致爆破。外压引起总体刚性失稳，即形状失稳。即形状失稳。l其他机械载荷产生的局部应力使容器发生局部范围弹性失效或塑其他机械载荷产生的局部应力使容器发生局部范围弹性失效或塑性失效。性失效。l总体结构不连续应力，由于相邻部位存在相互约束，可能使部分总体结构不连续应力，由于相邻部位存在相互约束，可能使部分材料屈服进入弹塑性状态，可造成弹塑性失效。材料屈服进入弹塑性状态，可造成弹塑性失效。l总体热应力也会造成容器的弹塑性失效。总体热应力也会造成容器的弹塑性失效。l应力集中应力集中( (局部结构不连续局部结构不连续) )及局部热应力使局

9、部材料屈服，虽然及局部热应力使局部材料屈服，虽然可以造成弹塑性失效，但只涉及范围极小的局部，不会造成容器可以造成弹塑性失效，但只涉及范围极小的局部，不会造成容器过度变形。过度变形。l在交变载荷作用下，这种应力再叠加上压力载荷的应力及不连续在交变载荷作用下，这种应力再叠加上压力载荷的应力及不连续应力会使容器出现疲劳裂纹，主要危害是导致疲劳失效。应力会使容器出现疲劳裂纹，主要危害是导致疲劳失效。 压力容器技术进展 现代设计技术11二、容器的应力分类二、容器的应力分类 化工容器中的应力进行分类的基本原则是：化工容器中的应力进行分类的基本原则是： l应力产生的原因，是外载荷直接产生的还是在变形应力产生

10、的原因，是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的；协调过程中产生的；l应力的分布，是总体范围还是局部范围的，沿壁厚应力的分布，是总体范围还是局部范围的，沿壁厚的分布是均匀的还是线性的或非线性的；的分布是均匀的还是线性的或非线性的；l对失效的影响，即是否会造成结构过度的变形，及对失效的影响，即是否会造成结构过度的变形，及是否导致疲劳、韧性失效。是否导致疲劳、韧性失效。 l应力分类法将容器中的应力分为三大类：应力分类法将容器中的应力分为三大类：一次应力；一次应力；二次应力；峰值应力。二次应力；峰值应力。压力容器技术进展 现代设计技术第六章 压力容器设计技术进展12二、容器的应力分类二、容器的应

11、力分类 (一一) 一次应力一次应力P(Primary stress) l一次应力一次应力P也称基本应力，是为平衡压力和其他机械载也称基本应力，是为平衡压力和其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力，可由与外载荷的平衡荷所必需的法向应力或剪应力，可由与外载荷的平衡关系求得，由此一次应力必然直接随外载荷的增加而关系求得，由此一次应力必然直接随外载荷的增加而增加。增加。l对于理想塑性材料，载荷达到极限状态时即使载荷不对于理想塑性材料，载荷达到极限状态时即使载荷不再增加，仍会产生不可限制的塑性流动，直至破坏。再增加，仍会产生不可限制的塑性流动，直至破坏。l这就是一次应力的这就是一次应力的“非自限性非自限性

12、”特征。特征。 压力容器技术进展 现代设计技术13二、容器的应力分类二、容器的应力分类 (一一) 一次应力一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分一次应力还可以再分为如下三种：为如下三种： l一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力Pm(General primary membrane stress) l一次弯曲应力一次弯曲应力Pb(Primary bending stress) l一次局部薄膜应力一次局部薄膜应力PL (General local membrane stress) 压力容器技术进展 现代设计技术14(二二) 二次应力二次应力Q (Secondary stress

13、)l二次应力二次应力Q是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应力或切应力，基本特征是具有自限性。引起的法向应力或切应力，基本特征是具有自限性。l筒体与端盖的连接部位存在筒体与端盖的连接部位存在“相邻部件相邻部件”的约束，厚的约束，厚壁容器内外壁存在温差时就形成壁容器内外壁存在温差时就形成“自身约束自身约束”。二次。二次应力不是由外载荷直接产生的，不是为平衡外载荷所应力不是由外载荷直接产生的，不是为平衡外载荷所必需的，而是在受载时在变形协调中产生的。当约束必需的，而是在受载时在变形协调中产生的。当约束部位发生局部的屈服和小量的塑性流动使变形得到协部

14、位发生局部的屈服和小量的塑性流动使变形得到协调，产生这种应力的原因调，产生这种应力的原因(变形差变形差)便得到满足与缓和。便得到满足与缓和。亦即应力和变形也受到结构自身的抑制而不发展，这亦即应力和变形也受到结构自身的抑制而不发展，这就是自限性。就是自限性。 压力容器技术进展 现代设计技术15(二二) 二次应力二次应力Q (Secondary stress)l二次应力的例子有：p总体结构不连续部位，如筒体与封头、筒体或封头与法兰连接处的不连续应力中的弯曲应力属二次应力；p总体热应力，如圆筒壳中轴向温度梯度所引起的热应力，由接管和与之相接壳体间的温差所引起的热应力，由壳壁径向温差引起的热应力的当量

15、线性分量以及厚壁容器由压力产生的应力梯度，这些都属于二次应力。 16(三三) 峰值应力峰值应力F (Peak stress)l峰值应力峰值应力F F是由是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量二次应力之上的应力增量。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆性断裂。性断裂。l局部结构不连续是指几何形状或材料在很小区域内的不连续，只在局部结构不连续是指几何形状或材料在很小区

16、域内的不连续，只在很小范围内引起应力和应变增大，即应力集中，但对结构总体应力很小范围内引起应力和应变增大，即应力集中，但对结构总体应力分布和变形没有重大影响。分布和变形没有重大影响。l结构上的小半径过渡圆角、部分未焊透及咬边、裂纹等缺陷处均有结构上的小半径过渡圆角、部分未焊透及咬边、裂纹等缺陷处均有应力集中，均存在附加在一次与二次应力之上的峰值应力。应力集中，均存在附加在一次与二次应力之上的峰值应力。l平板开孔为例，均匀拉伸膜应力为平板开孔为例，均匀拉伸膜应力为 ，应力集中系数为，应力集中系数为KtKt，则，则F F (Kt-1) (Kt-1) 压力容器技术进展 现代设计技术17压力容器技术进

17、展 现代设计技术18三、应力分析设计的程序及应用三、应力分析设计的程序及应用 l(1) 结构分析结构分析 详细考虑压力容器结构中有哪些部位需要按分析设计详细考虑压力容器结构中有哪些部位需要按分析设计方法进行强度分析，这些部位有哪些应力作用，可能产生什么形式方法进行强度分析，这些部位有哪些应力作用，可能产生什么形式的失效。的失效。l(2) 应力分析应力分析 分析设计方法是按弹性应力分析方法计算各部位的应分析设计方法是按弹性应力分析方法计算各部位的应力，因此需正确确定各分析部位所受的载荷力，因此需正确确定各分析部位所受的载荷( (压力的、机械的与热的压力的、机械的与热的) )以及边界力学条件，并明

18、确区别设计条件和实际的操作条件。计算以及边界力学条件，并明确区别设计条件和实际的操作条件。计算方法可以用解析法，无法解析时可以用数值方法。国内外的分析设方法可以用解析法，无法解析时可以用数值方法。国内外的分析设计标准都规定可以采用弹性方法进行应力分析。当结构中局部区域计标准都规定可以采用弹性方法进行应力分析。当结构中局部区域的应力超出材料的屈服点时，允许采用弹性虚拟应力概念并可进行的应力超出材料的屈服点时，允许采用弹性虚拟应力概念并可进行叠加。叠加。 压力容器技术进展 现代设计技术19l(3) 应力分类应力分类 各部位在各种载荷作用下的应力分析后可将应力按各部位在各种载荷作用下的应力分析后可将

19、应力按P (Pm、PL、Pb)、Q及及F进行分类。注意，这里的进行分类。注意，这里的P、Q、F所代表的所代表的是应力分类的类别符号，不只表示一个量，每类应力各有是应力分类的类别符号，不只表示一个量，每类应力各有6个应力分个应力分量量(其中有的应力分量亦可以为零其中有的应力分量亦可以为零)，每一校核点的应力均应为三个，每一校核点的应力均应为三个法向应力法向应力( x、 、 z )和三个切应力和三个切应力( x 、 z、 zx)为一组的为一组的6个应力个应力分量。而叠加是指同种应力分量的向量叠加。应力分类是针对每组分量。而叠加是指同种应力分量的向量叠加。应力分类是针对每组应力分量的，同种应力进行叠

20、加。按容器的应力分量的，同种应力进行叠加。按容器的r、 、z取向，可将剪取向，可将剪应力忽略不计，剩下的三个法向应力即为主应力。应力忽略不计，剩下的三个法向应力即为主应力。l(4) 计算计算应力强度应力强度 将应力按各向叠加和分类后的应力分量求得组将应力按各向叠加和分类后的应力分量求得组合后的最大主应力和最小主应力，按第三强度理论求出各校核部位合后的最大主应力和最小主应力，按第三强度理论求出各校核部位的最大应力强度，或称组合应力强度的最大应力强度，或称组合应力强度(S)(S)，以待进行强度校核。，以待进行强度校核。 压力容器技术进展 现代设计技术20l(5) 应力强度校核应力强度校核 进行各个

21、单项及组合应力强度进行各个单项及组合应力强度S的的校核，校核，p Pm的应力强度的应力强度SIKSm，p PL的的SII1.5KSm，p PL+Pb的的SIII1.5KSm。p PL+Pb+Q的的S3Sm，p PL+Pb+Q+F的的SVSa。p Sm为基本应力强度，为基本应力强度，Sa为由疲劳设计曲线得到的应力循为由疲劳设计曲线得到的应力循环下的允许应力幅环下的允许应力幅(若以全幅应力循环计时，则允许的峰若以全幅应力循环计时，则允许的峰值应力强度应为值应力强度应为2Sa)。K为载荷的组合系数，即根据为载荷的组合系数，即根据压力、自重、内物料、配件重、压力、自重、内物料、配件重、风载、地震载荷不

22、同组合情况风载、地震载荷不同组合情况的组合，按的组合，按JB4732-95JB4732-95钢制压力钢制压力容器容器- -分析设计标准，表分析设计标准，表3-33-3的的方法取方法取K值。值。压力容器技术进展 现代设计技术21 结构在交变载荷下会发生疲劳破坏，这是结构在交变载荷下会发生疲劳破坏，这是19世纪末世纪末已被重视的问题，早就形成了疲劳设计方法。但由于受压已被重视的问题，早就形成了疲劳设计方法。但由于受压容器的疲劳破坏特别容易发生在接管根部等出现塑性应变容器的疲劳破坏特别容易发生在接管根部等出现塑性应变的高应变区，破坏的循环周次都很低，称为的高应变区，破坏的循环周次都很低，称为“低循环

23、疲低循环疲劳劳”。低循环疲劳有其特殊的规律，形成了不同于高循环。低循环疲劳有其特殊的规律，形成了不同于高循环情况的容器防低循环破坏的设计方法。情况的容器防低循环破坏的设计方法。 疲劳设计需进行详细的应力分析，必须采用应力分疲劳设计需进行详细的应力分析，必须采用应力分类的方法进行设计，因此容器的疲劳设计也是分析设计法类的方法进行设计，因此容器的疲劳设计也是分析设计法的一个重要组成部分。的一个重要组成部分。 压力容器技术进展 现代设计技术22容器的交变载荷来自压力的波容器的交变载荷来自压力的波动、开停工的压力交流；温度的交动、开停工的压力交流；温度的交变形成温差应力的交变；外加载荷变形成温差应力的

24、交变；外加载荷的交变以及强迫振动等。另一方面的交变以及强迫振动等。另一方面容器结构上存在局部结构不连续引容器结构上存在局部结构不连续引起应力集中，尤其当形成局部塑性起应力集中，尤其当形成局部塑性区时，往往是萌生疲劳裂纹和引起区时，往往是萌生疲劳裂纹和引起容器疲劳破坏的源区。容器疲劳破坏的源区。 局部塑性区内的高应变，在交变局部塑性区内的高应变，在交变载荷下将发生交变的塑性应变，载荷下将发生交变的塑性应变，因此容器疲劳破坏时的循环周次因此容器疲劳破坏时的循环周次都很低。循环数在都很低。循环数在102105次发次发生破坏的称为低循环疲劳，生破坏的称为低循环疲劳，105次以上的则称为高循环疲劳。次以

25、上的则称为高循环疲劳。 压力容器技术进展 现代设计技术23容器不需作疲劳分析的规定容器不需作疲劳分析的规定疲劳分析是在应力分析基础上进行的，设计成本较高，疲劳分析是在应力分析基础上进行的，设计成本较高，不是所有承受交变载荷的容器都需作疲劳分析。不是所有承受交变载荷的容器都需作疲劳分析。ASME-2 (ADl60-2节节)及中国疲劳设计规范都从很保守的角度作出及中国疲劳设计规范都从很保守的角度作出具体规定，例如对材料抗拉强度不超过具体规定，例如对材料抗拉强度不超过550MPa的容器，的容器，若下列四条中的总循环数对于容器整体部分若下列四条中的总循环数对于容器整体部分(包括整体补强包括整体补强的接

26、管的接管)不超过不超过1000次，对于非整体结构的部件次，对于非整体结构的部件(例如带补例如带补强板的接管强板的接管)不超过不超过400次时，可以不作疲劳分析。次时，可以不作疲劳分析。压力全幅度循环的预期压力全幅度循环的预期(设计设计)次数，包括起动和停车。次数，包括起动和停车。压力变化幅度超过设计压力的压力变化幅度超过设计压力的20的循环次数，大气的循环次数，大气压波动的影响不需考虑。压波动的影响不需考虑。压力容器技术进展 现代设计技术24 (二二)容器不需作疲劳分析的规定容器不需作疲劳分析的规定容器上包括接管的任何相邻两点间温度差的变化的有效次数，这里容器上包括接管的任何相邻两点间温度差的

27、变化的有效次数，这里的有效次数是指金属温度差变化的次数乘以从下表查得相应系数值的有效次数是指金属温度差变化的次数乘以从下表查得相应系数值之积的和。之积的和。当构件是由膨胀系数不同的材料焊接而成时，则应计及当温度升高当构件是由膨胀系数不同的材料焊接而成时，则应计及当温度升高D DT的的(a a1a a2)，D DT值超过值超过0.00034时的温度循环次数，此条件不适时的温度循环次数，此条件不适用于复合材料，用于复合材料，a a1及及a a2为两种材料在平均温度下的线膨胀系数。为两种材料在平均温度下的线膨胀系数。这四种情况的总循环次数不超过这四种情况的总循环次数不超过1000次次(或或400次次

28、)是绝不会发生是绝不会发生疲劳损坏的，这样计算已是很保守的了，例如它是假设结构疲劳损坏的，这样计算已是很保守的了，例如它是假设结构的应力集中系数的应力集中系数Kt6作为分析前提的。作为分析前提的。压力容器技术进展 现代设计技术 压力容器的应力分析设计压力容器的应力分析设计 应用计算机对结构进行应力及强度分析、并进应用计算机对结构进行应力及强度分析、并进行结构优化设计的程序已经很多，一些大型结构分行结构优化设计的程序已经很多，一些大型结构分析程序的应用，如析程序的应用，如ANSYSANSYS、NASTRANNASTRAN、ADINAADINA、COSMOSCOSMOS，I-DEASI-DEAS、

29、等，大大提高了设计质量，、等，大大提高了设计质量，并且大大降低了设计成本。并且大大降低了设计成本。 压力容器技术进展 现代设计技术1. 压力容器的主要特点压力容器的主要特点结构形式结构形式 压力容器主要的结构形式为回转壳，当然最典型的是柱壳压力容器主要的结构形式为回转壳，当然最典型的是柱壳（常称为筒体）和球壳（球罐和封头等）。常见的结构主（常称为筒体）和球壳（球罐和封头等）。常见的结构主要特点是：开孔、支撑、加强构件等；壳体的厚度远小于要特点是：开孔、支撑、加强构件等；壳体的厚度远小于壳体的曲率半径；结构不规则；异种材料连接等。壳体的曲率半径；结构不规则；异种材料连接等。 根据其结构形式的主要

30、特点和用途还可以进一部分类为：根据其结构形式的主要特点和用途还可以进一部分类为：塔式容器、卧式容器、换热器、球罐等。塔式容器、卧式容器、换热器、球罐等。有限元在压力容器设计中的应用有限元在压力容器设计中的应用压力容器技术进展 现代设计技术载荷形式载荷形式 1) 1) 压压 力：这是最重要的载荷形式，包括内压和外压；力：这是最重要的载荷形式，包括内压和外压； 2) 2) 热载荷：主要是由于温度梯度引起来的热应力；热载荷：主要是由于温度梯度引起来的热应力； 3) 3) 力和力矩：设备管道传给设备的外力，附加载荷等力和力矩：设备管道传给设备的外力，附加载荷等 4) 4) 地地 震：设备的地震也是必须

31、考虑的问题；震：设备的地震也是必须考虑的问题； 5) 5) 风载荷：对于一些塔式容器和球罐，风载荷也是主风载荷：对于一些塔式容器和球罐，风载荷也是主 要考虑的载荷；要考虑的载荷； 6) 6) 雪载荷：对我国北方地区的室外容器；雪载荷：对我国北方地区的室外容器；求解模式求解模式 静力，动力，屈曲，疲劳，线弹性，弹塑性，非线性，接触静力，动力，屈曲，疲劳，线弹性，弹塑性，非线性，接触等等压力容器技术进展 现代设计技术a) 各种接管各种接管 接管是必不可少的常见结构。由于接管结构所产生的几接管是必不可少的常见结构。由于接管结构所产生的几何不连续以及载荷复杂等因素，必然会产生应力集中，因何不连续以及载

32、荷复杂等因素，必然会产生应力集中，因此接管部件是容器分析设计的主要对象。此接管部件是容器分析设计的主要对象。压力容器技术进展 现代设计技术b) 球罐球罐 这类设备的分析主要考虑的载荷是内压、地震、风、雪载这类设备的分析主要考虑的载荷是内压、地震、风、雪载荷等，应力集中的部位有支柱和灌体的连接部位、人孔接管荷等，应力集中的部位有支柱和灌体的连接部位、人孔接管等地方的应力集中等。其中支腿与球壳的连接形式在标准上等地方的应力集中等。其中支腿与球壳的连接形式在标准上规定了规定了4种：直连、种：直连、U型柱、拖板和翻边结构形式。型柱、拖板和翻边结构形式。压力容器技术进展 现代设计技术c) 换热器换热器

33、换热器是一种典型的压力容器结构型式，它的主要载荷形式是换热器是一种典型的压力容器结构型式，它的主要载荷形式是内压（管程，壳程），热载荷等。需要分析的主要包括管板、筒内压（管程，壳程），热载荷等。需要分析的主要包括管板、筒体、换热管膨胀节等部位。体、换热管膨胀节等部位。压力容器技术进展 现代设计技术d) 夹套设备夹套设备 这种设备最大的特点是容器内和夹套内都有压力，存在压力差，这种设备最大的特点是容器内和夹套内都有压力，存在压力差，对这种结构的分析也有过节省大量资金的范例。对这种结构的分析也有过节省大量资金的范例。椭椭圆圆封封头头夹夹套套接接管管结结构构压力容器技术进展 现代设计技术e) 卧式容

34、器卧式容器 这种设备除了要考虑设备的正常操作（运行）工况外，还要考这种设备除了要考虑设备的正常操作（运行）工况外，还要考虑运输，安装等情况，同时还要分析支座的强度（包括各个方向虑运输，安装等情况，同时还要分析支座的强度（包括各个方向的地震分析）的地震分析）罐体垂直吊装工况应力分析结果罐体垂直吊装工况应力分析结果 固定鞍座有限元模型：自重计固定鞍座有限元模型：自重计算压力纵向水平地震载荷工况算压力纵向水平地震载荷工况压力容器技术进展 现代设计技术f) 塔器塔器 这类设备最大的特点是长径比大并竖直放置，承受载荷相对复这类设备最大的特点是长径比大并竖直放置，承受载荷相对复杂。所以要考虑其支撑部位（或

35、吊耳等方式）的强度，地震和风杂。所以要考虑其支撑部位（或吊耳等方式）的强度，地震和风载荷也是需要考虑的主要载荷形式。载荷也是需要考虑的主要载荷形式。塔器的裙座热分析塔器的裙座热分析一种塔器的分析（用一种塔器的分析（用ABAQUS）压力容器技术进展 现代设计技术g) 加氢反应器加氢反应器 该类设备是石化行业很重要的设备，造价很高，用钢该类设备是石化行业很重要的设备，造价很高，用钢量很大，所以，加氢反应器采用分析设计是非常必要的，量很大，所以，加氢反应器采用分析设计是非常必要的，经济效益非常可观。经济效益非常可观。通过热分析得到得加氢反应器裙座的温度分布图通过热分析得到得加氢反应器裙座的温度分布图

36、压力容器技术进展 现代设计技术2) 标准研究标准研究 借助于有限元，我们对现行的借助于有限元，我们对现行的标准进行了具体的专项研究，这标准进行了具体的专项研究，这里仅仅以球罐为例进行说明。里仅仅以球罐为例进行说明。 我们研究了球罐支腿和球壳的我们研究了球罐支腿和球壳的不同的连接（传统的和几中新的不同的连接（传统的和几中新的结构形式）方式对各种载荷下应结构形式）方式对各种载荷下应力分布的影响。也研究了在各种力分布的影响。也研究了在各种载荷下，由于支腿位置和方位不载荷下，由于支腿位置和方位不同而对应力分布的影响等。同时，同而对应力分布的影响等。同时，进行了象对凸圆这种新进行了象对凸圆这种新“人孔人

37、孔”结结构型式应力分布状况的研究，等构型式应力分布状况的研究，等等。等。新型的球罐支腿连接方式新型的球罐支腿连接方式3) 超规范结构设计局部验超规范结构设计局部验算算 大开孔问题，特殊结构大开孔问题，特殊结构（如夹套，切向接管等等（如夹套，切向接管等等结构结构），整个容器结结构结构），整个容器结构可以按照常规设计标准构可以按照常规设计标准设计，但局部仍需要进行设计，但局部仍需要进行有限元分析得到其应力强有限元分析得到其应力强度得分布，强度上满足标度得分布，强度上满足标准要求。准要求。加加强强的的四四通通应应力力分分布布大大开开孔孔结结构构4) 在役设备寿命的评在役设备寿命的评估估 当发现在役设

38、备有当发现在役设备有缺陷后，是否可以继缺陷后，是否可以继续使用？是否可降低续使用？是否可降低条件使用？还可以用条件使用？还可以用多少年等，是很多老多少年等，是很多老企业所关心的问题。企业所关心的问题。借助有限元分析就可借助有限元分析就可以解决这些问题。以解决这些问题。十五计划的重点科研课题十五计划的重点科研课题研究（缺陷管道的寿命评研究（缺陷管道的寿命评估，获国家发明二等奖）估，获国家发明二等奖）压力容器技术进展 压力容器设计的经济性 2. 2. 压力容器的优化设计压力容器的优化设计因为大部分的设计问题往往有多于一个的可行解，所以应因为大部分的设计问题往往有多于一个的可行解，所以应用优化方法，

39、协助选择出一个好的设计，使决策不但技术上用优化方法，协助选择出一个好的设计，使决策不但技术上可行，而且关于某些准则是最优的。可行，而且关于某些准则是最优的。传统的工程设计由于专业理论与计算工具的限制，是根据传统的工程设计由于专业理论与计算工具的限制，是根据经验和判断先制定设计方案，随后对所确定的设计方案进行经验和判断先制定设计方案，随后对所确定的设计方案进行分析校核，是一个边试边改的过程，亦称为设计分析。而优分析校核，是一个边试边改的过程，亦称为设计分析。而优化设计是要综合各方面的因素、要求、约束、指标、设计质化设计是要综合各方面的因素、要求、约束、指标、设计质量检验等等，产生一个最优设计方案

40、，称为设计综合。设计量检验等等，产生一个最优设计方案，称为设计综合。设计综合最重要的特点，是对设计问题通过数学模型的运作应用综合最重要的特点，是对设计问题通过数学模型的运作应用优化方法求解，从而保证了方案具有最好的质量。而设计分优化方法求解，从而保证了方案具有最好的质量。而设计分析则不能保证求出最优解。析则不能保证求出最优解。 等强度优化设计等强度优化设计 一台完整的压力容器是由封头、筒体、一台完整的压力容器是由封头、筒体、人孔、接管、设备法兰系统等受压元件组成，各个受压元件人孔、接管、设备法兰系统等受压元件组成，各个受压元件的强度对压力容器都相当重要。使用时，其中一个元件的破的强度对压力容器

41、都相当重要。使用时，其中一个元件的破坏即会导致整个容器的失效，所以整个容器的强度就相当于坏即会导致整个容器的失效，所以整个容器的强度就相当于这个最先破坏部件的强度。在压力容器使用过程中，我们最这个最先破坏部件的强度。在压力容器使用过程中，我们最不希望出现的情况是小的部件如接管、人孔、法兰最先破坏不希望出现的情况是小的部件如接管、人孔、法兰最先破坏而导致整体容器失效，而实际上往往就是这些小部件出现问而导致整体容器失效，而实际上往往就是这些小部件出现问题而降低了整个容器的使用可靠性和安全性。因此，应使设题而降低了整个容器的使用可靠性和安全性。因此，应使设计的压力容器组成元件不要出现强度差异太大的状

42、况，其最计的压力容器组成元件不要出现强度差异太大的状况，其最合理的设计方法就是等强度优化设计。即利用容器的最大允合理的设计方法就是等强度优化设计。即利用容器的最大允许工作压力对各个受压元件进行设计或校核，使价值相对于许工作压力对各个受压元件进行设计或校核，使价值相对于筒体、封头小的部件（如接管、人孔、设备法兰）之强度大筒体、封头小的部件（如接管、人孔、设备法兰）之强度大于或等于筒体、封头的强度，即使是在小部件上多用些材料于或等于筒体、封头的强度，即使是在小部件上多用些材料也是经济的。因此通过等强度优化设计可提高压力容器的整也是经济的。因此通过等强度优化设计可提高压力容器的整体安全性及经济性。体

43、安全性及经济性。压力容器技术进展 现代设计技术 在实际的受压元件设计中，设计压力作为一种预期的设计载在实际的受压元件设计中，设计压力作为一种预期的设计载荷代入公式得到计算厚度荷代入公式得到计算厚度 。最终的名义厚度。最终的名义厚度nn是根据计算厚度是根据计算厚度 和考虑到各种材料的材质和规格不同而得到的，它是计算厚度和考虑到各种材料的材质和规格不同而得到的，它是计算厚度加上厚度附加量向上圆整至钢材标准规格的厚度。由于圆整量的加上厚度附加量向上圆整至钢材标准规格的厚度。由于圆整量的存在，它的有效厚度存在，它的有效厚度ee大于计算厚度。因此，这个受压元件实际大于计算厚度。因此，这个受压元件实际允许

44、承受的最大工作压力大于设计压力。该压力就是该受压元件允许承受的最大工作压力大于设计压力。该压力就是该受压元件的最大允许工作压力的最大允许工作压力PwPw，它是这个受压元件的客观属性。一个，它是这个受压元件的客观属性。一个完整的容器由多个受压元件组成。由于各个受压元件的最大允许完整的容器由多个受压元件组成。由于各个受压元件的最大允许工作压力不尽相同，各元件中最大允许工作压力最小的受压元件工作压力不尽相同，各元件中最大允许工作压力最小的受压元件就决定了整个容器的最大允许工作压力。就决定了整个容器的最大允许工作压力。压力容器技术进展 现代设计技术 由于容器的最大允许工作压力是由各受压元件的最大允许由

45、于容器的最大允许工作压力是由各受压元件的最大允许工作压力中的最小值决定的。工作压力中的最小值决定的。所以最大允许工作压力最小的所以最大允许工作压力最小的元件应取材料用量多、投资比例最大的部件，一般应选取筒元件应取材料用量多、投资比例最大的部件，一般应选取筒体或封头比较经济合理。体或封头比较经济合理。因此，应该首先以设计压力因此，应该首先以设计压力PcPc为基准计算筒体和封头等容为基准计算筒体和封头等容器壳体的厚度，再用筒体或封头的最大允许工作压力对其它器壳体的厚度，再用筒体或封头的最大允许工作压力对其它受压元件逐个进行设计或校核，以确保所有其它受压元件的受压元件逐个进行设计或校核，以确保所有其

46、它受压元件的最大允许工作压力大于或等于筒体或封头的最大允许工作压最大允许工作压力大于或等于筒体或封头的最大允许工作压力，如此，使整个容器在强度得以保证前提下，提高整个容力，如此，使整个容器在强度得以保证前提下，提高整个容器的经济性。器的经济性。压力容器技术进展 现代设计技术 压力容器壳体的优化设计压力容器壳体的优化设计 从设计的角度，如果在保证从设计的角度，如果在保证其它要求的情况下，降低压力容器壳体质量便能有效地减少其它要求的情况下，降低压力容器壳体质量便能有效地减少设备总质量，从而达到提高其综合经济性能的目的。对具体设备总质量，从而达到提高其综合经济性能的目的。对具体优化设计问题，并不是要

47、求对所有的基本参数都用优化方法优化设计问题，并不是要求对所有的基本参数都用优化方法进行修改调整。压力容器壳体质量是由内径进行修改调整。压力容器壳体质量是由内径DiDi、筒体长度、筒体长度L L和壁厚和壁厚 来确定的，在设计参数一定的情况下，由来确定的，在设计参数一定的情况下，由DiDi和和L L可确可确定壳体壁厚定壳体壁厚n , n , 因此可选择壳体的形状参数因此可选择壳体的形状参数DiDi、L L作为设计作为设计变量。变量。其中的约束条件有容积，材料强度，最小壁厚，容器试验其中的约束条件有容积，材料强度，最小壁厚，容器试验压力下的应力允许值等。目标函数就是壳体质量。实质是求压力下的应力允许

48、值等。目标函数就是壳体质量。实质是求解具有不等式约束的优化问题。解具有不等式约束的优化问题。压力容器技术进展 现代设计技术 在压力容器设计参数、计算范围和优化步长确定在压力容器设计参数、计算范围和优化步长确定的情况下，任何一台压力容器都存在着一个使壳体的情况下，任何一台压力容器都存在着一个使壳体质量最小的最佳设计方案，因此采用优化设计方法，质量最小的最佳设计方案，因此采用优化设计方法，并借助计算机应用一些精确度较高的力学的数值分并借助计算机应用一些精确度较高的力学的数值分析方法进行分析计算，从大量的可行设计方案中寻析方法进行分析计算，从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，是科技发展的

49、必然结果。找出一种最优的设计方案，是科技发展的必然结果。另外，按照寿命周期费用（设置费加维持费）最另外，按照寿命周期费用（设置费加维持费）最低的原则进行设备的优化设计，是目前优化设计的低的原则进行设备的优化设计，是目前优化设计的发展趋势。发展趋势。压力容器技术进展 现代设计技术 3. 3. 压力容器的计算机辅助设计压力容器的计算机辅助设计 随着计算机技术的发展，随着计算机技术的发展，CADCAD（Computer Computer Aided DesignAided Design）、）、CAECAE技术已经在许多领域得到技术已经在许多领域得到了普遍推广应用。通过了普遍推广应用。通过CADCAD

50、技术可以让设计者方便技术可以让设计者方便地表达其富有创造性的设计思想，减少简单重复劳地表达其富有创造性的设计思想，减少简单重复劳动，缩短概念设计的周期，从而提高设计的效率和动，缩短概念设计的周期，从而提高设计的效率和质量。质量。压力容器技术进展 现代设计技术压力容器技术进展 压力容器属于多品种、单件或小批量生产的产品。在市场压力容器属于多品种、单件或小批量生产的产品。在市场经济中，要求产品的交货期愈来愈短，其设计绘图工作相当经济中，要求产品的交货期愈来愈短，其设计绘图工作相当繁重，因此，在压力容器设计中大力开发推广繁重，因此，在压力容器设计中大力开发推广CADCAD技术，必技术，必将对压力容器