压力容器培训GB150精品资料课件.ppt
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1、GB150 钢制压力容器钢制压力容器 Steel pressure vesselsu1 1、总论、总论 u2 2、受压元件、受压元件 u3 3、外压元件(园筒和球壳)、外压元件(园筒和球壳) u4 4、开孔补强、开孔补强 u5 5、法兰、法兰u6 6、低温压力容器(附录、低温压力容器(附录C C) u7 7、超压泄放装置(附录、超压泄放装置(附录B B) u1 1、总论、总论 u2 2、受压元件、受压元件 u3 3、外压元件(园筒和球壳)、外压元件(园筒和球壳) u4 4、开孔补强、开孔补强 u5 5、法兰、法兰u6 6、低温压力容器(附录、低温压力容器(附录C C) u7 7、超压泄放装置(
2、附录、超压泄放装置(附录B B) 1.1 GB150适用范围适用范围压力:压力:适用于设计压力不大于适用于设计压力不大于35MPa35MPa, 不低于不低于0.1MPa0.1MPa及真空度高于及真空度高于0.02MPa0.02MPa温度:温度:钢材允许使用温度钢材允许使用温度1.2 GB150管辖范围管辖范围容器壳体及与其连为整体的受压零部件容器壳体及与其连为整体的受压零部件 1 1)容器与外部管道连接)容器与外部管道连接 焊缝连接第一道环向焊缝端面焊缝连接第一道环向焊缝端面 法兰连接第一个法兰密封面法兰连接第一个法兰密封面 螺纹连接第一个螺纹接头端面螺纹连接第一个螺纹接头端面 专用连接件第一
3、个密封面专用连接件第一个密封面2 2)接管、人孔、手孔等的封头、平盖及紧固件)接管、人孔、手孔等的封头、平盖及紧固件3 3)非受压元件与受压元件焊接接头(如支座、垫板、吊耳等)非受压元件与受压元件焊接接头(如支座、垫板、吊耳等)4 4)连接在容器上的超压泄放装置)连接在容器上的超压泄放装置 1.3 1.3 容器的失效形式容器的失效形式 压力容器在载荷作用下丧失正常工作能力称之为失效。压力容器设压力容器在载荷作用下丧失正常工作能力称之为失效。压力容器设计说到底是壁厚的计算,壁厚确定主要是对材料失效模式的判别计说到底是壁厚的计算,壁厚确定主要是对材料失效模式的判别: : 弹性失效弹性失效 壳体应力
4、限制在弹性范围内,按弹性强度理论,壳体承壳体应力限制在弹性范围内,按弹性强度理论,壳体承载在弹性状态。载在弹性状态。 塑性失效塑性失效 壳体应力限制在塑性范围内,按塑性强度理论,壳体承壳体应力限制在塑性范围内,按塑性强度理论,壳体承载在塑性状态。载在塑性状态。 爆破失效爆破失效 壳体爆破是承载能力最大极限,表示材料承载能力的极壳体爆破是承载能力最大极限,表示材料承载能力的极限。限。 压力容器失效表现为强度(断裂、泄漏)、刚度(泄漏、变形)和压力容器失效表现为强度(断裂、泄漏)、刚度(泄漏、变形)和稳定性(失稳)。稳定性(失稳)。1.4 1.4 设计参数设计参数 1.4.1 1.4.1 压力(压
5、力(6 6个压力)个压力) P Pw w 正常工况下,容器顶部可能达到的最高压力正常工况下,容器顶部可能达到的最高压力 P Pd d 与相应设计温度相对应作为设计条件的容器顶部的最高压力与相应设计温度相对应作为设计条件的容器顶部的最高压力 P Pd dPPW W P Pc c 在相应设计温度下,确定元件厚度压力(包括静液柱)在相应设计温度下,确定元件厚度压力(包括静液柱) P Pt t 压力试验时容器顶部压力压力试验时容器顶部压力 P Pwmax wmax 设计温度下,容器顶部所能承受最高压力,设计温度下,容器顶部所能承受最高压力, 由受压元件有效厚度计算得到。由受压元件有效厚度计算得到。 P
6、z Pz 安全泄放装置动作压力安全泄放装置动作压力 P Pw wP Pz z (1.05-1.1)P (1.05-1.1)Pw w P Pd d P Pz z 1.4 1.4 设计参数设计参数 1.4.2 1.4.2 温度温度T Tw w 在正常工况下元件的金属温度,实际工程中,往往以介质的温度表示在正常工况下元件的金属温度,实际工程中,往往以介质的温度表示工作温度。工作温度。T Tt t 压力试验时元件的金属温度,工程中也往往以试验介质温度来表示压力试验时元件的金属温度,工程中也往往以试验介质温度来表示试验温度。试验温度。T Td d 在正常工况下,元件的金属截面的平均温度,由于金属壁面温度
7、计在正常工况下,元件的金属截面的平均温度,由于金属壁面温度计算很麻烦,一般取介质温度加或减算很麻烦,一般取介质温度加或减10-2010-20得到。得到。1.4 1.4 设计参数设计参数 1.4.3 1.4.3 壁厚(壁厚(6 6个厚度)个厚度) c c 计算厚度,由计算公式得到保证容器强度,刚度和稳定的厚度计算厚度,由计算公式得到保证容器强度,刚度和稳定的厚度d d 设计厚度,设计厚度,d d = =c c +C +C2 2(腐蚀裕量)(腐蚀裕量)n n 名义厚度,名义厚度,n n = =d d +C +C1 1(钢材负偏差)(钢材负偏差)+ +(圆整量)(圆整量)e e 有效厚度,有效厚度,
8、e e=n n-C-C1 1-C-C2 2=c c+ +minmin 设计要求的成形后最小厚度,设计要求的成形后最小厚度,minminn n-C-C1 1 (GB150 3.5.6GB150 3.5.6壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输中刚度壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输中刚度而定;而而定;而minmin是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。)是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。)坯坯 坯料厚度坯料厚度坯坯=d d +C +C1 1+ +C+C3 3(其中:(其中:C C3 3 制造减簿量,主要考虑材料(黑色,有色)、工艺(模压制造减簿量,主要考虑材料(黑色,有色
9、)、工艺(模压,旋压;冷压,热压),所以,旋压;冷压,热压),所以C C3 3值一般由制造厂定。)值一般由制造厂定。)各厚度之间的相互关系各厚度之间的相互关系1.4 1.4 设计参数设计参数 1.4.4 1.4.4 许用应力许用应力许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值:许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值: b b/n/nb b s s/n/ns s D D/n/nD D n n/n/nn n 当设计温度低于当设计温度低于2020取取2020的许用应力。的许用应力。u1、总论、总论 u2、受压元件、受压元件 u3、外压元件(园筒和球壳)、外压元件(园筒和球壳) u4、开孔补强、开孔
10、补强 u5、法兰、法兰u6、低温压力容器(附录、低温压力容器(附录C) u7、超压泄放装置(附录、超压泄放装置(附录B) 2.12.1园筒和球壳园筒和球壳 园筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出:园筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出: tciiciHPDDPD442 ticDP41 ticicDPllDP22 ticDP22 中径(Di+)替代Di cticPDP41 cticPDP22 5 . 1,4 . 0KPc相当于适用范围 是以是以 薄壁容器内径公式导出,认为应力是均匀分布。薄壁容器内径公式导出,认为应力是均匀分布。随壁厚增加随壁厚增加K K值增大,应
11、力分布不均匀程度加大,当值增大,应力分布不均匀程度加大,当K=1.5K=1.5时,由薄壁公式时,由薄壁公式计算应力比拉美公式计算应力要低计算应力比拉美公式计算应力要低23%23%,误差较大;当采用(,误差较大;当采用(Di+Di+)替代)替代DiDi内径后,则其应力仅相差内径后,则其应力仅相差3.8%3.8%,这样扩大了公式应用范围(,这样扩大了公式应用范围(K1.5K1.5),),误差在工程允许范围内。误差在工程允许范围内。,H2 . 10iDDK园筒受力图 园筒环向应力是轴向应力园筒环向应力是轴向应力2 2倍,最大主应力为环向应力,所以公倍,最大主应力为环向应力,所以公式中焊接接头系数为纵
12、向焊缝接头系数。式中焊接接头系数为纵向焊缝接头系数。 cticPDP4 而球壳环向应力和径向应力是相等。按中径公式可推导出,球壳而球壳环向应力和径向应力是相等。按中径公式可推导出,球壳壁厚壁厚适用范围适用范围Pc0.6Pc0.6 t t,相当于,相当于K1.353K1.353公式中焊接接头系数为所有拼接焊缝接头系数。公式中焊接接头系数为所有拼接焊缝接头系数。2.2 2.2 封头封头 2.2.1 2.2.1 椭圆封头椭圆封头 1 1)应力分布)应力分布 标准椭圆封头(标准椭圆封头(a/b=2a/b=2)应力分布:)应力分布: par2parpapa 径向应力径向应力r r为拉伸应力,封头中心最大
13、,沿径线向封头底边逐渐为拉伸应力,封头中心最大,沿径线向封头底边逐渐减小。减小。 周向应力周向应力封头中心拉伸应力,并沿径线向封头底边逐渐减小,封头中心拉伸应力,并沿径线向封头底边逐渐减小,由拉伸应力变为压缩应力,至底边压应力最大。且由拉伸应力变为压缩应力,至底边压应力最大。且a/ba/b越大,底部压应越大,底部压应力愈大。出于上述考虑,力愈大。出于上述考虑,GB150GB150规定规定a/b2.6a/b2.6。 所以在内压作用下,封头短轴要伸长,长轴要缩短称之为趋园现象所以在内压作用下,封头短轴要伸长,长轴要缩短称之为趋园现象,在曲面与直边相连部分,封头底边径向收缩,园筒径向胀大,在边界,在
14、曲面与直边相连部分,封头底边径向收缩,园筒径向胀大,在边界力作用下产生附加弯距(弯曲应力),封头上最大应力为薄膜应力和弯力作用下产生附加弯距(弯曲应力),封头上最大应力为薄膜应力和弯曲应力之和。曲应力之和。 2.2.12.2.1 计算公式计算公式 cticPDKP5 . 02可近似理解为,椭圆封头壁厚是园筒壁厚的K倍。(园筒周向应力)封头上最大总应力)(maxK其中: 表示为封头形状系数,a/b越大,越扁平,长轴收缩多,变形越大,应力也大。K与Di/2hi关系查表 7.13 3)稳定性)稳定性 在内压作用下,长轴缩短,产生压应力,存在周向失稳可能,标准控在内压作用下,长轴缩短,产生压应力,存在
15、周向失稳可能,标准控制最小厚度来保证。(制最小厚度来保证。(GB150 GB150 表表7-1 7-1 下部说明)下部说明) 在外压作用下,短轴缩短,产生压应力,球面部分存在失稳可能,用在外压作用下,短轴缩短,产生压应力,球面部分存在失稳可能,用图表法进行校核计算。图表法进行校核计算。2.2 2.2 封头封头 2.2.2 2.2.2 碟形封头碟形封头1 1)应力分布)应力分布 碟形封头由球面、环壳和园碟形封头由球面、环壳和园筒组成,应力分布与椭圆封头相筒组成,应力分布与椭圆封头相似。似。 径向应力径向应力 r r为拉伸应力,为拉伸应力,在球面部分均匀分布,至环壳应在球面部分均匀分布,至环壳应力
16、逐渐减小,到底边应力降至一力逐渐减小,到底边应力降至一半。半。 周向应力周向应力 在球面部分为在球面部分为均匀分布拉伸应力,环壳上为压均匀分布拉伸应力,环壳上为压缩应力,在连接点到底边逐渐减缩应力,在连接点到底边逐渐减小,而在球面与环壳连接处最大小,而在球面与环壳连接处最大。r002rRi20rh 碟形封头与椭圆封头形状相似,不同点是应力与变形都是不连续的,碟形封头与椭圆封头形状相似,不同点是应力与变形都是不连续的,而且有两个拐点(球面与环壳、环壳与园筒)在两个边界上产生附加力矩而且有两个拐点(球面与环壳、环壳与园筒)在两个边界上产生附加力矩(弯曲应力)(弯曲应力) 在内压作用下,球面外凸,环
17、壳内缩,园筒外胀。当在内压作用下,球面外凸,环壳内缩,园筒外胀。当r/Rr/R越小,球面越小,球面与环壳处产生应力最大;与环壳处产生应力最大;r/R1r/R1趋于球壳,弯距趋于球壳,弯距00;所以蝶形封头最大;所以蝶形封头最大应力在球面与环壳过度区。应力在球面与环壳过度区。 2 2)碟形封头的计算公式)碟形封头的计算公式 Ri/rRi/r越大,变形越大,应力也大,所以越大,变形越大,应力也大,所以M M随随R/rR/r增大而增大,增大而增大, M M与与Ri/rRi/r查表查表7-37-3 cticPRMP5 . 02可近似理解为,蝶形封头壁厚是球壳壁厚的可近似理解为,蝶形封头壁厚是球壳壁厚的
18、M M倍。倍。其中:其中: 形状系数,形状系数,球壳最大应力最大总应力M3 3)稳定性)稳定性 在内压作用下,长轴缩短,产生压应力,存在周向失稳可能,标准控在内压作用下,长轴缩短,产生压应力,存在周向失稳可能,标准控制最小厚度来保证。(制最小厚度来保证。(GB150 GB150 表表7-1 7-1 下部说明)下部说明) 在外压作用下,短轴缩短,产生压应力,球面部分存在失稳可能,用在外压作用下,短轴缩短,产生压应力,球面部分存在失稳可能,用图表法进行校核计算。图表法进行校核计算。2.2 2.2 封头封头 2.2.3 2.2.3 锥形封头锥形封头1 1)定义)定义 锥形封头半顶角锥形封头半顶角60
19、60,以大端直径为当量园筒直径,以大端直径为当量园筒直径(D(Di i/cos)/cos)方法计算(即按当量园筒一次薄膜应力计算)。方法计算(即按当量园筒一次薄膜应力计算)。 同一直径处周向应力等于轴向应力同一直径处周向应力等于轴向应力2 2倍;不同直径处,应力是不同倍;不同直径处,应力是不同的。的。 半顶角半顶角6060,按园平板计算,此时应力以弯曲应力为主,与薄,按园平板计算,此时应力以弯曲应力为主,与薄膜理论不适应的。膜理论不适应的。 大端大端3030采用无折边结构;采用无折边结构; 3030带折边带折边 小端小端4545采用无折边结构;采用无折边结构; 4545带折边带折边 2 2)应
20、力分析)应力分析大端大端 轴向力轴向力T T2 2分解成沿母线方向分解成沿母线方向N N2 2和垂直与轴线方向和垂直与轴线方向P P2 2。 N N2 2 轴向拉伸应力轴向拉伸应力 P P2 2 大端径向收缩,产生径向弯大端径向收缩,产生径向弯曲应力,并使周向应力与压力作用曲应力,并使周向应力与压力作用产生周向应力,方向相反而相对减产生周向应力,方向相反而相对减小,所以大端以一次轴向拉伸应力小,所以大端以一次轴向拉伸应力+ +二次轴向弯曲应力为强度控制条二次轴向弯曲应力为强度控制条件件 3 1 . 12 2)应力分析)应力分析小端小端 轴向力轴向力T T1 1分解成母线方向分解成母线方向N N
21、1 1和垂直于轴线方向和垂直于轴线方向P P1 1. . N N1 1 轴向拉伸应力轴向拉伸应力 P P1 1 小端径向张大,产生周向应小端径向张大,产生周向应力。此周向应力与压力作用产生周力。此周向应力与压力作用产生周向应力方向一致,相互叠加,所以向应力方向一致,相互叠加,所以小端以一次周向应力小端以一次周向应力+ +由边界力引由边界力引起周向起周向应力为强度条件控制值应力为强度条件控制值3 3)计算公式)计算公式 锥壳厚度锥壳厚度 cos12ctcccPDP 由于受边界条件影响,是否需要在大、小端增设加强段,由由于受边界条件影响,是否需要在大、小端增设加强段,由GB150 GB150 图图
22、7-117-11、7-137-13判断,交点在左边表示二次应力影响不大,不起控制作用判断,交点在左边表示二次应力影响不大,不起控制作用,按上式计算即可;当交点在右边时,需增设加强段。,按上式计算即可;当交点在右边时,需增设加强段。大端厚度:大端厚度: 小端厚度小端厚度: cticrPDQP2 ctiscrPDQP2Q Q应力增值系数,体现边界应力作用。应力增值系数,体现边界应力作用。通常情况下,锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。通常情况下,锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。2.2 2.2 封头封头 2.2.42.2.4平盖平盖 平盖厚度是基于园平板在均布载荷作用下一次弯曲应
23、力来计算:平盖厚度是基于园平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算: K K为结构特征系数,分固支(焊接)和简支(螺栓)查表为结构特征系数,分固支(焊接)和简支(螺栓)查表7-77-7。 比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力,可知:比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力,可知: 挠度反映板的刚度;应力则反映强度。挠度反映板的刚度;应力则反映强度。 所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小,从所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小,从强度和刚度要求,周边固支比周边简支的为好。强度和刚度要求,周边固支比周边简支的为好。 tcckPD 08. 4maxmax固支简支ff
24、65. 1maxrmaxr固支简支u1、总论、总论 u2、受压元件、受压元件 u3、外压元件(园筒和球壳)、外压元件(园筒和球壳) u4、开孔补强、开孔补强 u5、法兰、法兰u6、低温压力容器(附录、低温压力容器(附录C) u7、超压泄放装置(附录、超压泄放装置(附录B) 3.1 3.1 失稳失稳外压元件承受的压应力,其破坏形式主要是失稳,失稳可分为周向失外压元件承受的压应力,其破坏形式主要是失稳,失稳可分为周向失稳和轴向失稳。稳和轴向失稳。周向失稳周向失稳 断面由园形变成波形断面由园形变成波形 轴向失稳轴向失稳 轴线由直线变成波形线轴线由直线变成波形线 3.2 3.2 外压容器的设计外压容器
25、的设计外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。外压容器园筒壁厚的计算,主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。外压容器园筒壁厚的计算,主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。为了防止失稳,应使壳体防止失稳的许用压力为了防止失稳,应使壳体防止失稳的许用压力PP大于或等于计算压力大于或等于计算压力Pc.Pc.园筒稳定安全系数取园筒稳定安全系数取3.03.0,球壳稳定安全系数取,球壳稳定安全系数取14.5214.52。1 1)周向失稳计算)周向失稳计算外压容器壳体壁厚计算一般采用图算法,根据壳体直径(或半径),计外压容器壳体壁厚计算一般采用图算法,根据壳体直径
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