壓力容器設(shè)計(jì)的力學(xué)方法 - 廣東石油化工學(xué)院

1、GB150.3《壓力容器-設(shè)計(jì)》鄭津洋2012年2月22-23日 黃山,GB150.3對GB150-1998所作的修改和增加的內(nèi)容 內(nèi)壓圓筒和內(nèi)壓球殼- 增加了按外徑進(jìn)行壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算的相應(yīng)公式,受外壓圓筒和球殼以及外壓曲線- 增加了對應(yīng)于高強(qiáng)度材料的外壓曲線增加了材料與應(yīng)力系數(shù)B曲線圖的對應(yīng)選用表加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了部分修改,各種封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算方法 增加了偏心錐殼、低壓折邊平封頭、帶筋平封頭和拉 撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方

2、法 調(diào)整了部分平蓋的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K 增加了適用于平封頭與筒體全熔透連接結(jié)構(gòu)的塑性分 析設(shè)計(jì)方法 修改了球冠形封頭、錐殼與筒體連接的加強(qiáng)設(shè)計(jì)方法,開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法 增加了針對筒體上法向接管開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的分析方 法，開孔率適用范圍可達(dá)0.9 修改了平蓋上開孔接管的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法,法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算方法增加了整體法蘭和按整體法蘭計(jì)算的任意法蘭的剛度 校核要求 增加了波齒墊片設(shè)計(jì)選用參數(shù),附錄D “焊接接頭結(jié)構(gòu)”按多年來我

3、國壓力容器行業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的內(nèi)容對GB150-1998附錄J所列的各種焊接接頭結(jié)構(gòu)形式作了調(diào)整,并增加了若干E類焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式,附錄E “關(guān)于低溫壓力容器的基本設(shè)計(jì)要求” 按材料和制造技術(shù)要求，對低溫壓力容器的界定作了修改 更加嚴(yán)格了適用“低溫低應(yīng)力工況”的條件,以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的公式用于板材卷制的筒體；以外徑為基準(zhǔn)的公式一般用于管材作為筒體的場合,受內(nèi)壓殼體的強(qiáng)度設(shè)計(jì) GB150中關(guān)于內(nèi)壓殼體的強(qiáng)度計(jì)算

4、考慮的失效模式是結(jié)構(gòu)在一次加載下的塑性破壞,筒體的壁厚設(shè)計(jì) 中徑公式得到的筒體的環(huán)向應(yīng)力（最大主應(yīng)力）：,以外徑為基準(zhǔn),以內(nèi)徑為基準(zhǔn),,,彈性力學(xué)解 (拉美公式),屈服條件 (第一強(qiáng)度理論) ：,基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和薄壁圓筒理論的壁厚計(jì)算 按照彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，由中徑公式（實(shí)際上是第一強(qiáng)度理論）、Mises屈服準(zhǔn)則、Tresca屈服準(zhǔn)則可得到的圓筒計(jì)算壓力與徑比K的關(guān)系： 按中徑公式+第一強(qiáng)度理論

5、 按拉美公式+第三強(qiáng)度理論（Tresca屈服準(zhǔn)則） 按拉美公式+第四強(qiáng)度理論（Mises屈服準(zhǔn)則）,,,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：按第四強(qiáng)度理論預(yù)測的圓筒初始屈服壓力與實(shí)測值最為接近。由圖可以看出：（1）按彈性失效觀點(diǎn)，在同一承載能力下，由中徑公式算出的厚度最薄，最危險；由Tresca設(shè)計(jì)準(zhǔn)則算出的厚度最厚，最保守。（2）在徑比較小時，三種

6、計(jì)算方法的差別不大。（3）只有在徑比較低時，中徑公式才與其他兩種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則十分接近。一般將中徑公式的適用范圍規(guī)定為：,按彈性失效準(zhǔn)則時圓筒計(jì)算壓力與徑比關(guān)系,基于塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的壁厚計(jì)算 假設(shè)材料為理想彈塑性，基于Mises屈服準(zhǔn)則、Tresca屈服準(zhǔn)則可分別得到圓筒的全屈服壓力預(yù)測公式。用許用應(yīng)力和焊接接頭系數(shù)的乘積代替屈服強(qiáng)度，可以得到計(jì)算壓力和徑比的關(guān)系基于Mises屈服準(zhǔn)則基于Tresca屈服準(zhǔn)則,,,

7、按塑性失效準(zhǔn)則時圓筒計(jì)算 壓力與徑比的關(guān)系,分析討論 由級數(shù)展開得 因?yàn)镵大于1，所以 這就是說：在徑比和材料一定時，按Tresca屈服準(zhǔn)則得到的計(jì)算壓力大于按中徑公式得到的計(jì)算壓力；反之，當(dāng)計(jì)算壓力和材料一定時，按中徑公式得到較厚的壁厚，偏保守。值得注意的是：當(dāng)徑比較小時兩者的差異很小。,,,,基于此，新版ASME BPVC VIII-2中，不論厚或者薄，圓筒的厚度均基于

8、Tresca屈服準(zhǔn)則，即厚度計(jì)算公式為,,球殼的壁厚設(shè)計(jì)中徑公式：,半球形封頭壁厚計(jì)算公式與圓筒壁厚計(jì)算公式對應(yīng),用彈塑性力學(xué)解得到的球殼極限壓力,極限壓力：,GB150規(guī)定球殼中徑公式的適用范圍為 p/[?]?? ? 0.6 (即K ? 1.35 ，相對誤差約為 -0.7%),受外壓殼體的剛度設(shè)計(jì) GB150中關(guān)于外壓殼體的計(jì)算所考慮的主要失效模式是結(jié)構(gòu)在外壓載荷作用下的周向失穩(wěn)，也兼顧結(jié)構(gòu)的塑性強(qiáng)度破壞,無限長圓筒失

9、穩(wěn)時的波數(shù)為2，失穩(wěn)臨界壓力可以下式求得：,短圓筒的失穩(wěn)臨界壓力用美國海軍水槽公式計(jì)算：,失穩(wěn)臨界壓力可按以下通用公式表示：,圓筒失穩(wěn)時的環(huán)向應(yīng)力和應(yīng)變：,定義,于是,取穩(wěn)定系數(shù) m = 3，有,定義,外壓應(yīng)力系數(shù),,外壓應(yīng)變系數(shù),,,注: 有了A和B的定義后，受外壓筒體可用圖算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方法計(jì)及了圓筒的非彈性失穩(wěn)。,受外壓球殼的臨界壓力計(jì)算公式 小撓度理論解:,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)式:,仍取穩(wěn)定系數(shù) m = 3，B定義為失穩(wěn)臨界應(yīng)

10、力，有,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)式代入，有,注： 1. 若以小撓度理論解代入B的表達(dá)式，并保持A的表達(dá)式不變， 則相當(dāng)于取穩(wěn)定系數(shù)為 m =14.52（或m?15）; 2. 外壓球殼也可用圖算法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。,受外壓圓筒和外壓計(jì)算曲線 在GB150-2011中對外壓殼體計(jì)算用的B值曲線作了擴(kuò)充，所有GB150給出的材料都對應(yīng)有相應(yīng)的B值曲線（見表4-1）,注: 對于受外壓的容器，各種材料的使用溫度上限將由相應(yīng)的

11、B值曲線確定,兩條特殊的B值曲線,注：包括Q370R、15CrMoR、09MnD、09MnNiD等材料，且設(shè)計(jì)溫度不超過150℃,注：包括07MnMoVR、12MnNiVR、06Ni9DR等Rm大于540MPa的材料，且設(shè)計(jì)溫度不超過200℃,調(diào)整外壓圓筒加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì),加強(qiáng)圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩 Is的增補(bǔ)說明,在原標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，新版GB150中4.5.1.1規(guī)定：（1）Is 值的計(jì)算可計(jì)入在加強(qiáng)圈中心線兩側(cè)有效寬度各為

12、 的殼體; (2) 若加強(qiáng)圈中心線兩側(cè)圓筒有效寬度與相鄰加強(qiáng)圈的圓筒有效寬度相重疊，則該圓筒的有效寬度中相重疊部分每側(cè)按一半計(jì)算。,,對于容器內(nèi)部的加強(qiáng)圈，若布置成下圖所示的結(jié)構(gòu)時，原GB150規(guī)定該截面的慣性矩應(yīng)視間隙長度按虛線內(nèi)、外部分計(jì)算。,修改部分結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)圈設(shè)置,實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)取具最小慣性矩的截面進(jìn)行計(jì)算更為適合，因此新版標(biāo)準(zhǔn)中對其進(jìn)行了修改。,各種封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

13、 GB150中關(guān)于各種封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算考慮的主要失效模式有結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下的塑性強(qiáng)度破壞和局部失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)在外壓載荷作用下的失穩(wěn)以及封頭與筒體連接處可能發(fā)生的累積塑性變形引起的失效,球形封頭、橢圓封頭和碟形封頭都給出了以內(nèi)徑和外徑為基準(zhǔn)的壁厚計(jì)算公式,球冠形封頭,,筒體的計(jì)算厚度,,球冠形封頭的壁厚設(shè)計(jì)方法說明 a）球面部分的厚度與加強(qiáng)段的厚度可不一致,b）當(dāng)pc/[?]t? < 0.002時（相當(dāng)于2? /Di <

14、0.002），按以下方法確定計(jì)算系數(shù)Q，并計(jì)算加強(qiáng)段厚度： 1) 按pc/[?]t? = 0.002查圖得到Q值； 2) 取? = 0.001 Di ； 3) ?r = Q·?,注：當(dāng)徑厚比很大時，尚應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的剛度問題，若仍以 pc /[?]t? 確定Q值，將不能保證結(jié)構(gòu)的安全,錐形封頭的壁厚設(shè)計(jì) 對于承受外壓的錐形封頭應(yīng)首先滿足該設(shè)計(jì)條件下的強(qiáng)度要求(GB150-2011新增的要求)

15、,受內(nèi)壓無折邊錐殼大端與筒體連接處的應(yīng)力校核 （包括兩部分）1）壓力作用下為滿足變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力校核 (GB150-1998包括的計(jì)算內(nèi)容) 控制應(yīng)力為軸向彎曲應(yīng)力，強(qiáng)度條件為軸向總應(yīng)力不大于3[?]t (即采用應(yīng)力分類的強(qiáng)度條件),,注：曲線系按最大應(yīng)力強(qiáng)度（主要為軸向彎曲應(yīng)力）繪制，控制值為3[σ]t。 圖5-11 確定錐殼大端連接處的加強(qiáng)圖,,注：曲線系按

16、最大應(yīng)力強(qiáng)度(主要為軸向彎曲應(yīng)力)繪制，控制值為3[?]t；2. 當(dāng)pc/[?]t? < 0.002時(相當(dāng)于2? /Di < 0.002)?r = 0.001Q1?DiL式中，Q1 按 pc/[?]t? = 0.002查圖5-12得到,圖5-12 錐殼大端連接處的Q1 值圖,加強(qiáng)段厚度：?r = Q1??,,,筒體的計(jì)算厚度,2）軸向力QL作用下，為滿足連接邊緣的力平衡和變形協(xié)調(diào)所產(chǎn)生的應(yīng)力校核 (GB1

17、50-2011新增的計(jì)算校核內(nèi)容) 沿圓周單位長度上的軸向力QL,注： 1) 軸向力f1以代數(shù)值代入，拉為正，壓為負(fù)； 2) 以下的計(jì)算方法僅針對QL為正的情況，如QL為負(fù)，應(yīng)采用其他分析方法進(jìn)行計(jì)算。,該環(huán)向應(yīng)力的極限條件為：,注： 1) 相當(dāng)于GB150-2011中的Δ 值(查表5-5)應(yīng)不小于錐殼半頂角α； 2) 當(dāng)僅由壓力載荷作用時，該校核條件相當(dāng)于將負(fù)的最大邊緣應(yīng)力中的絕對值限制為與筒體的周

18、向應(yīng)力等值。,連接邊緣的環(huán)向應(yīng)力：,當(dāng)不滿足該條件時，應(yīng)增加的面積為：,式中: k為殼體材料性能（許用應(yīng)力和彈性模量乘積）與加強(qiáng)圈材料性能的比值 或查表5-5,要求滿足,式中: AeL為有效加強(qiáng)面積,無折邊錐殼小端與筒體連接處的加強(qiáng)計(jì)算 1）壓力作用下為滿足變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力校核 (GB150-1998包括的計(jì)算內(nèi)容),,,,注：如按一次局部薄膜應(yīng)力不大于1.5[

19、?]t的強(qiáng)度條件，則應(yīng)力超過[?]t 的范圍將可能大于,2）軸向力QS作用下，為滿足連接邊緣的力平衡和變形協(xié)調(diào)所產(chǎn)生的應(yīng)力校核 (GB150-2011新增的計(jì)算校核內(nèi)容)連接邊緣的經(jīng)向應(yīng)力將起決定性作用：,該經(jīng)向應(yīng)力的極限條件為：,相當(dāng)于GB150中的Δ 值(查表5-5)應(yīng)不小于錐殼半頂角α,當(dāng)不滿足該條件時，應(yīng)增加的面積為：,式中: k為殼體材料性能（許用應(yīng)力和彈性模量乘積）與加強(qiáng)圈材料性能的比值,要求滿足,式中:

20、Aes為有效加強(qiáng)面積,有折邊錐殼與筒體連接處進(jìn)行的加強(qiáng)計(jì)算方法同GB150-1998中的方法,外壓力作用下的無折邊錐形封頭也需要對軸向力QL作用下，為滿足連接邊緣的力平衡和變形協(xié)調(diào)所進(jìn)行的應(yīng)力校核 (GB150-1998包括的計(jì)算內(nèi)容),1)分析結(jié)果表明在錐殼大端與筒體連接處的最大壓應(yīng)力為經(jīng)向應(yīng)力：,注：1) 軸向力f1以代數(shù)值代入，拉為正，壓為負(fù)； 2) 本節(jié)的計(jì)算方法僅針對QL為負(fù)的情況，如QL為正，應(yīng)采用其他分

21、 析方法進(jìn)行計(jì)算。,在標(biāo)準(zhǔn)中限制該壓應(yīng)力的絕對值不大于 ，當(dāng)壓應(yīng)力超過該限定值，就需要進(jìn)行面積加強(qiáng),需加強(qiáng)的面積為：,式中,,筒體材料的許用應(yīng)力和筒體的經(jīng)向焊接接頭系數(shù),,,注：相當(dāng)于GB150中規(guī)定的Δ值(查表5-8)應(yīng)不小于錐殼半頂角α,要求滿足,式中: AeL為有效加強(qiáng)面積,,取絕對值,2) 無折邊錐殼小端與圓筒連接處是否需加強(qiáng)直接先計(jì)算需要的加強(qiáng)面積(式5-29)：,要求滿足,式中:

22、 Aes為有效加強(qiáng)面積,注：1) 是否需進(jìn)行面積加強(qiáng)的計(jì)算校核僅針對無折邊錐殼與筒體的連接；2)錐殼與筒體連接處是否作為支撐線考慮由設(shè)計(jì)人員確定。如連接處作為支撐線，則應(yīng)對連接處進(jìn)行慣性矩校核。,偏心錐殼的厚度計(jì)算,α1,α2,1）受內(nèi)壓偏心錐殼，取?1和?2中大值，按正錐殼計(jì)算；,2）受外壓偏心錐殼，分別取?1和?2，按正錐殼計(jì)算。,平蓋設(shè)計(jì) a) 平蓋厚度計(jì)算公式同GB150-1998，但結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算系數(shù) K 有所

23、不同,b) 在GB150-2011中新增了結(jié)構(gòu)13、14、16、17,c) 加筋的圓形平蓋,,式中：d 取圖5-23所示 d1 和 d2 中較大者，其中,,注：筋板數(shù)n≥6；應(yīng)盡可能使d1＝d2,當(dāng)采用矩形截面筋板，將組合梁看成A端為固支,B端為簡支,扇形區(qū)承受的壓力作用在組合梁的形心C。這樣，筋板與平蓋組合截面抗彎模量W 應(yīng)滿足：,注： a)如采用矩形截面筋板，其高厚比一般為5～8； b) 筋板與平蓋之間應(yīng)采用雙

24、面焊； c)平蓋中心加強(qiáng)圓環(huán)截面的抗彎模量不小于加強(qiáng)筋板的截面抗彎模量。,拉撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 適用于以棒材、管材或板材（以下簡稱“拉撐”）支撐的凸型封頭、平封頭及筒體的設(shè)計(jì)及計(jì)算,1) 規(guī)則拉撐結(jié)構(gòu)的系數(shù)L和K： L = max(L1, L2, L3 ),2) 不規(guī)則拉撐結(jié)構(gòu)的系數(shù)L和K： (a) 取通過3個支撐點(diǎn)的內(nèi)部沒有支撐的最大圓直徑為d，則支撐的間距 ； (b) 按最大圓通

25、過的相應(yīng)支撐點(diǎn)類型，系數(shù)K取表 5-14的平均值（當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)中存在不同支撐點(diǎn)類型時）。,3) 拉撐件的強(qiáng)度校核： a）無孔板的支承載荷：拉桿與其相鄰的所有支撐中心連線的垂直平分線所圍成的面積為該拉桿的支撐面積，其上承受的計(jì)算壓力載荷為該拉桿所承受的支承載荷； b）多孔板的支撐載荷：由一根支撐管（桿）的支撐面積減去該面積內(nèi)的管孔總面積，其上承受的計(jì)算壓力載荷為該管狀拉撐所承受的支承載荷,c) 拉撐所需要的最小截面面積

26、,,注：式中另取1.1倍的安全系數(shù)主要考慮腐蝕的影響,開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法 GB150中關(guān)于開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算所考慮的失效模式是開孔接管結(jié)構(gòu)在壓力載荷作用下的局部高應(yīng)力而引起的開裂(沒有考慮循環(huán)載荷引起的疲勞破壞),開孔補(bǔ)強(qiáng)的目的：減小殼體與接管連接處的應(yīng)力水平，避免由于該處的高應(yīng)力水平而引起的開裂,注：由應(yīng)力分類的強(qiáng)度以及應(yīng)力分析結(jié)果可知，殼體上開孔接管結(jié)構(gòu)在壓力載荷作用下起決定作用的總是一次局部薄膜應(yīng)力,不需另行補(bǔ)強(qiáng)的最大孔直徑見表6-1

27、，并應(yīng)滿足以下要求： a） 設(shè)計(jì)壓力p ≤ 2.5 MPa； b） 兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計(jì)算）應(yīng)不 小于兩孔直徑之和；對于3 個或以上相鄰開孔，任意兩孔 中心的間距（對曲面間距以弧長計(jì)算）應(yīng)不小于該兩孔直 徑之和的2.5 倍； c） 開孔不得位于A、B 類焊接接頭上。,注：1) 當(dāng)腐蝕裕量不為1mm時，表

28、6-1中的接管壁厚應(yīng)相應(yīng)調(diào)整。,開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算截面選取 所需的最小補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)在下列規(guī)定的截面上求取： a) 對于圓筒或錐殼開孔，該截面通過開孔中心點(diǎn)與筒體軸線； b) 對于凸形封頭或球殼開孔，該截面通過封頭開孔中心點(diǎn)，沿開孔最大尺寸方向，且垂直于殼體表面,在對筒體進(jìn)行等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時，ASME VIII-1規(guī)定了一系數(shù) F ：,a) 沿長圓孔的長軸B-B截面計(jì)算時的需補(bǔ)強(qiáng)面積為(F =0.75，B=4d)：,,b) 沿筒

29、體軸線C-C截面計(jì)算的需補(bǔ)強(qiáng)面積為(F =1.0，B=2.828d) ：,,系數(shù) F 的力學(xué)意義,筒體上起補(bǔ)強(qiáng)作用的面積：,筒體上起補(bǔ)強(qiáng)作用的面積：,平蓋上開孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法 a) 平蓋上開單個孔且開孔直徑不大于0.5 Do（Do 取平蓋計(jì)算直徑，對非圓形平蓋取短軸長度），可用等面積法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積,注：平蓋厚度是按彎曲應(yīng)力計(jì)算得到，按開孔前后在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的抗彎截面模量相等的原理，得到上式表示的需要補(bǔ)強(qiáng)面積,b

30、) 平蓋上開有多個孔時，可采用增加平蓋厚度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的方法。計(jì)算削弱系數(shù) ν：,注：該方法適用于：平蓋危險徑向截面上各開孔寬度總和不超過Di /2，任意相鄰兩孔中心距大于兩孔平均直徑的1.5 倍且小于或等于2 倍。,按表5-9 或表5-10 查取K 后確定系數(shù)K1： 當(dāng)K1/ν≤0.5 時，則以K1/ν和K中大值代替式(5-33)~(5-35)中的K 計(jì)算平蓋厚度；當(dāng)K1/ν≥0.5 時，應(yīng)采用其他設(shè)計(jì)方法。,圓筒徑向接管開孔補(bǔ)

31、強(qiáng)設(shè)計(jì)的分析法 a) 適用范圍 1） 適用于內(nèi)壓作用下具有單個徑向接管的圓筒，當(dāng)圓筒具有兩個或兩個 以上開孔時，相鄰兩開孔邊緣的間距不得小于 ； 2） 圓筒、接管或補(bǔ)強(qiáng)件的材料，其標(biāo)準(zhǔn)室溫屈服強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下 限值之比ReL/Rm ≤0.8； 3） 接管或補(bǔ)強(qiáng)件與殼體應(yīng)采用截面全熔透焊接接頭，從而確保補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 的整體性； 4） 對圓筒或接管進(jìn)行整體補(bǔ)強(qiáng)

32、，應(yīng)滿足補(bǔ)強(qiáng)范圍尺寸（自接管、圓筒交線至補(bǔ)強(qiáng)區(qū)邊緣的距離：對于圓筒 ，對于接管 ），或整體加厚圓筒體；補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的A、B類焊接接頭不得有任何超標(biāo)缺陷，必要時應(yīng)對此提出無損檢測要求；,5） 圓筒與接管之間角焊縫的焊腳尺寸應(yīng)分別不小于 δn /2 和 δnt /2，接管內(nèi)壁與圓筒內(nèi)壁交線處圓角半徑在 δn /8 和δn /2 之間； 6） 本設(shè)計(jì)方法適用下列參數(shù)范圍：,上限,范圍,0.9D,0.

33、1D,適用參數(shù)范圍對比,,,,分析法,WRC Bulletin No.107,WRC Bulletin No.297,開孔率ρ,壁厚比,應(yīng)力校核路徑確定,由于交貫線附近的應(yīng)力集中沿支管壁厚方向有迅速衰減的特征，因此選擇合理的取值點(diǎn)十分重要。 大量實(shí)驗(yàn)、數(shù)值分析和理論計(jì)算表明，內(nèi)壓圓柱殼開孔接管強(qiáng)度分析時，最大應(yīng)力的校核截面在θ=0o 處，故在制定JB4732附錄J時，保守地選取殼體的中面交貫線O’-O’’截面。,,,,,,,

34、,,,,,,,,,θ,,,,,,,,,,,O’’,O’,O,,,,,,,b) 分析法的基本原理,進(jìn)一步研究過程中，將有限元計(jì)算與解析解計(jì)算得到的無量綱局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Km和一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度K進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：(1) Km的理論解均不小于有限元的解；K的理論解大部分不小于有限元的解；(2) O’-O’’截面的解析解偏保守，J-J’截面的解析解更接近有限元的解。,,,,,,,,,,,O’’,O’,O,,,,,,J,J’,,JB4732路

35、徑,新版GB150分析法路徑,因此新版GB150中選取J-J’截面作為應(yīng)力強(qiáng)度校核截面。對于J’點(diǎn)處小于有限元解的部分K值，選取參數(shù)時選則更大的t/T值。,設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的確定,Mershon總結(jié)PVRC關(guān)于開孔補(bǔ)強(qiáng)的成果時指出，若采用局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度小于1.5Sm的準(zhǔn)則進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時，結(jié)果過于保守，建議采用開孔后結(jié)構(gòu)的極限壓力取pl=0.98ps（ps=nsp，p為設(shè)計(jì)壓力，ns為材料屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)）。 根據(jù)以上原則

36、，多年的研究結(jié)果表明，絕大部分模型的無量綱局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度小于2.2，因此補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以定為：,,此外，為避免出現(xiàn)大的峰值應(yīng)力，壁厚比還需滿足：,,GB150.3中，以δe代替T，以[σ]t代替Sm。,等效薄膜應(yīng)力 SII ? 2.2 [?]t 等效彎曲應(yīng)力 SIV ? 2.6 [?]t,c) 分析法的計(jì)算步驟 1）等效應(yīng)力校核 (a) 計(jì)算 和 (b) 由?

37、、? 和比值?te / ?e 查圖6-13得到計(jì)算系數(shù) Km 和 K (c) 計(jì)算等效薄膜應(yīng)力和等效彎曲應(yīng)力： (d) 按強(qiáng)度條件校核等效薄膜應(yīng)力和等效彎曲應(yīng)力,注：超出曲線范圍時，不得外延取值,注：超出曲線范圍時，不得外延取值,2）補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) (a) 假定初始厚度 和 (b) 計(jì)算開孔率 和中間系數(shù) (c) 計(jì)算

38、圓筒和接管在壓力載荷作用下需要的厚度： 和 (d) 計(jì)算初始補(bǔ)強(qiáng)系數(shù),(e) 可按兩種方式校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否合格： (1) 方式一 令 h=h(0)，查圖6-14，遇中間值采用內(nèi)插法得到 gmin； 計(jì)算： 校核：,(2) 方式二 令 g=g(0)，查圖6-14，遇中間值采

39、用內(nèi)插法得到 hmin； 計(jì)算： 校核：,注：超出曲線范圍時，不得外延取值,注：超出曲線范圍時，不得外延取值,關(guān)于一次局部薄膜應(yīng)力的強(qiáng)度條件 a) 來源和組成 除了平衡外載荷所需要的應(yīng)力部分外,還包括為了滿足不同結(jié)構(gòu)邊緣變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力部分,例： 受內(nèi)壓的筒體與平蓋連接邊緣的環(huán)向應(yīng)力為,,為滿足變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力部分,b) 特性 一次局部薄膜應(yīng)力有局部性和自限性

40、 局部性來源于其衰減性 自限性 – 當(dāng)兩連接邊緣在滿足變形協(xié)調(diào)過程中材料發(fā)生了屈服，這時，結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力將不會無限制升高（對于理想彈塑性材料來說，應(yīng)力水平將保持在屈服點(diǎn)不變），而材料發(fā)生塑性流動使兩結(jié)構(gòu)邊緣的變形協(xié)調(diào)。,但當(dāng)材料已達(dá)變形極限，而兩結(jié)構(gòu)邊緣還未滿足變形協(xié)調(diào)條件，則結(jié)構(gòu)也將發(fā)生破壞,c) 一次局部薄膜應(yīng)力的強(qiáng)度條件 由其局部性和限性可允許該應(yīng)力（線彈性分析得到的名義應(yīng)力）水平超過材料的屈服點(diǎn)或許用應(yīng)力 按

41、工程經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中一般規(guī)定：SII ? 1.5[?]t,但事實(shí)上，對于不同的載荷和結(jié)構(gòu)形狀，使結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的一次局部薄膜應(yīng)力水平將有所不同,案例： 對于受內(nèi)壓的筒體上法向開孔接管結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明，使結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的一次局部薄膜應(yīng)力水平可達(dá)2.2 [?]t注：JB4732標(biāo)準(zhǔn)釋義中第18章指出，對文獻(xiàn)提供的23個測定塑性極限壓力的模型進(jìn)行的計(jì)算表明，其中22個模型的薄膜應(yīng)力集中系數(shù)超過2.2。,而對于受內(nèi)壓的錐殼小端與筒體

42、連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)一次局部薄膜應(yīng)力的最大值達(dá)到1.5[?]t 時，超過一倍許用應(yīng)力的區(qū)域?qū)⒋笥?，結(jié)構(gòu)可能是不安全的,關(guān)于法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算和選用 法蘭設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要失效模式是整個法蘭接頭的泄漏，還需顧及螺栓、墊片和法蘭的強(qiáng)度,影響法蘭接頭密封性能的因素：墊片本身的密封性能，以參數(shù) m 和 y 體現(xiàn)法蘭接頭安裝時施加合適的螺栓預(yù)緊力，以使得在整個操作過程中保證墊片表面比壓滿足要求,基于Waters法的法蘭設(shè)計(jì)方法以松

43、式法蘭為例，法蘭環(huán)中的應(yīng)力分布、最大應(yīng)力以及法蘭環(huán)的轉(zhuǎn)角可表達(dá)為,規(guī)范中規(guī)定的法蘭設(shè)計(jì)強(qiáng)度條件：,,注：Waters法的假定條件之一是結(jié)構(gòu)處于線彈性狀態(tài)下，當(dāng)法蘭頸部屈服后，Waters的分析結(jié)果將于實(shí)際應(yīng)力分布狀況不符。上述強(qiáng)度條件4即為補(bǔ)償法蘭頸部屈服而引起的計(jì)算應(yīng)力值和實(shí)際應(yīng)力值之間的偏差。,法蘭中的最大環(huán)向應(yīng)力與法蘭環(huán)的轉(zhuǎn)角成正比，該轉(zhuǎn)角對法蘭接頭的密封性能有較大影響。 GB150-2011增加了關(guān)于整體法蘭的剛度條件：,有

44、成功使用經(jīng)驗(yàn)時可以免除,注: 需要對法蘭的轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制的原因： 1. 法蘭環(huán)截面的偏轉(zhuǎn)會改變墊片的實(shí)際比壓，會影響法蘭連接接頭的密封性能和墊片的強(qiáng)度;,2. 發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，實(shí)際墊片比壓力在一定程度上的提高將使介質(zhì)泄漏所需流經(jīng)的毛細(xì)通道的截面尺寸縮小，而有利于提高接頭的密封性能；,3. 但另一方面，當(dāng)法蘭偏轉(zhuǎn)造成實(shí)際墊片比壓力過大，將可能使墊片邊緣壓垮，或出現(xiàn)將纏繞墊內(nèi)、外層分離等現(xiàn)象，使得接頭的密封性能被損壞,GB150-201

45、1中規(guī)定的帶頸法蘭制造條件： a) 用熱軋件或鍛件進(jìn)行機(jī)加工，加工后的法蘭軸線應(yīng)與原熱軋件或鍛件的軸線平行； b) 用鋼板制造帶頸法蘭，則鋼板應(yīng)經(jīng)超聲檢測，無分層缺陷； c) 應(yīng)沿鋼板軋制方向切割成板條，圓環(huán)彎制后的對接接頭應(yīng)全焊透，并經(jīng)焊后熱處理和100%射線或者超聲檢測。,GB150-2011增加了“復(fù)合柔性石墨波齒金屬板”墊片材料，其墊片系數(shù)為 y =50 MPa, m =3.0,對于帶頸松式法蘭，力臂 LD

46、 = LA +?1,需更正：表7-5 整體法蘭計(jì)算表,關(guān)于最大高允許工作壓力(MAWP)的確定方法 對于需安裝安全泄放裝置且需進(jìn)行氣密性試驗(yàn)的容器，為使安全泄放裝置的整定壓力高于氣密性試驗(yàn)壓力(一般為設(shè)計(jì)壓力)，應(yīng)確定設(shè)備的最高允許工作壓力(MAWP),一臺設(shè)備的最高允許工作壓力(MAWP) 是客觀存在的，在工程設(shè)計(jì)中一般可不要求得到其精確值,如在圖紙上標(biāo)注了設(shè)備的MAWP，則應(yīng)以該值來確定壓力試驗(yàn)的最低值,確定MAWP的一般方法

47、 1)利用關(guān)于殼體(包括筒體和封頭)的最高允許工作壓力計(jì)算公式求得該設(shè)備殼體的 pmax； 2)以該 pmax 對設(shè)備上所有其他的受壓元件進(jìn)行校核； 3)如所有的校核計(jì)算結(jié)果都合格，則就取該 pmax 為設(shè)備的MAWP；如有一個或多個受壓元件校核不合格，則應(yīng)適當(dāng)降低該 pmax 值后對不合格的元件重新校核，直到所有受壓元件都校核合格。,附錄A”非圓形截面容器” 本附錄的內(nèi)容即為GB150-1998附錄D的內(nèi)容，計(jì)算公式和

48、強(qiáng)度條件基本相同,本附錄中考慮的載荷為壓力和其他機(jī)械載荷，因此，本標(biāo)準(zhǔn)中將計(jì)算得到的薄膜應(yīng)力都作為一次總體薄膜應(yīng)力加以限制，將計(jì)算得到的彎曲應(yīng)力都作為一次彎曲應(yīng)力加以限制,非圓形容器殼體強(qiáng)度條件：1. 壓力和機(jī)械載荷引起的薄膜應(yīng)力應(yīng)不大于[?]t? ；2. 壓力和機(jī)械載荷引起的總應(yīng)力(即薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和)應(yīng)不超過以下數(shù)值： a) 無加強(qiáng)容器（圖A.1~A.5）的側(cè)板或外加強(qiáng)帶圓角矩形截面容器上無加強(qiáng)圓角處，（圖A.7）取

49、1.5[?]t? ； b) 外加強(qiáng)容器的組合截面處 1）碳素鋼、低合金鋼、鐵素體不銹鋼取： ； 2）奧氏體不銹鋼取： 和 兩者中小值。,,,,對于上述的 2 b) 條給出的強(qiáng)度條件，這是考慮到當(dāng)受彎矩作用的截面由兩部分面積（這兩部分面積代表的材料強(qiáng)度還可能是不一樣的）組成時，使得整個截面發(fā)生屈服的最大名義應(yīng)力有可能小于1.5?s，即在考慮安全系數(shù)和焊接接頭系數(shù)

50、后，其強(qiáng)度條件應(yīng)限制最大名義應(yīng)力不超過(ReL/1.5)??。對于奧氏體不銹鋼，可允許采用高應(yīng)力的概念，即可采用強(qiáng)度條件 2 b) 2)。,附錄D”焊接接頭結(jié)構(gòu)” 本附錄僅列出一些常用的焊接接頭結(jié)構(gòu)供設(shè)計(jì)和制造選用,A、B類焊接接頭結(jié)構(gòu) 1. 取消了GB150-1998中關(guān)于封頭厚度方向中面與筒節(jié)厚度方向中面對齊的焊接結(jié)構(gòu)（如圖）,2. 增加了另一封頭厚度小于圓筒厚度的焊接接頭結(jié)構(gòu)（如圖）,注：為了防止加工斜邊過程中出現(xiàn)加工誤差導(dǎo)

51、致過多加工圓筒，以致削邊超越封頭切線，應(yīng)保留圓筒與切線間有10mm～12mm的直邊段后再削斜邊,接管、凸緣與殼體的連接 1. 本附錄給出了常見的插入式、嵌入式和安放式接管與殼體的焊接結(jié)構(gòu)供參考,2. 取消了GB150-1998中原圖J.6(d)和圖J.9(c)的焊接接頭結(jié)構(gòu)（如圖）,2. 增加兩個不全熔透的帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管與殼體的焊接接頭結(jié)構(gòu)（如圖）,平封頭與圓筒的連接 參照ASME Ⅷ-1標(biāo)準(zhǔn)，增加了一些典型的連接結(jié)構(gòu)供選用,凸形

52、封頭與圓筒的搭接連接 刪除了GB150-1998附錄J中圖J11中關(guān)于“當(dāng)圓筒厚度δn≤16mm時，可用做端封頭”的注，即不推薦設(shè)計(jì)時采用此結(jié)構(gòu)型式用作端封頭與圓筒的連接,多層容器 GB150-1998附錄J圖J14(e)、(f)，圖J18(a)、(b) 、(c)、(h)、(i) 、(l)、(m)，考慮使用場合較少，本次不再列出,鋼帶錯繞容器端部焊接結(jié)構(gòu) 增加了該端部焊接結(jié)構(gòu)以同本標(biāo)準(zhǔn)附錄B配套，但選用此焊接結(jié)

53、構(gòu)需同時滿足附錄B的要求,夾套封閉件結(jié)構(gòu) 本附錄所推薦的夾套封閉件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅表示焊接接頭的型式，并不包括設(shè)計(jì)及制造的所有細(xì)節(jié)，且所列結(jié)構(gòu)并不意味著只限于本附錄圖示或所述的結(jié)構(gòu)型式,非受壓附件與受壓元件的連接 該部分為新增內(nèi)容，給出常用非受壓附件與受壓元件之間連接的E類焊接接頭連接結(jié)構(gòu)型式。 承受較大載荷的設(shè)備吊耳等附件與容器壁或其墊板的連接應(yīng)盡量采用全焊透的連接結(jié)構(gòu),附錄E”關(guān)于低溫壓力容器的基本設(shè)計(jì)要求” 關(guān)

54、于低溫壓力容器的界定1、碳素鋼和低合金鋼制低溫容器的設(shè)計(jì)溫度界線 是＜-20℃，原規(guī)定是≤-20℃； 2、奧氏體不銹鋼制低溫容器的設(shè)計(jì)溫度界線是＜-196℃； 3、原規(guī)定中對設(shè)計(jì)溫度低于-100℃的奧氏體不銹鋼制容器的 材料和焊縫的技術(shù)要求仍然保留在GB150.4中。 4、對于奧氏體不銹鋼制低溫容器（＜-196℃）的建造要求， 可參考國內(nèi)、外相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)由設(shè)計(jì)者自行提出，

55、 GB150-2011并沒有涉及。,關(guān)于低溫低應(yīng)力工況1. 指殼體或其受壓元件的設(shè)計(jì)溫度雖然低于－20℃，但容器元件實(shí)際承受的最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強(qiáng)度的1/6，且不大于50 MPa 時的工況,2. 對于不要求焊后熱處理的容器，應(yīng)將設(shè)計(jì)溫度加40℃確定是否仍符合低溫容器而選擇材料和制造條件；低溫低應(yīng)力工況不適用于螺栓材料和鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值大于等于540MPa的鋼材，更加嚴(yán)格了適用“低溫低應(yīng)力工況

56、”的條件,3. “低溫低應(yīng)力工況”并沒有改變低溫容器的“設(shè)計(jì)溫度”這一參數(shù)，不能認(rèn)為溫度T(Δ)是調(diào)整后的容器設(shè)計(jì)溫度。在圖樣或設(shè)計(jì)文件中應(yīng)另行表明T(Δ)是選材和確定制造技術(shù)要求的溫度依據(jù),4. 不能用于低溫條件的Q235系列鋼板材料仍然不能用于“低溫低應(yīng)力工況”,低溫壓力容器的材料性能要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造要求 本附錄僅給出了結(jié)構(gòu)（包括焊接結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)要求； 材料低溫韌性要求見GB150.2； 制造要求見GB150.4，包括