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1、内容简介GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器第第7、8章章一、封头二、开孔和开孔补强 1. 椭圆封头椭圆封头A、内压作用下、内压作用下1）应力状况）应力状况a.薄膜应力（两向应力作用，纬（环）薄膜应力（两向应力作用，纬（环）向、经向）向、经向）a）标准椭圆封头薄膜应力分布：）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。经向应力：最大应力在顶点。环向应力：最大拉应力在顶点，最大压应力在底环向应力：最大拉应力在顶点，最大压应力在底边。边。b) 变形特征：变形特征：趋圆趋圆。c) 计算对象意义：计算对象意义： 拉应力拉应力强度计算强度计算 压应
2、力压应力稳定控制稳定控制b.弯曲应力（与圆筒连接）弯曲应力（与圆筒连接）a) 变形协调，形成边界力。变形协调，形成边界力。b) 产生二次应力。产生二次应力。环maxK222261261iihDbaK边缘应力：边缘应力：d.d.形状系数形状系数K K的意义的意义K K为封头上的最大应力与对接圆筒中的环向薄膜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，应力的比值，K K分布曲线可回归成公式：分布曲线可回归成公式：不同不同a a/ /b b的的K K见见GB150GB150第第5050页表页表7-17-1。标准椭圆封头。标准椭圆封头K K=1=1。边缘应力的特性由边缘力和边缘力矩引起的边缘力
3、具有以下两个特点：（1）局限性（2）自限性2）计算公式）计算公式因因K为封头上的最大应力与对接圆筒中的环向薄膜应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力的比值，则封头计算厚度为对接圆筒计算厚度的K倍。倍。又圆筒壁厚为等径球壳壁厚的又圆筒壁厚为等径球壳壁厚的2倍，故有椭圆形封头厚度：倍，故有椭圆形封头厚度： =K圆筒圆筒2K球壳球壳 cticcticpDKppDKp5 . 0242 近似可理解为圆筒厚度的近似可理解为圆筒厚度的K倍倍。3）焊接接头系数）焊接接头系数。指拼缝，指拼缝，但不包括但不包括椭封与圆筒的连接环缝的接头椭封与圆筒的连接环缝的接头
4、系数。系数。4）内压作用下的稳定：）内压作用下的稳定：a. a/b 2.6是是GB150限制条件限制条件，（当，（当a/b 2.5时，时，最大应力发生在过渡区外壁，且为周向压缩应最大应力发生在过渡区外壁，且为周向压缩应力。）力。）即是为了限制压缩应力值，防止易发生的即是为了限制压缩应力值，防止易发生的弹性失稳。弹性失稳。b.防止失稳，限制封头最小有效厚度：防止失稳，限制封头最小有效厚度：a/b2，即，即K1 min0.15%Dia/b 2，即，即K1 min0.30% Di B 外压作用下：外压作用下：1）封头稳定以薄膜应力为对象计算：）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
5、，短轴缩短变形特征：封头长轴伸长，短轴缩短趋趋扁扁。b.计算对象计算对象 长轴伸长使过渡区的圆周直径增大，周长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，为此过渡区不存伸长，在周向产生拉应力，为此过渡区不存在稳定问题。在稳定问题。 封头中心部分封头中心部分“球面区球面区”会产生周向和会产生周向和经向的压缩应力，为此存在失稳问题。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。计算意义，按外压球壳。 当量球壳：对标准椭圆封头；当量球壳：对标准椭圆封头； 当量球壳计算外半径：当量球壳计算外半径：Ro=0.9Do。 Do封头外径。封头外径。2）对对接圆筒的影响。）对对接圆
6、筒的影响。外压圆筒计算长度外压圆筒计算长度L的意义：的意义： L为两个始终保持圆形的刚性截面之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间的距离。椭圆封头曲面深度的1/3处可处可视为能保持圆形的截面，为此由两个椭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，该圆筒的圆封头与圆筒相连接的容器，该圆筒的外压计算长度外压计算长度L=圆筒长度圆筒长度+两个椭圆封两个椭圆封头的直边段长度头的直边段长度+两倍椭圆封头曲面深度两倍椭圆封头曲面深度的的1/3。2.碟形封头碟形封头 受力、变形特征，应力分布，稳定，受力、变形特征，应力分布，稳定，控制条件与椭圆封头相似，只不过形状控
7、制条件与椭圆封头相似，只不过形状系数由系数由K（椭封）改为（椭封）改为M。1)组成：中间是球壳加边缘环壳，直边段组成：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。旋转壳体，所以应力分布存在局部突变。2) 应力状态：应力状态： 主要是两向应力，即周向应力主要是两向应力，即周向应力和经向和经向应力应力，结构不连续区存在着局部的不连续，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，是由薄膜应力和因变形协调而产生的应力，是由薄膜应力和弯曲应力组成。弯曲应力组成。（1）薄膜应力分布）薄膜应力分布 对于与标准椭
8、圆封头具有相似外形对于与标准椭圆封头具有相似外形(相同相同直径与高度直径与高度)的碟形封头，由薄膜理论可以的碟形封头，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）边缘影响及边缘应力 两处边
9、界，圆筒与环壳对接的边界两处边界，圆筒与环壳对接的边界1，环壳与球壳对接的边界，环壳与球壳对接的边界2见下图见下图 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：对碟形封头应力的影响： a.当当r/Ri较小时较小时（0.16）边界边界2上的作用力对整上的作用力对整个封头中的应力起很大的影响。个封头中的应力起很大的影响。 b.当当r/Ri0.16时，时，M值受其影响很小，这是整值受其影响很小，这是整个封头仅受边界个封头仅受边界1（即封头底边）（即封头底边）的影响，其受力的影响，其受力情况已与椭圆封头相近了。情况已与椭圆封头相近了。 4）变形特征：）变形特征： 内压作用下有趋圆特征
10、，存在着失稳可能。封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头上周向压缩应力随其Ri/r的增大而加剧，从而很的增大而加剧，从而很容易发生失稳，容易发生失稳，GB150对对Ri/r不超过不超过10，即是基于，即是基于这种考虑的。这种考虑的。 外压过渡区不存在失稳，外压过渡区不存在失稳，“趋扁趋扁”；仅对球面；仅对球面部分进行外压计算部分进行外压计算。3. 球冠形封头球冠形封头一）内压作用一）内压作用（1） 与筒体的连接方式与筒体的连接方式 通常是部分球壳与圆筒连接通常是部分球壳与圆筒连接（2） 边缘问题及应力分布情况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球冠和
11、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作用，在原薄膜应力的基础引起附加的径向、向、周向弯曲应力及局部薄膜应力。根据应力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，其中弯曲应力占相边缘，且为径向应力，其中弯曲应力占相当的比重。当的比重。 球冠封头受力作用示意图（3） 厚度计算公式厚度计算公式 该式去除该式去除Q后即为内压圆筒厚度计算式。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其许用应力的调整(放宽至放宽至3)，是通，是
12、通过系数过系数Q来体现的。来体现的。Q应根据结构参数应根据结构参数(球球冠内半径冠内半径Ri与封头内直径与封头内直径Di之比之比)和压力参和压力参数按相应曲线查取。（数按相应曲线查取。（GB150图图7-5图图7-7） cticpDQp2（4） 圆筒加强段圆筒加强段 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
13、布边界力作用下的弯曲应力的衰减长度考虑，最小长度取 。i5 . 02D二）二） 外压作用外压作用 球冠封头受外压的厚度，应满足按内压和外压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。稳定计算厚度，取两者的大值。三）两侧受压三）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。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，计算厚度按式（只考虑凹面受压，计算厚度按式（76）确定，）确定，Q值由图值由图76查取；查取； 只考虑凸面受压，计算厚度按式只考虑凸面受压，计算厚度按
14、式76确定，确定，Q值由图值由图77查取，此外还应按不应小于按查取，此外还应按不应小于按6.2.2确定确定的有效厚度。的有效厚度。5.5.锥形封头锥形封头 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。 GB 150规定：锥壳半顶角60时按圆筒计算，大于60时按圆板计算。 对于以薄膜应力承载的锥壳，其壁厚按当量圆筒计算。但
15、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
16、GB 150规定： 锥壳大端，当半顶角30时，可采用无折边结构；当30时，应采用带过渡段的折边结构。否则应按应力分析方法进行设计。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）锥壳计算公式计算公式 = Dc锥壳大端内径；锥壳大端内径； DcCos当量圆筒的内径。当量圆筒的内径。 上式实为内压圆筒的厚度计算式。上式实为内压圆筒的厚度计算式。式中焊接接头系数式中焊接接头系
17、数是指承受环向薄膜应力的接头系数，为此应为锥壳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。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GB 150相关曲线查取（图7-1112）。式中焊接接头系数是指锥壳与圆筒连接环缝的接头系数 cticrpDQp2（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弯曲应
18、力起控制作用，为此锥壳大端加强段长度应以锥壳应以锥壳(当量圆筒当量圆筒)局部轴向弯曲应力的衰减长度局部轴向弯曲应力的衰减长度考虑，其最小长度应不少于考虑，其最小长度应不少于 。与。与之相接的圆筒加强段最小长度取圆筒局部轴向弯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，应不少于曲应力的衰减长度，应不少于 。 cos5 . 02rDirD i5 . 02（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
19、系数，应按GB 150的图7-14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。 cts icrpDQp2（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加强段长度应以锥壳(当量圆筒当量圆筒)局部环向薄膜局部环向薄膜应力的衰减长度考虑，其最小长度应不少应力的衰减长度考虑，其最小长度应不少于于 。与
20、之相接的圆筒加强段最。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，小长度取圆筒局部环向薄膜应力的衰减长度，应不少于应不少于 。cosrDisrDis焊接接头系数大端指大端指2 小端指小端指3、 4 、 5 之小者。之小者。 应注意，锥壳加强段厚度应注意，锥壳加强段厚度r计算中的计算中的与锥壳厚度与锥壳厚度计算中的计算中的是不同的。是不同的。5）折边锥壳）折边锥壳 （1）锥壳大端）锥壳大端 折边锥壳大端厚度按（折边锥壳大端厚度按（GB150第第60页页 ）式）式710（过渡（过渡段厚度）段厚度） 、711（与过渡段相连处的锥壳厚度）计算，（与过渡段相连处的锥壳厚度）计算，取其中
21、的大值：（见下图）取其中的大值：（见下图）a）过渡段厚度：）过渡段厚度： （710）K系数，根据及r/Di值，查表74 cticpDKp5 . 02 cticpDfp5 . 0aaDrficos2cos121b b）与过渡段相接处的锥壳厚度：）与过渡段相接处的锥壳厚度： 式中：f 系数， 其值查表75（711）其值查表75其值查表75其值查表7-52）锥壳小端）锥壳小端 当锥壳半顶角当锥壳半顶角45时，其小端厚度按时，其小端厚度按7.2.3.2计算，若采用折边过渡段厚度按（计算，若采用折边过渡段厚度按（79）计算，式中计算，式中Q值由图值由图714查取。查取。 当锥壳半顶角当锥壳半顶角45时，
22、过渡段厚度仍按时，过渡段厚度仍按式（式（79）计算，但式中）计算，但式中Q值由图值由图715查取。查取。 锥壳小端与筒体连接处是局部环向薄膜应力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，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，算方法相同，只是顶角不同时，Q的取值有不同的取值有不同的图来确定。的图来确定。 与过渡段相接的锥壳和圆筒的加强段厚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。锥壳加强段的长度度应与过渡段相同。锥壳加强段的长度L
23、1应应不小于不小于 。圆筒加强段的长度。圆筒加强段的长度L应不小于应不小于 。（见下图）。（见下图） 在任何情况下，加强段的厚度不得小于在任何情况下，加强段的厚度不得小于与其连接处的锥壳厚度。与其连接处的锥壳厚度。cosrDisrDis加强段长度加强段长度3）折边锥壳的厚度）折边锥壳的厚度 当锥壳大端或大、小端同时具有过渡段当锥壳大端或大、小端同时具有过渡段时，应分别确定各部分的厚度。时，应分别确定各部分的厚度。 若只取一种厚度组合时，应取各部分厚若只取一种厚度组合时，应取各部分厚度中最大值。度中最大值。 6. 平盖平盖1)应力状况：应力状况： 两向弯曲应力，径向、环向弯曲应力。两向弯曲应力，
24、径向、环向弯曲应力。2)两种极端边界支持条件。两种极端边界支持条件。 a.简支：圆板边缘的偏转不受约束，简支：圆板边缘的偏转不受约束，max 在在板中心，板中心， 径向应力与环向应力相等。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（等于固支：圆板边缘的偏转受绝对约束（等于零），零），max在板边缘为径向应力。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，螺栓垫片联接的平盖按简支圆板处理，max在板中心在板中心。图2-30 周边固支的圆板固支图2-29 周边简支的圆板简支简支注 意 ： 最 大 应 力 是 板 周 边 表 面 上 的 径 向 弯 曲 应 力 ，与
25、圆 板 材 料 完 全 无 关 ， 与 简 支 圆 板 相 比 ， 最 大 应力 和 最 大 挠 度 较 小 ， 因 此 ， 要 使 圆 板 在 承 受 载 荷后 有 较 小 的 最 大 挠 度 和 最 大 应 力 ， 应 使 圆 板 在 固支 条 件 下 受 载 。在周边固支圆板中在周边固支圆板中GB/T25198-2010 压力容器封头简介压力容器封头强度削弱强度削弱 不连续应力不连续应力 局部应力局部应力 焊接缺陷和残余应力焊接缺陷和残余应力 开孔接管部位的应力集中开孔接管部位的应力集中允许不另行补强的最大开孔直径允许不另行补强的最大开孔直径开孔最大直径的限制开孔最大直径的限制应力分析法
26、应力分析法压力面积法（HG20583-1998）钢制化工容器强度计算规定第7章 大开孔的补强计算 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规定时，该法只能参考使用。有效补强范围有效补强范围ntC1+2C2CtetBdi+2Ch1h2Cen（一）开孔削弱的面积（一）开孔削弱的面积)1 (2retfdAtntbrf其中：)1 (2 5 . 0retfdApdA5 . 0（二）补强金属面积（二）补强金属面积壳体壳体)1)(2)(1reetefdBA接管接管retrtetfChfhA)(2)(22212焊缝焊缝203212hA单条焊缝：补强圈面积补强圈面积)(3214AAA
27、AA补强圈厚度补强圈厚度T椭圆形封头椭圆形封头当开孔位于以封头中心为中心当开孔位于以封头中心为中心80%封头内直径封头内直径的范围内时的范围内时:cticpDpK5 . 0 21在此范围以外开孔时，在此范围以外开孔时，按椭圆封头壁厚式计算。按椭圆封头壁厚式计算。蝶形封头蝶形封头当开孔位于封头球面部分内时当开孔位于封头球面部分内时:) 1M(5 . 0 2即cticpRp在此范围以外开孔时，在此范围以外开孔时，按碟形封头壁厚式计算。按碟形封头壁厚式计算。d的确定的确定1.圆筒：纵向截面上的开孔直径圆筒：纵向截面上的开孔直径2.球壳：较大直径球壳：较大直径3.椭封，碟封，同球壳椭封，碟封，同球壳4
28、.锥壳：同圆筒。锥壳：同圆筒。的确定的确定a.圆筒：按圆筒：按b.球壳：按球壳：按c.椭圆封头：过渡区椭圆封头：过渡区取封头计算厚度，球面区，取封头计算厚度，球面区，取球取球面当量球壳计算厚度。面当量球壳计算厚度。标准椭封当量球壳半径标准椭封当量球壳半径Ri=0.9Did.碟形封头：碟形封头：周边周边r部位开孔，部位开孔，取封头计算厚度取封头计算厚度中心中心R部位开孔，部位开孔，取球壳计算厚度。取球壳计算厚度。e.e.锥形封头锥形封头取开孔中心处计算直径取开孔中心处计算直径2 2R R的计算厚度。的计算厚度。 外压容器的补强外压容器的补强 外压壳体开孔补强所需面积外压壳体开孔补强所需面积A为下
29、式：为下式： A0.5 d+2et(1-fr) 式中式中: 为壳体外压计算的有效厚度为壳体外压计算的有效厚度,其余计算同内压。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。对椭圆封头等不再对过渡区和球面进行区分。平盖开孔补强平盖开孔补强 平盖不论承受内压还是外压平盖不论承受内压还是外压,板中始终是板中始终是弯曲应力弯曲应力,只有弯曲强度问题只有弯曲强度问题,不存在失稳问不存在失稳问题题,故其计算厚度方法两者是一致的故其计算厚度方法两者是一致的,开孔补开孔补强计算方法也是一样的强计算方法也是一样的;开孔补强所需面积开孔补强所需面积: A=0.5dpp-平盖的计算厚度平盖的计算厚度 当开孔率大于当开孔率大于0.5时时:受力与法兰接近受力与法兰接近,故故其开孔补强按法兰或者反向法兰进行计算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1.5n c. 壳体名义厚度n38mm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探伤保证焊缝质量材料的韧性84 结束语结束语