压力容器设计的力学方法课件.ppt

1、GB150.3对对GB150-1998所作的修改和增加的内容所作的修改和增加的内容q 内压圆筒和内压球壳内压圆筒和内压球壳- - 增加了按外径进行壁厚设计计算的相应公式增加了按外径进行壁厚设计计算的相应公式q 受外压圆筒和球壳以及外压曲线受外压圆筒和球壳以及外压曲线- - 增加了对应于高强度材料的外压曲线增加了对应于高强度材料的外压曲线-增加了材料与应力系数增加了材料与应力系数B曲线图的对应选用表曲线图的对应选用表-加强圈的结构设计作了部分修改加强圈的结构设计作了部分修改q 各种封头的设计计算方法各种封头的设计计算方法- 增加了偏心锥壳、低压折边平封头、带筋平封头和拉增加了偏心锥壳、低压折边平

2、封头、带筋平封头和拉 撑结构的设计计算方法撑结构的设计计算方法- 调整了部分平盖的结构特征系数调整了部分平盖的结构特征系数K- 增加了适用于平封头与筒体全熔透连接结构的塑性分增加了适用于平封头与筒体全熔透连接结构的塑性分 析设计方法析设计方法- 修改了球冠形封头、锥壳与筒体连接的加强设计方法修改了球冠形封头、锥壳与筒体连接的加强设计方法q 开孔补强的设计方法开孔补强的设计方法- 增加了针对筒体上法向接管开孔补强设计的分析方增加了针对筒体上法向接管开孔补强设计的分析方 法，开孔率适用范围可达法，开孔率适用范围可达0.9- 修改了平盖上开孔接管的补强设计方法修改了平盖上开孔接管的补强设计方法q 法

3、兰设计计算方法法兰设计计算方法-增加了整体法兰和按整体法兰计算的任意法兰的刚度增加了整体法兰和按整体法兰计算的任意法兰的刚度 校核要求校核要求- 增加了波齿垫片设计选用参数增加了波齿垫片设计选用参数q 附录附录D “焊接接头结构焊接接头结构”-按多年来我国压力容器行业的实践经验以及国外相关按多年来我国压力容器行业的实践经验以及国外相关标准规范的内容对标准规范的内容对GB150-1998GB150-1998附录附录J J所列的各种焊接接所列的各种焊接接头结构形式作了调整头结构形式作了调整, ,并增加了若干并增加了若干E E类焊接接头的结构类焊接接头的结构形式形式q 附录附录E “关于低温压力容器

4、的基本设计要求关于低温压力容器的基本设计要求”- 按材料和制造技术要求，对低温压力容器的界定作了按材料和制造技术要求，对低温压力容器的界定作了修改修改- 更加严格了适用更加严格了适用“低温低应力工况低温低应力工况”的条件的条件l 以内径为基准的公式用于板材卷制的筒体；以外以内径为基准的公式用于板材卷制的筒体；以外径为基准的公式一般用于管材作为筒体的场合径为基准的公式一般用于管材作为筒体的场合q 受内压壳体的强度设计受内压壳体的强度设计 l GB150中关于内压壳体的强度计算考虑的失效模式中关于内压壳体的强度计算考虑的失效模式是结构在一次加载下的塑性破坏是结构在一次加载下的塑性破坏n 筒体的壁厚

5、设计筒体的壁厚设计l 中径公式得到的筒体的环向应力（最大主应力）：中径公式得到的筒体的环向应力（最大主应力）： 222icoccDpDpDp cticctocpDppDp 22以外径为基准以外径为基准以内径为基准以内径为基准l 弹性力学解弹性力学解 ( (拉美公式拉美公式) )111112222222 KprRKprRKpizoitoir 屈服条件屈服条件 (第一强度理论第一强度理论) ：sctKKp 1122基于弹性失效设计准则和薄壁圆筒理论的壁厚计算基于弹性失效设计准则和薄壁圆筒理论的壁厚计算 按照弹性失效设计准则，由中径公式（实际上是第一按照弹性失效设计准则，由中径公式（实际上是第一强度

6、理论）、强度理论）、MisesMises屈服准则、屈服准则、TrescaTresca屈服准则可得到的屈服准则可得到的圆筒计算压力与径比圆筒计算压力与径比K K的关系：的关系： 按中径公式按中径公式+ +第一强度理论第一强度理论 按拉美公式按拉美公式+ +第三强度理论（第三强度理论（TrescaTresca屈服准则）屈服准则） 按拉美公式按拉美公式+ +第四强度理论（第四强度理论（MisesMises屈服准则）屈服准则） 11221cKKDpi 2221P2tcKK 2321P3tcKK 试验发现：按第四强度试验发现：按第四强度理论预测的圆筒初始屈服理论预测的圆筒初始屈服压力与实测值最为接近。压

7、力与实测值最为接近。由图可以看出：由图可以看出：（1 1）按弹性失效观点，在同）按弹性失效观点，在同一承载能力下，由中径公一承载能力下，由中径公式算出的厚度最薄，最危式算出的厚度最薄，最危险；由险；由TrescaTresca设计准则算设计准则算出的厚度最厚，最保守。出的厚度最厚，最保守。（2 2）在径比较小时，三种计）在径比较小时，三种计算方法的差别不大。算方法的差别不大。（3 3）只有在径比较低时，中）只有在径比较低时，中径公式才与其他两种设计径公式才与其他两种设计准则十分接近。一般将中准则十分接近。一般将中径公式的适用范围规定为径公式的适用范围规定为：1.01.52.02.53.03.54

8、.04.50.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0p/(t)径比K中径公式TrescaMises c0.4 ,1.5tpK。按弹性失效准则时圆筒计算按弹性失效准则时圆筒计算压力与径比关系压力与径比关系 基于塑性失效设计准则的壁厚计算基于塑性失效设计准则的壁厚计算 假设材料为理想弹塑性，基于假设材料为理想弹塑性，基于MisesMises屈服准则、屈服准则、TrescaTresca屈服准则可分别得到圆筒的全屈服压力预测公式。屈服准则可分别得到圆筒的全屈服压力预测公式。用许用应力和焊接接头系数的乘积代替屈服强度，可以得用许用应力和焊接接头系数的乘积代替屈服强度，可以得到计算

9、压力和径比的关系到计算压力和径比的关系基于基于MisesMises屈服准则屈服准则基于基于TrescaTresca屈服准则屈服准则 42Pln3tcK 5PlntcK1230.00.51.0p/(t)径比KMisesTresca中径公式按塑性失效准则时圆筒计算按塑性失效准则时圆筒计算 压力与径比的关系压力与径比的关系 分析讨论分析讨论 由级数展开得由级数展开得 因为因为K K大于大于1 1，所以，所以 这就是说：在径比和材料一定时，按这就是说：在径比和材料一定时，按TrescaTresca屈服准则屈服准则得到的计算压力大于按中径公式得到的计算压力；反之，得到的计算压力大于按中径公式得到的计算压

10、力；反之，当计算压力和材料一定时，按中径公式得到较厚的壁厚，当计算压力和材料一定时，按中径公式得到较厚的壁厚，偏保守。值得注意的是：当径比较小时两者的差异很小。偏保守。值得注意的是：当径比较小时两者的差异很小。2511111ln2.13151KKKKKKK1ln21KKK 基于此，新版基于此，新版ASME BPVC VIII-2ASME BPVC VIII-2中，不论厚或者薄，中，不论厚或者薄，圆筒的厚度均基于圆筒的厚度均基于TrescaTresca屈服准则，即厚度计算公式为屈服准则，即厚度计算公式为 1=1ctPiR el 球壳的壁厚设计球壳的壁厚设计中径公式：中径公式： cticctoci

11、opDppDpDpDpDppDD 4444442l 半球形封头壁厚计算公式与圆筒壁厚计算公式对应半球形封头壁厚计算公式与圆筒壁厚计算公式对应l 用弹塑性力学解得到的球壳极限压力用弹塑性力学解得到的球壳极限压力 KpLln22 极限压力极限压力： 11441 KKDpiL l GB150规定球壳中径公式的适用范围为规定球壳中径公式的适用范围为 p/ 0.6 (即即K 1.35 ，相对误差约为相对误差约为 -0.7%)q 受外压壳体的刚度设计受外压壳体的刚度设计 l GB150中关于外压壳体的计算所考虑的主要失效模式是结构中关于外压壳体的计算所考虑的主要失效模式是结构在外压载荷作用下的周向失稳，也

12、兼顾结构的塑性强度破坏在外压载荷作用下的周向失稳，也兼顾结构的塑性强度破坏l 无限长圆筒失稳时的波数为无限长圆筒失稳时的波数为2 2，失稳临界压力可以下式求得：，失稳临界压力可以下式求得：32 . 2 ocrDEp l 短圆筒的失稳临界压力用美国海军水槽公式计算：短圆筒的失稳临界压力用美国海军水槽公式计算：l 失稳临界压力可按以下通用公式表示：失稳临界压力可按以下通用公式表示： ooocrDLDfKDKEp,3 l 圆筒失稳时的环向应力和应变：圆筒失稳时的环向应力和应变：222,22 ocrcroocrcrDKEDKEDp 2.50.52.60.45oecrooeE DpL DD定义定义 oo

13、crDDLfA,于是于是ocrDEAp 2取稳定系数取稳定系数 m = 3，有有 oDEAp 32定义定义32EAB 外压应力系数外压应力系数 /oDBp 外压应变系数外压应变系数注注: : 有了有了A和和B的定义后，受外压筒体可用图算法进行设计，该方法计及了的定义后，受外压筒体可用图算法进行设计，该方法计及了圆筒的非弹性失稳。圆筒的非弹性失稳。l 受外压球壳的临界压力计算公式受外压球壳的临界压力计算公式 小挠度理论解小挠度理论解: : 22221. 1132 REREpcr 实验结果表达式实验结果表达式: :225. 0 REpcr 仍取稳定系数仍取稳定系数 m = 3，B定义为失稳临界应力

14、定义为失稳临界应力，有有EARpmRpBcrcr323 将实验结果表达式代入，有将实验结果表达式代入，有 /125. 0RA 注：注： 1. 若以小挠度理论解代入若以小挠度理论解代入B的的表达式，并保持表达式，并保持A的表达式不变，的表达式不变， 则相当于取稳定系数为则相当于取稳定系数为 m =14.52（或（或m 15）; 2. 外压球壳也可用图算法进行设计计算。外压球壳也可用图算法进行设计计算。q 受外压圆筒和外压计算曲线受外压圆筒和外压计算曲线 在在GB150-2011中对外压壳体计算用的中对外压壳体计算用的B值曲线作了值曲线作了扩充，所有扩充，所有GB150给出的材料都对应有相应的给出

15、的材料都对应有相应的B值曲值曲线（见表线（见表4-14-1）注注: : 对于受外压的容器，各种材料的使用温度上限将由相应对于受外压的容器，各种材料的使用温度上限将由相应的的B值曲线确定值曲线确定n 两条特殊的两条特殊的B值曲线值曲线注：包括注：包括Q370R、15CrMoR、09MnD、09MnNiD等材料，且设计温度等材料，且设计温度不超过不超过150注：包括注：包括07MnMoVR、12MnNiVR、06Ni9DR等等Rm大于大于540MPa的材料，的材料，且设计温度不超过且设计温度不超过200 调整调整外压圆筒加强圈的设计外压圆筒加强圈的设计 加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩加强圈与圆

16、筒有效段组合截面的惯性矩 I Is s的增补说明的增补说明在原标准的基础上，新版在原标准的基础上，新版GB150GB150中中4.5.1.14.5.1.1规定：规定：（1 1）I Is s 值的计算可计入在加强圈中心线两侧有效宽度各为值的计算可计入在加强圈中心线两侧有效宽度各为 的壳体的壳体; ; (2) (2) 若加强圈中心线两侧圆筒有效宽度与相邻加强圈的圆筒若加强圈中心线两侧圆筒有效宽度与相邻加强圈的圆筒有效宽度相重叠，则该圆筒的有效宽度中相重叠部分每侧有效宽度相重叠，则该圆筒的有效宽度中相重叠部分每侧按一半计算。按一半计算。 eoD55. 0 对于容器内部的加强圈，若布置成下图所示的结构

17、时，原对于容器内部的加强圈，若布置成下图所示的结构时，原GB150GB150规定该截面的惯性矩应视间隙长度按虚线内、外部规定该截面的惯性矩应视间隙长度按虚线内、外部分计算。分计算。 修改部分结构的加强圈设置修改部分结构的加强圈设置 实际工程发现取具最小惯性矩的实际工程发现取具最小惯性矩的截面进行计算更为适合，因此新版标截面进行计算更为适合，因此新版标准中对其进行了修改。准中对其进行了修改。q 各种封头的设计计算方法各种封头的设计计算方法l GB150中关于各种封头的设计计算考虑的主要失效模式有中关于各种封头的设计计算考虑的主要失效模式有结构在内压作用下的塑性强度破坏和局部失稳、结构在外压载结构

18、在内压作用下的塑性强度破坏和局部失稳、结构在外压载荷作用下的失稳以及封头与筒体连接处可能发生的累积塑性变荷作用下的失稳以及封头与筒体连接处可能发生的累积塑性变形引起的失效形引起的失效l 球形封头、椭圆封头和碟形封头都给出了以内径和外径为球形封头、椭圆封头和碟形封头都给出了以内径和外径为基准的壁厚计算公式基准的壁厚计算公式l 球冠形封头球冠形封头筒体的计算厚度筒体的计算厚度l 球冠形封头的壁厚设计方法说明球冠形封头的壁厚设计方法说明 a）球面部分的厚度与加强段的厚度可不一致球面部分的厚度与加强段的厚度可不一致b）当）当pc/ t 0.002时（相当于时（相当于2 /Di 0.002），按以），按

19、以下方法确定计算系数下方法确定计算系数Q，并计算加强段厚度：并计算加强段厚度： 1) 按按pc/ t = 0.002查图得到查图得到Q值；值； 2) 取取 = 0.001 Di ； 3) r = Q 注：当径厚比很大时，尚应考虑结构的刚度问题，若仍以注：当径厚比很大时，尚应考虑结构的刚度问题，若仍以 pc / t 确确定定Q值，将不能保证结构的安全值，将不能保证结构的安全l 锥形封头的壁厚设计锥形封头的壁厚设计n 对于承受外压的锥形封头应首先满足该设计条件下的强度对于承受外压的锥形封头应首先满足该设计条件下的强度要求要求( (GB150-2011新增的要求新增的要求) )n 受内压无折边锥壳受

20、内压无折边锥壳大端大端与筒体连接处的应力校核与筒体连接处的应力校核 （包括两部分）（包括两部分）1）压力作用下为满足变形协调产生的边缘应力校核压力作用下为满足变形协调产生的边缘应力校核 ( (GB150-1998包括的计算内容包括的计算内容) ) 控制应力为轴向弯曲应力，强度条件为轴向总应力不大于控制应力为轴向弯曲应力，强度条件为轴向总应力不大于33 t (即采用应力分类的强度条件即采用应力分类的强度条件)最大角度，t Pc0.020.0120.0100.0080.0060.0050.0040.0030.0020.001353025201510不允许增加厚度无需加强注：曲线系按最大应力强度（主

21、要为轴向弯曲应力）绘制，控制值为注：曲线系按最大应力强度（主要为轴向弯曲应力）绘制，控制值为3t。 图图5-11 确定锥壳大端连接处的加强图确定锥壳大端连接处的加强图 注：注：1. 曲线系按最大应力强度曲线系按最大应力强度(主主要为轴向弯曲应力要为轴向弯曲应力)绘制，控绘制，控制值为制值为3 t；2.2. 当当pc/ t 0.002时时( (相当相当于于2 /Di 0.002) ) r = 0.001Q1 DiL式中，式中，Q1 按按 pc/ t = 0.002查图查图5-12得到得到图图5-12 5-12 锥壳大端连接处的锥壳大端连接处的Q1 值图值图加强段厚度：加强段厚度： r = Q1

22、筒体的计算厚度筒体的计算厚度2）轴向）轴向力力QL作用下，为满足连接边缘的力平衡和变形协调所作用下，为满足连接边缘的力平衡和变形协调所产生的应力校核产生的应力校核 ( (GB150-2011新增的计算校核内容新增的计算校核内容) ) 沿圆周单位长度上的轴向力沿圆周单位长度上的轴向力QL注：注： 1) 1) 轴向力轴向力f f1 1以代数值代入，拉为正，压为负；以代数值代入，拉为正，压为负； 2) 2) 以下的计算方法仅针对以下的计算方法仅针对Q QL L为正的情况，如为正的情况，如Q QL L为负，应采用其他分析为负，应采用其他分析方法进行计算。方法进行计算。14fDpQicL 212iLLc

23、DYQ fY 该环向应力的极限条件为：该环向应力的极限条件为： LcQ2 022 iLLDYQ注：注： 1) 相当于相当于GB150-2011中的中的 值值( (查表查表5-5) )应不小于锥壳半顶角应不小于锥壳半顶角； 2) 当仅由压力载荷作用时，该校核条件相当于将负的最大边缘应力中的当仅由压力载荷作用时，该校核条件相当于将负的最大边缘应力中的绝对值限制为与筒体的周向应力等值。绝对值限制为与筒体的周向应力等值。 连接边缘的环向应力：连接边缘的环向应力： 当不满足该条件时，应增加的面积为：当不满足该条件时，应增加的面积为： 12tantsiLLrLDkQA式中式中: : k为壳体材料性能（许用

24、应力和弹性模量乘积）与加强圈材料性能的比值为壳体材料性能（许用应力和弹性模量乘积）与加强圈材料性能的比值 或查表或查表5-5 tcp260 要求满足要求满足rLeLAA 式中式中: : AeL为有效加强面积为有效加强面积n 无折边锥壳小端与筒体连接处的加强计算无折边锥壳小端与筒体连接处的加强计算 1）压力作用下为满足变形协调产生的边缘应力校核压力作用下为满足变形协调产生的边缘应力校核 (GB150-1998包括的计算内容包括的计算内容)0.100.080.060.04最大角度，20486100.020.0080.010t0.0060.0040.0020.001 Pc无需加强增加厚度 R注：如按

25、一次局部薄注：如按一次局部薄膜应力不大于膜应力不大于1.5 t的强度条件，则应力的强度条件，则应力超过超过 t 的范围将可的范围将可能大于能大于2）轴向）轴向力力QS作用下，为满足连接边缘的力平衡和变形协调所作用下，为满足连接边缘的力平衡和变形协调所产生的应力校核产生的应力校核 (GB150-2011新增的计算校核内容新增的计算校核内容)连接边缘的经向应力将起决定性作用：连接边缘的经向应力将起决定性作用： )(25 . 02 fXDXQiSSl 该经向应力的极限条件为：该经向应力的极限条件为： SlQ2 相当于相当于GB150中的中的 值值( (查表查表5-5) )应不小于锥壳半顶角应不小于锥

26、壳半顶角当不满足该条件时，应增加的面积为：当不满足该条件时，应增加的面积为： 12tantsisSrsDkQA式中式中: : k为壳体材料性能（许用应力和弹性模量乘积）与加强圈材料性能的比值为壳体材料性能（许用应力和弹性模量乘积）与加强圈材料性能的比值 tcp89 要求满足要求满足rsesAA 式中式中: : Aes为有效加强面积为有效加强面积n 有折边锥壳与筒体连接处进行的加强计算方法同有折边锥壳与筒体连接处进行的加强计算方法同GB150-1998中的方法中的方法n 外压力作用下的无折边锥形封头也需要对轴向外压力作用下的无折边锥形封头也需要对轴向力力QL作用下，作用下，为满足连接边缘的力平衡

27、和变形协调所进行的应力校核为满足连接边缘的力平衡和变形协调所进行的应力校核 (GB150-1998包括的计算内容包括的计算内容) 1)1)分析结果表明在锥壳大端与筒体连接处的最大压应力为经分析结果表明在锥壳大端与筒体连接处的最大压应力为经向应力：向应力：12,027. 01fRpQRQLLLLl 注：注：1) 轴向力轴向力f1以代数值代入，拉为正，压为负；以代数值代入，拉为正，压为负； 2) 本节的计算方法仅针对本节的计算方法仅针对QL为负的情况，如为负的情况，如QL为正，应采用其他分为正，应采用其他分 析方法进行计算。析方法进行计算。在标准中限制该压应力的绝对值不大于在标准中限制该压应力的绝

28、对值不大于 ，当压应力超过，当压应力超过该限定值，就需要进行面积加强该限定值，就需要进行面积加强 LRp 需加强的面积为：需加强的面积为： LLLtLLrLQQRpRtgQA411 tp104式中式中筒体材料的许用应力和筒体的经向焊接接头系数筒体材料的许用应力和筒体的经向焊接接头系数注：相当于注：相当于GB150中规定的中规定的值值( (查表查表5-8) )应不小于锥壳半顶角应不小于锥壳半顶角要求满足要求满足rLeLAA 式中式中: : AeL为有效加强面积为有效加强面积取绝对值取绝对值2) 无折边锥壳小端与圆筒连接处是否需加强直接先计算需要无折边锥壳小端与圆筒连接处是否需加强直接先计算需要的

29、加强面积的加强面积( (式式5-29) )： tsossrsDQkA2tan 要求满足要求满足rsesAA 式中式中: : Aes为有效加强面积为有效加强面积注：注：1) 1) 是否需进行面积是否需进行面积加强的计算校核仅针加强的计算校核仅针对无折边锥壳与筒体对无折边锥壳与筒体的连接；的连接；2)2)锥壳与筒体连接处锥壳与筒体连接处是否作为支撑线考虑是否作为支撑线考虑由设计人员确定。如由设计人员确定。如连接处作为支撑线，连接处作为支撑线，则应对连接处进行惯则应对连接处进行惯性矩校核。性矩校核。n 偏心锥壳的厚度计算偏心锥壳的厚度计算121）受内压偏心锥壳，取受内压偏心锥壳，取 1和和 2中大值

30、，按正锥壳计算；中大值，按正锥壳计算；2）受外压偏心锥壳，分别取受外压偏心锥壳，分别取 1和和 2，按正锥壳计算。，按正锥壳计算。n 平盖设计平盖设计 a) 平盖厚度计算公式同平盖厚度计算公式同GB150-1998，但结构形式和计算系数，但结构形式和计算系数 K 有所不同有所不同b) 在在GB150-2011中新增了结构中新增了结构13、14、16、17 c) 加筋的圆形平盖加筋的圆形平盖 tcp Kpd 式中：式中：d 取图取图5-23所示所示 d1 和和 d2 中较大者，其中中较大者，其中 44. 0/180sin1/180sin1 KDnndc注：筋板数注：筋板数n6；应尽可能使；应尽可

31、能使d1d2当采用矩形截面筋板，将组合梁当采用矩形截面筋板，将组合梁看成看成A A端为固支端为固支,B,B端为简支端为简支, ,扇形扇形区承受的压力作用在组合梁的形区承受的压力作用在组合梁的形心心C C。这样，筋板与平盖组合截面。这样，筋板与平盖组合截面抗弯模量抗弯模量W 应满足：应满足： trccnDpW 308. 0 注：注： a)如采用矩形截面筋板，其高厚比一般为如采用矩形截面筋板，其高厚比一般为58； b) 筋板与平盖之间应采用双面焊；筋板与平盖之间应采用双面焊； c)平盖中心加强圆环截面的抗弯模量不小于加强筋板的截面抗弯模量。平盖中心加强圆环截面的抗弯模量不小于加强筋板的截面抗弯模量

32、。d) 拉撑结构的设计拉撑结构的设计 适用于以棒材、管材或板材（以下简称适用于以棒材、管材或板材（以下简称“拉撑拉撑”）支撑的凸）支撑的凸型封头、平封头及筒体的设计及计算型封头、平封头及筒体的设计及计算 KPLtcc 1) 规则拉撑结构的系数规则拉撑结构的系数L和和K： L = max(L1, L2, L3 )2) 不不规则拉撑结构的系数规则拉撑结构的系数L和和K： (a) 取通过取通过3 3个支撑点的内部没有支撑的最大圆直径为个支撑点的内部没有支撑的最大圆直径为d，则支撑的间距则支撑的间距 ； (b) 按最大圆通过的相应支撑点类型，系数按最大圆通过的相应支撑点类型，系数K取表取表 5-14

33、4的平均值（的平均值（当支撑结构中存在不同支撑点类型时当支撑结构中存在不同支撑点类型时）。）。2/cdL 3) 拉撑件的强度校核拉撑件的强度校核： a）无孔板的支承载荷：拉杆与其相邻的所有支撑中心连线无孔板的支承载荷：拉杆与其相邻的所有支撑中心连线的垂直平分线所围成的面积为该拉杆的支撑面积，其上承受的的垂直平分线所围成的面积为该拉杆的支撑面积，其上承受的计算压力载荷为该拉杆所承受的支承载荷；计算压力载荷为该拉杆所承受的支承载荷； b）多孔板的支撑载荷：由一根支撑管（杆）的支撑面积减多孔板的支撑载荷：由一根支撑管（杆）的支撑面积减去该面积内的管孔总面积，其上承受的计算压力载荷为该管状去该面积内的

34、管孔总面积，其上承受的计算压力载荷为该管状拉撑所承受的支承载荷拉撑所承受的支承载荷c) c) 拉撑所需要的最小截面面积拉撑所需要的最小截面面积 tWa 1 . 1 注：式中另取注：式中另取1.1倍的安全系数主要考虑腐蚀的影响倍的安全系数主要考虑腐蚀的影响 开孔补强的设计方法开孔补强的设计方法 n GB150中关于中关于开孔补强开孔补强计算所考虑的失效模式是开孔接管计算所考虑的失效模式是开孔接管结构在压力载荷作用下结构在压力载荷作用下的局部高应力而引起的开裂的局部高应力而引起的开裂( (没有考没有考虑循环载荷引起的疲劳破坏虑循环载荷引起的疲劳破坏) )n 开孔补强的目的：减小壳体与接管连接处的应

35、力水平，避开孔补强的目的：减小壳体与接管连接处的应力水平，避免由于该处的高应力水平而引起的开裂免由于该处的高应力水平而引起的开裂 注：由应力分类的强度以及应力分析结果可知，壳体上开孔接管结构在注：由应力分类的强度以及应力分析结果可知，壳体上开孔接管结构在压力载荷作用下起决定作用的总是一次局部薄膜应力压力载荷作用下起决定作用的总是一次局部薄膜应力n 不需另行补强的最大孔直径见表不需另行补强的最大孔直径见表6-16-1，并应满足以下要求：，并应满足以下要求： a） 设计压力设计压力p 2.5 MPa； b） 两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算

36、）应不 小于两孔直径之和；对于小于两孔直径之和；对于3 个或以上相邻开孔，任意两孔个或以上相邻开孔，任意两孔 中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于该两孔直中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于该两孔直 径之和的径之和的2.5 倍；倍； c） 开孔不得位于开孔不得位于A、B 类焊接接头上类焊接接头上。注：注：1) 当腐蚀裕量不为当腐蚀裕量不为1mm时，表时，表6-1中的接管壁厚应相应调整。中的接管壁厚应相应调整。n 开孔补强的计算截面选取开孔补强的计算截面选取 所需的最小补强面积应在下列规定的截面上求取：所需的最小补强面积应在下列规定的截面上求取： a) 对于圆筒或锥壳开孔，该截面通过

37、开孔中心点与筒体轴线；对于圆筒或锥壳开孔，该截面通过开孔中心点与筒体轴线； b) 对于凸形封头或球壳开孔，该截面通过封头开孔中心点，对于凸形封头或球壳开孔，该截面通过封头开孔中心点，沿开孔最大尺寸方向，且垂直于壳体表面沿开孔最大尺寸方向，且垂直于壳体表面在对筒体进行等面积补强计算时，在对筒体进行等面积补强计算时，ASME ASME VIII-1VIII-1规定了一系数规定了一系数 F ： 22sin21cos Fa) 沿长圆孔的长轴沿长圆孔的长轴B-B截面计算时的需补强截面计算时的需补强面积为面积为(F =0.75，B=4d)： ddFdA5 . 175. 022b) 沿筒体轴线沿筒体轴线C-

38、C截面计算的需补强面积为截面计算的需补强面积为(F =1.0，B=2.828d) ： dFdA414. 12系系数数 F 的的力力学学意意义义筒体上起补强作用的面积筒体上起补强作用的面积： 75. 021 edA 5 . 101 eAA筒体上起补强作用的面积筒体上起补强作用的面积： edA414. 11 0 . 201 eAAn 平盖上开孔的补强计算方法平盖上开孔的补强计算方法 a) 平盖上开单个孔且开孔直径不大于平盖上开单个孔且开孔直径不大于0.5 Do（Do 取平盖计算取平盖计算直径，对非圆形平盖取短轴长度直径，对非圆形平盖取短轴长度），可用等面积法进行补强计，可用等面积法进行补强计算，算

39、，所需最小补强面积所需最小补强面积popdA 5 . 0注：注：平盖厚度是按弯曲应力计算得到，按开孔前后在有效补强范围内平盖厚度是按弯曲应力计算得到，按开孔前后在有效补强范围内的抗弯截面模量相等的原理，得到上式表示的需要补强面积的抗弯截面模量相等的原理，得到上式表示的需要补强面积 b) 平盖上开有多个孔时，可平盖上开有多个孔时，可采用增加平盖厚度进行补强的方采用增加平盖厚度进行补强的方法。计算削弱系数法。计算削弱系数 ：ccDbD 注：该方法适用于：平盖危险径向截面上各开孔宽度总和不超过注：该方法适用于：平盖危险径向截面上各开孔宽度总和不超过Di /2，任意相邻两孔中心距大于两孔平均直径的任意

40、相邻两孔中心距大于两孔平均直径的1.5 倍且小于或等于倍且小于或等于2 倍倍。 按表按表5-9 或表或表5-10 查取查取K 后确定系数后确定系数K1： 当当K1/0.5 时，则以时，则以K1/和和K中大值中大值代替式代替式(5-33)(5-35)中的中的K 计算平盖厚度；当计算平盖厚度；当K1/0.5 时，应采用其他设计方法时，应采用其他设计方法。3 . 03 . 03 . 01 KKKKn 圆筒径向接管开孔补强设计的分析法圆筒径向接管开孔补强设计的分析法 a) 适用范围适用范围 1） 适用于内压作用下具有单个径向接管的圆筒，当圆筒具有两个或两个适用于内压作用下具有单个径向接管的圆筒，当圆筒

41、具有两个或两个 以上开孔时，相邻两开孔边缘的间距不得小于以上开孔时，相邻两开孔边缘的间距不得小于 ； 2） 圆筒、接管或补强件的材料，其标准室温屈服强度与标准抗拉强度下圆筒、接管或补强件的材料，其标准室温屈服强度与标准抗拉强度下 限值之比限值之比ReL/Rm 0.8； 3） 接管或补强件与壳体应采用截面全熔透焊接接头，从而确保补强结构接管或补强件与壳体应采用截面全熔透焊接接头，从而确保补强结构 的整体性；的整体性； 4） 对圆筒或接管进行整体补强，应满足补强范围尺寸（自接管、圆筒交对圆筒或接管进行整体补强，应满足补强范围尺寸（自接管、圆筒交线至补强区边缘的距离：对于圆筒线至补强区边缘的距离：对

42、于圆筒 ，对于接管，对于接管 ），或整），或整体加厚圆筒体；补强范围内的体加厚圆筒体；补强范围内的A、B类焊接接头不得有任何超标缺陷，必要时类焊接接头不得有任何超标缺陷，必要时应对此提出无损检测要求；应对此提出无损检测要求；niD 2niDl ntotdl 5） 圆筒与接管之间角焊缝的焊脚尺寸应分别不小于圆筒与接管之间角焊缝的焊脚尺寸应分别不小于 n /2 和和 nt /2，接接管内壁与圆筒内壁交线处圆角半径在管内壁与圆筒内壁交线处圆角半径在 n /8 和和n /2 之间之间； 6） 本设计方法适用下列参数范围：本设计方法适用下列参数范围： 2, 5 . 0max9 . 0 eet 上限范围范

43、围0.9D0.1D 适用参数范围对比适用参数范围对比9 . 0/Dd12/DTd分析法分析法WRC Bulletin No.107WRC Bulletin No.2975 . 0/Dd52/Tt57. 007. 0/Dd5 . 20 . 22/TD开孔率开孔率壁厚比壁厚比2/5 . 0 ,TtMax 应力校核路径确定应力校核路径确定 由于交贯线附近的应力集中沿支管壁厚方向有迅速衰减的特征，由于交贯线附近的应力集中沿支管壁厚方向有迅速衰减的特征，因此选择合理的取值点十分重要。因此选择合理的取值点十分重要。 大量实验、数值分析和理论计算表明，内压圆柱壳开孔接管强大量实验、数值分析和理论计算表明，内

44、压圆柱壳开孔接管强度分析时，最大应力的校核截面在度分析时，最大应力的校核截面在=0=0o o 处，故在制定处，故在制定JB4732JB4732附录附录J J时，保守地选取壳体的中面交贯线时，保守地选取壳体的中面交贯线O O-O-O截面。截面。OOOb) 分析法的基本原理分析法的基本原理 进一步研究过程中，将有限元计算与解析解计算得到的无量纲局部薄进一步研究过程中，将有限元计算与解析解计算得到的无量纲局部薄膜应力强度膜应力强度K Km m和一次加二次应力强度和一次加二次应力强度K K进行对比发现：进行对比发现：(1) (1) K Km m的理论解均不小于有限元的解；的理论解均不小于有限元的解；K

45、 K的理论解大部分不小于有限元的解；的理论解大部分不小于有限元的解；(2) O(2) O-O-O截面的解析解偏保守，截面的解析解偏保守，J-JJ-J截面的解析解更接近有限元的解。截面的解析解更接近有限元的解。OOOJJJB4732路径路径新版新版GB150分分析法路径析法路径 因此新版因此新版GB150GB150中选取中选取J-JJ-J截面作为截面作为应力强度校核截面。对于应力强度校核截面。对于J J点处小于有点处小于有限元解的部分限元解的部分K K值，选取参数时选则更大值，选取参数时选则更大的的t/Tt/T值。值。 设计准则的确定设计准则的确定 MershonMershon总结总结PVRCP

46、VRC关于开孔补强的成果时指出，若采用局部薄膜应力强关于开孔补强的成果时指出，若采用局部薄膜应力强度小于度小于1.51.5m m的准则进行补强设计时，结果过于保守，建议采用开孔后结构的的准则进行补强设计时，结果过于保守，建议采用开孔后结构的极限压力取极限压力取p pl l=0.98p=0.98ps s（p ps s=n=ns sp p，p p为设计压力，为设计压力，n ns s为材料屈服强度的安全系数为材料屈服强度的安全系数）。）。 根据以上原则，多年的研究结果表明，绝大部分模型的无量纲局部薄根据以上原则，多年的研究结果表明，绝大部分模型的无量纲局部薄膜应力强度小于膜应力强度小于2.22.2，

47、因此补强设计准则可以定为：，因此补强设计准则可以定为：此外，为避免出现大的峰值应力，壁厚比还需满足：此外，为避免出现大的峰值应力，壁厚比还需满足：2/5 . 0 ,TtMaxGB150.3中，以中，以e代替代替T，以，以t代替代替Sm。 等效薄膜应力等效薄膜应力 SII 2.2 t 等效弯曲应力等效弯曲应力 SIV 2.6 tc) 分析法的计算步骤分析法的计算步骤 1）等效应力校核）等效应力校核 (a) 计算计算 和和 (b) 由由 、 和比值和比值 te / e 查图查图6-13得到计算系数得到计算系数 Km 和和 K (c) 计算等效薄膜应力和等效弯曲应力：计算等效薄膜应力和等效弯曲应力：

48、 (d) 按强度条件校核按强度条件校核等效薄膜应力和等效弯曲应力等效薄膜应力和等效弯曲应力eeDdDDd ecIVecmIIDpKSDpKS 22 注：超出曲线范注：超出曲线范围时，不得外延围时，不得外延取值取值注：超出曲线范注：超出曲线范围时，不得外延围时，不得外延取值取值2）补强结构尺寸设计补强结构尺寸设计 (a) 假定初始厚度假定初始厚度 和和 (b) 计算开孔率计算开孔率 和中间系数和中间系数 (c) 计算圆筒和接管在压力载荷作用下需要的厚度：计算圆筒和接管在压力载荷作用下需要的厚度： 和和 (d) 计算初始补强系数计算初始补强系数 ctpUDd )0()0(ete UrURt tet

49、egh )0()0()0()0( (e) 可按两种方式校核结构强度是否合格：可按两种方式校核结构强度是否合格： (1) 方式一方式一 令令 h=h(0)，查图，查图6-146-14，遇中间值采用内插法得到，遇中间值采用内插法得到 gmin； 计算：计算： 校核：校核： )0(minett ttg minmin (2) 方式二方式二 令令 g=g(0)，查图，查图6-146-14，遇中间值采用内插法得到，遇中间值采用内插法得到 hmin； 计算：计算： 校核：校核： )0(mine minminh注：超出曲线范注：超出曲线范围时，不得外延围时，不得外延取值取值注：超出曲线范注：超出曲线范围时，不

50、得外延围时，不得外延取值取值n 关于一次局部薄膜应力的强度条件关于一次局部薄膜应力的强度条件 a) 来源和组成来源和组成 除了平衡外载荷所需要的应力部分外除了平衡外载荷所需要的应力部分外, ,还包括为了满足不同还包括为了满足不同结构边缘变形协调而产生的边缘应力部分结构边缘变形协调而产生的边缘应力部分例：例： 受内压的筒体与平盖连接边缘的环向应力为受内压的筒体与平盖连接边缘的环向应力为xkeDpDpxkcc1cos821 为满足变形协调而产生的边缘应力部分为满足变形协调而产生的边缘应力部分b) 特性特性 一次局部薄膜应力有局部性和自限性一次局部薄膜应力有局部性和自限性 局部性来源于其衰减性局部性