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过程设备设计 教案 4压力容器设计 课程名称过 程 设 备 设 计 专 业过程装备与控制工程 任课教师 贺 华 第4章 压力容器设计 本章主要介绍压力容器设计准则、常规设计方法和分析设计方法，重点是常规设计的基本原理和设计方法。 4-1 概述 教学内容要点和学时分配 教学重点和难点 解决方法 压力容器设计的基本内容 压力容器设计的基本要求 压力容器设计条件 教学重点压力容器设计的基本要求 教学难点压力容器设计方法 详细讲解 教学目的和要求 1、了解压力容器设计的基本内容和基本要求； 2、了解压力容器设计条件、设计方法和设计文件内容。 授课方式 授课时数 课外作业和要求 教学效果检验方法和要求 讲授 1 思考题 答疑；质疑 一、压力容器设计的基本内容 2、压力容器设计的基本步骤 用户提出技术要求 ↓ 分析容器的工作条件，确定设计参数 ↓ 结构分析、初步选材 ↓ 选择合适的规范和标准 ↓ 应力分析和强度计算 ↓ 确定构件尺寸和材料 ↓ 绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件 二、压力容器设计的基本要求 ● 基本原则 安全是前提和核心，经济是设计的目标，在充分保证压力容器安全的前提下应尽可能做到经济。 三、压力容器设计条件 1、设计条件图 2、基本设计要求 4-2 设计准则 教学内容要点和学时分配 教学重点和难点 解决方法 压力容器的失效形式 压力容器失效设计准则 教学重点 压力容器失效设计准则 教学难点 压力容器失效设计准则 详细讲解 教学目的和要求 1、理解压力容器失效的基本形式； 2、理解压力容器的强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳定失效设计准则和泄漏失效设计准则。 授课方式 授课时数 课外作业和要求 教学效果检验方法和要求 讲授 2 思考题 答疑；质疑 1、强度失效 由于材料屈服或断裂引起的压力容器失效。 （1）韧性断裂 压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂。 ● 特点① 材料断裂前发生较大的塑性变形，容器发生鼓胀。 ② 容器断口处厚度减薄。 ③ 断裂时几乎没有碎片。 ● 失效原因 ① 容器厚度不够。 ② 压力过大（大于最大工作压力）。 （2）脆性断裂（低应力脆断） 容器中的应力远低于材料的强度极限而发生的断裂。 ● 特点① 断口平齐，且与最大应力方向垂直。 ② 断裂时可能碎裂成碎片飞出。 ③ 断裂时应里很低，安全附件不起作用，具有突发性。 ● 失效原因 ① 容器材料的脆性。 ② 材料中存在缺陷。 （3）疲劳断裂 在交变载荷作用下，材料原有的或萌生的裂纹扩展导致容器发生的断裂。 ● 特点① 断口有贝壳状的疲劳条纹。 ② 断裂时容器无明显的塑性变形，容器整体应力较低。 ③ 断裂具有突发性，危害性较大。 ● 失效原因 ① 交变载荷。 ② 高应力区形成疲劳裂纹。 （4）蠕变断裂 压力容器长时间在高温下受载，材料的蠕变变形会随着时间不断增大，使容器厚度明显减薄，发生鼓胀变形，最终导致容器发生断裂。 ● 特征① 在恒定载荷和低应力条件下也会发生蠕变断裂。 ② 断裂前材料会产生蠕变脆化。 ③ 断裂前材料具有韧性断裂的特征，断裂时材料具有脆性断裂的特征。 （5）腐蚀断裂 由于材料受到介质腐蚀，造成容器整体厚度减薄，或局部凹坑、裂纹等，由此引起的断裂称为腐蚀断裂。 ① 全面腐蚀 ② 点腐蚀 ③ 晶间腐蚀 ④ 应力腐蚀 2、刚度失效 构件发生过度弹性变形引起的失效 3、失稳失效 ① 弹性失稳 ② 非弹性失稳 4、泄漏失效 5、交互失效 腐蚀疲劳 ②蠕变疲劳 二、压力容器的失效判据和设计准则 1、失效判据 判断压力容器是否失效 两个必需的条件① 力学分析结果 ② 失效数值 2、压力容器设计准则 （2）刚度失效设计准则 （3）稳定失效设计准则 （4）泄漏失效设计准则 4-3 常规设计 教学内容要点和学时分配 教学重点和难点 解决方法 压力容器设计概述（1学时） 圆筒设计（6学时） 封头设计（2学时） 密封装置设计（2学时） 开孔和开孔补强设计（2学时） 支座和检查孔（1学时） 安全泄放装置（2学时） 焊接结构设计（1学时） 压力试验（1学时） 教学重点 压力容器筒体和封头设计计算 螺栓法兰连接的设计计算 开孔和开孔补强设计计算 教学难点 螺栓法兰连接的设计计算 开孔和开孔补强设计计算 详细讲解 工程实例 课堂讨论 习题分析 教学目的和要求 1、掌握压力容器圆筒的结构和设计计算方法； 2、掌握压力容器封头的结构和设计计算方法； 3、掌握密封装置的结构； 4、理解开孔和开孔补强设计计算方法； 5、了解支座、检查孔和安全泄放装置的结构； 6、掌握焊接结构设计； 7、掌握压力试验和应力校核方法。 授课方式 授课时数 课外作业和要求 教学效果检验方法和要求 讲授、讨论 18 思考题； 习题T1、T2、T 3、T 5、T 7 答疑；质疑；讨论 一、概述 （1）压力容器常规设计方法 （2）压力容器分析设计方法； （3）弹性失效设计准则 结论 ● 按形状比能屈服失效判据计算的内壁初始屈服压力压力和试验值最接近。 ● 当K≤1.5，即厚度较薄时，各设计准则差别不大。 ● 相同承载能力下，最大切应力准则算出的厚度最大，中径公式算出的厚度最小。 二、圆筒设计 （一）结构 1、单层式圆筒 ● 优点不存在层间松动等薄弱环节，能较好地保证筒体的强度。 ● 缺点 （1）对制造设备的要求高。 （2）材料的浪费大。 （3）存在较深的纵、环焊缝，不便于焊接和检验。 2、多层式2、组合式圆筒 ① 层板包扎式 ● 优点（1）对加工设备的要求不高。 （2）压缩预应力可防止裂纹的扩展。 （3）内筒可采用不锈钢防腐。 （4）层板厚度薄，韧性好，不易发生脆性断裂。 ● 缺点（1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。 （2）层板材料利用率低。 （3）层间松动问题 ② 热套式 ● 优点（1）套合层数少，效率高，成本低。 （2）纵焊缝质量容易保证。 ● 缺点（1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。 （2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。 ③ 绕板式 ● 优点（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。 （2）纵焊缝少。 ● 缺点（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。 （2）层间松动问题。 ④ 槽形绕带式 ● 优点（1）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压 产生的轴向力。 （2）机械化程度高，材料利用率高。 ● 缺点（1）钢带成本高，公差要求严格。 （2）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。 ⑤ 扁平钢带倾角错绕式 ● 特点（1）机械化程度高，材料利用率高。 （2）整体绕制，无环焊缝。 （3）带层呈网状，不会整体裂开。 （4）扁平钢带成本低，绕制方便。 （二）强度计算 1、单层圆筒 （1） 壁厚计算 得 ● 设计厚度δdδC2 ● 名义厚度δn δd C1△ δ C1 C2△ ● 有效厚度δe δ△ δn- C1 -C2 上述四个厚度之间的关系 δ δd C2 C1△ δn C1C2 δe （2）强度校核 工作应力 最大允许工作压力 ● 容器的最小厚度 碳素钢、低合金钢制容器δmin≥3mm 高合金钢制容器δmin≥2mm ● l 规定容器的最小壁厚，在经济上是合理的，因为对于壁后很薄的容器，在制造过程（例如两个筒节的对接）和运输过程中，为了维持必要的圆度和刚度，要是用大量的辅助钢材把筒节撑圆，这些钢材所需费用要计入容器的制造成本中去。 （3）压力试验 ① 液压试验 试验温度 耐压试验时，为避免材料的低温脆性破裂，试验环境和水温必须高于材料的无塑性转变温度（NDT），根据目前我国压力容器用材情况，对于碳素钢、16MnR、正火15 MnVR，试验温度不得低于5℃；对于其它低合金钢容器，试验温度不得低于15℃。 试验压力 内压容器 外压容器和真空容器 注意 ● 夹套容器视内筒为内压或外压容器，分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。 ● 需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性，如不满足稳定性要求，则需在夹套液压试验时，内筒内保持一定的压力。 应力校核 ● 强度校核 如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校核时，PT应加上容器立置充满水时的最大液柱压力。 ② 气压试验 ● 内压容器 ● 外压容器和真空容器 ③ 气密性试验 ● 容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力PT1.0P ● 容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。 通常取PT1.0PW。 （三）设计参数的确定 1、设计压力P （1）设计压力≠工作压力 ● 工作压力由工艺过程决定，其大小在工作过程中可能有变化，在容器顶部和底部工作压力也可能不同。 ● 设计由具体工作条件规定，通常为定值。 （2）最大工作压力PW ● 指容器在正常工作情况下其顶部可能出现的最高表压力。 要求P≥ PW （3）装有安全阀的容器，P（1.051.1）PW ● 装有爆破膜的容器，P（1.151.75）PW ● 装有液化气的容器，按可能达到最高温度下介质的饱和蒸汽压确定P ● 装有液体的容器，当受压元件所在截面处的液柱静压力达到或超过设计压力的5时，液柱静压力应计入设计压力。 即P‘ P PL 2、设计温度t ● 正常工作情况下及相应设计压力下设定的受压元件的温度。容器的设计温度一般由工艺条件给出。 3、焊缝系数φ ● 反映由于焊缝存在，容器材料受到削弱的程度，其值主要考虑焊缝形式和对焊缝进行无损检验的要求。 4、壁厚负偏差 见表4-2 5、许用应力[] 1 当材料温度低于蠕变温度时，表示材料抵抗塑性变形能力的强度指标是屈服极限σS，表示材料抵抗断裂能力的强度指标是强度极限σb。 ● 当材料温度高于蠕变温度时，表示材料高温下抵抗塑性变形能力的强度指标是蠕变极限σn，表示材料高温下抵抗断裂能力的强度指标是持久极限σD。 2 安全系数的规定 ● 碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢 nb≥3.0 ns≥1.6 nD≥1.5 nn≥1.0 ● 奥氏体高合金钢 nb≥3.0 ns≥1.5 nD≥1.5 nn≥1.0 3 许用压力 4 对于不锈钢复合板或多层板 （四）外压圆筒设计 1、解析法 解析法的缺点 ● 要经过多次试算，计算过程繁琐； ● 弹性范围的判断。 2、图算法 （1）几何参数计算图 几何参数计算图的特点 ① 平行于纵轴的直线代表长圆筒，斜线代表短圆筒。 ② A仅与圆筒的几何参数有关，与材料无关。 ③ 几何参数图对长圆筒和短圆筒都适用。 （2）壁厚计算图 ① 不同材料有不同的σ-ε曲线，故有不同的B-A曲线。 ② 同一材料在不同温度下的σ-ε曲线不同，所以每张图中都有一组与不同温度对应的曲线。 ③ 每条曲线均有两部分组成，直线部分代表弹性变形阶段，可直接计算得B（比查图准确），曲线部分代表非弹性变形阶段，需由A查图得B。 （3）图算法的设计计算步骤 ① 假设δn，δeδn-C ② 计算（D0/δe）、（L/ D0）,由几何参数计算图查A ③ 由壁厚计算图A-B（弹性变形阶段和非弹性变形阶段） ④ [P]Bδe/D0，比较PC和[P]，若PC小于[P]且较接近，则假设δn合适，否则重新假设δn，重复以上步骤，直到满足要求。 3、设计参数的确定 （1） 设计压力 （2） ① 真空容器 ● 有安全装置时 ● 无安全装置时p0.1Mpa ② 带夹套的真空容器 p取真空容器的设计压力加上夹套压力 ③ 其它外压容器（包括带夹套的外压容器） p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内外压力差 即p≥p0-pimax ● 注意最大内外压差的取值 （2）稳定性安全系数 根据GB150的规定 ● 对于圆筒m3.0（周向外压） m4.0（轴向外压） ● 对于球壳m14.52 （3）计算长度 图（4-11） 4、加强圈的设计计算 （1）加强圈设计步骤 ① 初步取加强圈的数目和间距 ② 计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合惯性矩I ③ 选择加强圈材料，按型钢规格初定加强圈的截面形状和尺寸，计算实际组合截面惯性矩IS。 ④ 比较IS和I，若IS≥ I且比较接近，则加强圈的尺寸、数目和间距满足要求，否则重新选择加强圈，重复以上步骤，直到满足要求为止。 （2）加强圈结构设计 ① 加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢，这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容器整个圆周。 ② 加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连续焊或间断焊。 ③ 为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被任意削弱或割断。 三、封头设计 封头按形状分类 1、内压凸形封头 （1）半球形封头 （2） 椭圆形封头 K----应力增强系数 最小厚度 标准椭圆形封头δe≥0.15Di 非标准椭圆形封头δe≥0.30Di （3） 碟形封头 M----应力增强系数 （4）锥形封头 ① 无折边锥形封头 Q----应力增强系数 ② 带折边锥形封头 K----应力增强系数（表4-6） （5）平板形封头 K----结构特征系数 Dc----封头的有效直径 ● 在封头直径较大时，采用平板形封头其壁厚将非常大，不仅浪费材料，而且笨重，给运输和安装带来不便。所以尽管平板形封头结构简单、制造容易，但承压设备一般都不采用平板形封头，只有压力容器的人孔盖、手孔盖及接管所用盲板等处采用平板结构。 2、外压凸形封头 ① 半球形封头 ② 椭圆形封头 按半球形封头计算壁厚 R0K1D0 ③ 碟形封头 按半球形封头计算壁厚，R0取球面部分外半径。 ④ 无折边球形封头 按半球形封头计算壁厚 四、密封装置设计 （一）密封机理及分类 ● 密机封理 螺栓预紧力 → 压紧垫片 → 垫圈变形 → 达到初始密封条件→ 介质压力作用 → 法兰向分离方向移动 → 依靠螺栓力使垫圈上保持一定比压 ● 泄漏形式① 界面泄漏 ② 渗透泄漏 ● 影响密封的因素螺栓预紧力、垫圈性能、压紧面形式、法兰刚度、操作条件等。 （二）垫片特性与选择 （1）预紧密封比压y Mpa 预紧工况下，形成初始密封条件时，垫圈单位面积上所需的最小压紧力。 ● 垫圈的压紧力必须合适，压紧力太小会导致泄漏，压紧力太大会导致垫片变形破坏。 ● 预紧密封比压y由试验确定，是计算螺栓预紧力的重要参数。 （2）垫片系数m 操作时，为保证密封，垫圈上必须维持的比压与介质压力的比值。 ● 垫片参数m的物理意义表示在操作状况下，实现密封的难易程度。 ● 保证密封的条件预紧时，法兰密封面上的比压不低于预紧密封比压y；工作时，法兰密封面上的比压不低于m倍的介质压力。 （3）垫片的类型 ● 垫片形状平面形、O形、波形、齿形、八角形、椭圆形等 ● 垫片类型 ① 非金属垫片 ● 常用材料石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、合成纤维、石墨等。 ② 金属垫片 ● 常用材料铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 ③ 组合式垫片 ● 包括金属包垫片；缠绕式垫片；带骨架的非金属垫片； （三）螺栓法兰连接设计 1、压紧面选择 （1）平面形压紧面 （2）凹凸形压紧面 （3）榫槽形压紧面 （4）梯形槽压紧面 2、螺栓设计 （1）螺栓材料 ● 螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要求是强度要高、韧性要好。 ① 螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉，所以要求螺栓材料的强度比螺母高。 ② 为避免螺栓和螺母咬死或胶合，要求螺栓材料的硬度比螺母高HB30以上。 ③ 对于t≤-20℃的螺栓，要求选用低合金钢，并进行夏比V形缺口低温冲击试验。 螺栓常用材料和许用应力见附录。 （2）螺栓载荷 ● 预紧时 FaπbDGy ① b0≤6.4mm时，b b0，DG垫片接触面平均直径 ② DG垫片接触面外径-2b ● 操作时 螺栓载荷 预紧时 WaFa 操作时 （3）螺栓直径与个数 ● 预紧时（按常温计算） [σ]b----螺栓材料常温时的许用应力 ● 操作时（按设计温度计算） [σ]bt----螺栓材料设计温度下的许用应力 螺栓所需总截面积 （4）螺栓间距的限制 δf----法兰厚度 （5）螺栓设计载荷 操作WWp 3、法兰结构类型及标准 （1） 法兰结构类型 （2）法兰标准 ① 公称压力PN和公称直径DN ● 法兰的公称压力-----与法兰相配的筒体、封头及管子的公称直径。 ● 对于钢板卷焊制成的筒体和与其相配的封头 DNDi ● 对于钢管，DN通常介于外径和内径之间 ② 压力容器法兰最大允许工作压力 表示一定材料和温度的法兰的最大操作压力，其值可能与PN相同，也可能不同。 ③ 管法兰标准和容器法兰标准不同，既使PN和 DN相同，其尺寸也不相同，所以一对相配的法兰必须选用同一标准。 （3）法兰的强度设计计算方法 ● Timoshenko法（了解） ● Waters法 ① 载荷 a、 螺栓载荷 b、 垫片反力 c、 内压载荷 ② 力学模型 ③ 基本假设 a、 中面假设 b、 线弹性假设 c、 小变形假设 ④ 计算方法 a、 法兰力矩的计算 轴向力 → 力臂 → 力矩 b、 法兰应力的计算 c、 法兰强度校核 法兰强度校核条件 （四）高压密封设计 1、高压密封的基本要求 ① 工作可靠，在正常压力和温度波动范围内均能保证密封。 ② 结构简单紧凑，装拆、维修方便。 ③ 密封元件能耐介质腐蚀且价格便宜。 2、高压密封的基本特点 ● 金属密封元件 ● 窄面或线接触密封 ● 自紧或半自紧密封 3、高压密封的结构型式 ①平垫密封 特点 ① 强制式密封 采用窄面金属垫片 主螺栓直径大 适用范围t ≤200C Di ≤1000mm ② 卡扎里密封 优点 ● 螺纹套筒代替主螺栓，承载能力大，装拆方便。 ● 预紧螺栓直径小 缺点 ● 螺纹套筒可能锈蚀而拆卸困难。（螺纹套筒可用主螺栓代替） 适用范围大直径、高压力 ③ 双锥密封 g的大小 锥环刚度 锥环尺寸 预紧力的大小 双锥密封特点 ● 结构简单，装拆方便、密封可靠。 ● 半自紧密封，主螺栓直径较小。 ● 压力和温度波动时也能保证良好密封。 适用范围P6.435MPa t 0400C Di 4002000mm ④ 伍德密封 优点 ● 全自紧式密封，压力和温度的波动不会影响密封可靠性。 ● 取消了主螺栓，使筒体端部尺寸减小。 缺点零件多、结构复杂。 ⑤ C形环密封 ⑥ O形环密封 ⑦ 其它密封结构 ⑧ 高压管道密封 提高高压密封性能的措施 ● 改善密封接触表面 ● 改进垫片结构 ● 采用焊接密封元件 五、开孔和开孔补强设计 开孔接管部位的应力集中 ● 强度削弱 ● 不连续应力 ● 局部应力 ● 焊接缺陷和残余应力 1、补强结构 ① 补强圈补强 ② 厚壁管补强 ③ 整锻件补强 2、开孔补强计算 （1）开孔补强设计准则 ① 等面积补强 在有小补强范围内，可起补强作用的金属截面积Ae应大于或等于开孔所削弱的金属截面积A，即要求Ae≥A ② 极限分析补强 （2）等面积补强计算 ① δnt C12C2 C δt △ δet B di2C h1 h2 δ △ C δe δn 允许不另行补强的最大开孔直径 ② 允许开孔的范围 ③ 有效补强范围 补强区宽度 补强区外侧高度 补强区内侧高度 ④ 补强计算 a、开孔削弱的有效金属截面积 受内压的圆筒或球壳 受外压的圆筒或球壳 平盖（开孔直径d≤0.5Di） b、补强金属截面积 ● 壳体 ● 接管 ● 焊缝 ● 补强元件金属截面积A4 判断是否需要补强 若 AeA1A2A3A 则开孔后不需另行补强 若 AeA1A2A3〈A 则开孔后需另行补强 补强强圈厚度 六、支座和检查孔 （一）交座 用于支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置。 ● 交座受到容器及其物料、附件、风载荷、地震载荷等作用。 1、立式容器支座 ① 耳式支座 优点简单、轻便。 缺点会对器壁产生较大的局部应力。 ● 容器较大或器壁较薄时．应在支座与器壁间加支板，支板的材料最好与筒体材料相同。 ● 耳式支座标准JB/T4725耳式支座 ② 支承式支座 优点简单方便 缺点会对器壁产生较大的局部应力。 ● 支承式支座标准JB/T 4724支承式支座 ③ 腿式支座（支腿） 优点结构简单、轻巧、安装方便；在容器下面有较大的操作维修空间。 缺点当容器上的管线直接与产生脉动载局的机器设备刚性连接时，振动较大。 ● 腿式支座标准JB/T4713腿式支座 ● 选用立式容器支座时，先根据容器公称直径和总质量选取相应的支座号和支座数量，然后计算支座承受的实际载荷．使其不大于支座允许载荷。 ● 除容器总质量外，实际载荷还应综合考虑风载荷、地震载荷和偏心载荷。 ④ 裙式支座 用于比较高大的立式容器，将别是塔器，应采用裙式支座。 ● 裙式支座有圆筒形和圆锥形两种形式 2、卧式容器支座 ● 鞍座是应用最为广泛的一种卧式容器支座。 ● 对于大直径的薄壁容器和真空容器，为增加筒体支承处的局部刚度常采用圈座。 ● 重量较轻的小型容器采用结构简单的支腿。 （二）检查扎 用于检查容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生。 ● 压力容器上开设的检查孔最少数量与最小尺寸应符合有关规范的要求。 七、安全泄放装置 是压力容器的安全附件之一，能保证压力容器安全运行，超压时能自动卸压，防止压力容器发生超压爆炸。 1、安全泄放原理 ① 安全泄放装置的作用 ② 安全泄放装置的要 2、安全阀 ● 作用通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。 ● 优点仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免排出全部气体而造成浪费和中断生产 ● 缺点密封性能较差；阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。 ● 结构和类型 3、爆破膜 ● 作用断裂型安全泄放装置，利用爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的。 ● 优点密闭性能好；破裂速度快。 ● 缺点泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也被迫停止运行。 类型和结构 八、焊接结构设计 1、焊接接头型式 （1）对接接头 两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。 ● 这种焊接接头受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证，因此，是压力容器最常用的焊接结构形式。 （2）角接接头和T型接头 两个相连接的构件在接头处的中面相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头 ● 这种焊接接头在接头处构件结构是不连续的，受力状态较差。 （3）搭接接头 两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起。 ● 接头部位受力情况较差。 2、坡口形式 焊接坡口施焊前将焊件连接处预先加工成各种形状。 ● 不同的焊接披口适用于不同的焊接方法和焊件厚度。 3、焊接接头分类 （1）A类焊接接头 （1）B类焊接接头 （3）C类焊接接头 （4）D类焊接接头 4、焊接接头布置原则 （1）焊接接头布置应避免交叉和密集 ● 主要受压元件上的A、B类焊接接头应避免十字交叉 ● 几条焊缝汇集在一起时应设法避开 （2）焊接接头应尽量避开高应力区 （3）尽量降低焊件刚度 5、焊接结构设计原则 （1）尽量采用对接接头 （2）尽量采用全焊透结构 （3）尽量减小焊缝处的应立集中 （4）便于进行无损检验 6、压力容器常用焊接结构设计 （1）筒体、封头及其相互间连接的焊接结构 （2）接管与壳体及补强圈间的焊接结构 （3）凸缘与壳休的焊接结构 4-4 分析设计和疲劳分析 教学内容要点和学时分配 教学重点和难点 解决方法 压力容器的分析设计（1学时） 压力容器的疲劳分析（1学时） 复习总结（1学时） 教学重点压力容器的分析设计 教学难点压力容器的疲劳分析 详细讲解 教学目的和要求 1、了解压力容器的分类和分析设计思想； 2、了解疲劳分析的基本概念。 授课方式 授课时数 课外作业和要求 教学效果检验方法和要求 讲授 3 思考题 答疑；质疑 一、分析设计的概念 通过解析法或数值方法．将各种载荷或变形约束产生的应力进行分类，采用不同的设计准则进行限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。 ● 分析设计可应用于承受各种载荷、任何结构形式的压力容器没计 ● 常规设计的局限性 ① 常规设计将容器所承受的载荷按一次施加的静载荷考虑，不考虑交变应力和热应力。 ② 常规设计基于弹性失效准则，将主要部件的平均应力限制在需用应力范围内，无法对不同部位、不同载荷引起的应力进行分析和限制。 ③ 常规设计规范中规定了具体的容器结构形式．无法应用于规范中未包含的其他容器结构和载荷形式。 二、应力分类 ● 容器应力分类的依据应力产生的原因；应力作用区域与分布形式 1、一次应力P 平衡外加机械载荷所必须的应力 ● 一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系。 ● 一次应力随外载荷的增加川增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制，即一次应力具有 “非自限性”的基本特征。 ● 当一次应力超过屈服点时将引起容器总体范围内的显著变形或破坏 ① 一次总体薄膜应力Pm 容器总体范围内存在的沿厚度方间均匀分布的应力。 ② 一次弯曲应力Pb 沿厚度线性分布的应力。 ③ 一次局部薄膜应力PL 在结构不连续区由内压或其他机械载荷产生的薄膜应力和结构不连续效应产生的薄膜应力。 2、二次应力Q 由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或切应力。 ● 二次应力不是由外载荷直接产生，其作用不是为平衡外载荷，而是使结构在受载时变形协调。 ● 二次应力基本持征是“自限性”。 3、峰值应力F 由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。 ● 介质温度急剧变化在器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力。 ● 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整体的变形。其有害性仅是可能引起疲劳或脆性断裂。 三、应力强度计算（了解） 1、应力强度 ● 五类基本应力强度 次总体薄膜应力强度SⅠ 一次局部薄膜应力强度SⅡ 一次薄膜（总体或局部） 加一次弯曲应力（PL十Pb）强度SⅢ 一次加二次应力（PL十Pb十Q）强度SⅣ 峰值应力强度SⅤ 2、应力强度计算步骤 四、应力强度限制（了解） 1、设计应力强度（许用应力） 材料的短时拉伸性能与相应的材料设计系数的比值。 ● 对于相同的材料，分析设计中的设计应力强度大于常规设计中的许用应力。因此采用分析设计可以适当减薄厚度、减轻重量。 2、极限分析和安定性分析 （1）极限分析 （2）安定性分析 3、应力强度限制 ● 一次应力的许用值由极限分析确定，主要目的是防止过度弹性变形或弹性失稳。 ● 二次应力的许用值由安定性分析确定，目的在于防止塑性疲劳或过度塑性变形。 ● 峰值应力的许用值由疲劳分析确定的，目的在于防止由大小或方向改变的载荷引起的疲劳。 ● 应力强度的安全判据 ① 次总体薄膜应力强度SⅠ ② 一次局部薄膜应力强度SⅡ ③ 一次薄膜（总体或局部） 加一次弯曲应力（PL十Pb）强度SⅢ ④ 一次加二次应力（PL十Pb十Q）强度SⅣ ⑤ 峰值应力强度SⅤ 3、应力分析设计一般步骤 ● 结构设计 ● 建立力学分析模型 ● 应力分析 ● 应力分类 ● 应力强度计算 ● 应力强度校核 五、疲劳分析（了解） ● 容器发生疲劳失效时一般没有明显的塑性变形 ● 在载荷反复作用下，微裂纹不断扩展，形成宏观疲劳裂纹并贯穿容器厚度，从而导致容器发生疲劳失效。 ● 疲劳分析的目的是保证容器不致在有效的使用期内发生疲劳失效。 1、低循环疲劳曲线 2、平均应力对疲劳寿命的影响 3、压力容器的疲劳设计 ● 压力容器的疲劳设计基础是应力分折。 4、影响疲劳寿命的其他因素 ● 容器结构 ● 容器表面性能 ● 环境 六、压力容器设计技术进展（了解） 1、可靠性设计 在设计中考虑各种随机因素的影响，将全部或部分参数作为随机变量处理，对其进行统计分析并建立统计模型．运用概率统计方法进行设计计算，可更全面地描述设计对象，所得的结果更符合实际情况。 2、优化设计 传统设计方法仅限于方案比较，是一个试凑的过程。压力容器优化设计是在给定基本结构形式、材料和载荷的情况下，确定结构的形状或尺寸，使某项或几项设汁指标取得最优值。 ● 压力容器优化设计实质是在满足一定的约束条件下．选取适当的设计变量，使目标函数的值最小。 ● 目标函数可以是最轻重量、最低寿命周期费用、最小应力集小系数和其他指标。 ● 优化设计可以在保证压力容器安全的情况下有效减轻压力容器重量、降低成本、延 长寿命。 3、计算机辅助设计 ● 采用计算机辅助设计技术，可以更方便地表达设计思想，减少简单重复劳动，缩短设计周期和交货期，提高设计的效率和质量。 ● 模块化与参数化设计技术。 ● 压力容器常规设计软件包“过程设备强度计算软件包” 思考题 1、常规设计和分析设计有何不同 2、什么是一次应力其基本特征是什么一次应力可分为那几种 3、什么是二次应力 4、什么是极限载荷 5、什么是安定性分析 6、疲劳分为那几种如何定义 7、什么是可靠性设计