压力容器设计审核人员培训 gb150.3-2011 压力容器 第3部分：设计 第5、6章课件

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1、压力容器设计审批人培训（四）二〇一二年二月内容简介GB150.3-2011《压力容器第3部分：设计》第5、6章一、封头二、开孔和开孔补强一、封头压力容器常用的封头有凸形封头、锥形封头、偏心锥壳、变径段、平盖、和紧缩口。其中凸型封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。偏心锥壳1.椭圆封头A、内压作用下1）应力状况a.薄膜应力（两向应力作用，纬（环）向、经向）a）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。环向应力：最大拉应力在顶点，最大压应

2、力在底边。b)变形特征：趋圆。c)计算对象意义：拉应力——强度计算压应力——稳定控制b.弯曲应力（与圆筒连接）a)变形协调，形成边界力。b)产生二次应力。边缘应力：d.形状系数K的意义K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，K分布曲线可回归成公式：不同a/b的K见GB150.3第117页表5-1。标准椭圆封头K=1。边缘应力的特性由边缘力和边缘力矩引起的边缘力具有以下两个特点：（1）局限性（2）自限性2）计算公式因K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

3、圆筒计算厚度的K倍。又圆筒壁厚为等径球壳壁厚的2倍，故有椭圆形封头厚度：δ=K×δ圆筒≈2Kδ球壳近似可理解为圆筒厚度的K倍。3）焊接接头系数φ。指拼缝，但不包括椭封与圆筒的连接环缝的接头系数。4）内压作用下的稳定：a.a/b≯2.6是GB150.3（表5-1）限制条件，（当a/b＞2.5时，最大应力发生在过渡区外壁，且为周向压缩应力。）即是为了限制压缩应力值，防止易发生的弹性失稳。b.防止失稳，限制封头最小有效厚度：a/b≤2，即K≤1δmin≥0.15%Dia/b＞2，即K＞1δmin≥0.30%

4、DiB外压作用下：1）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，短轴缩短—趋扁。b.计算对象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，为此过渡区不存在稳定问题。封头中心部分——“球面区”会产生周向和经向的压缩应力，为此存在失稳问题。c.计算意义，按外压球壳。当量球壳：对标准椭圆封头；当量球壳计算外半径：Ro=0.9Do。Do—封头外径。2）对对接圆筒的影响。外压圆筒计算长度L的意义：L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1/3处可视为能保持圆形的

5、截面，为此由两个椭圆封头与圆筒相连接的容器，该圆筒的外压计算长度L=圆筒长度+两个椭圆封头的直边段长度+两倍椭圆封头曲面深度的1/3。2.碟形封头受力、变形特征，应力分布，稳定，控制条件与椭圆封头相似，只不过形状系数由K（椭封）改为M。1)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，是拼凑的旋转壳体，所以应力分布存在局部突变。2)应力状态：主要是两向应力，即周向应力σθ和经向应力σφ，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，是由薄膜应力和弯曲应力组成。（1）薄膜应力分布对

6、于与标准椭圆封头具有相似外形(相同直径与高度)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经向应力σφ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σθ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两处边界，圆筒与环壳对接的边

7、界1，环壳与球壳对接的边界2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：a.当r/Ri较小时（≤0.16）边界2上的作用力对整个封头中的应力起很大的影响。b.当r/Ri＞0.16时，M值受其影响很小，这是整个封头仅受边界1（即封头底边）的影响，其受力情况已与椭圆封头相近了。4）变形特征：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Ri/r的增大而加剧，从而很容易发生失稳，GB150.3（表5-3）对Ri/r不超过10，即是基于这种考虑的。外压过渡区不存在失稳，“趋

8、扁”；仅对球面部分进行外压计算。3.球冠形封头一）内压作用（1）与筒体的连接方式通常是部分球壳与圆筒连接（2）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作用，在原薄膜应力的基础引起附加的径向、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边缘，且为径向应力，其中弯曲应力占相当的比重。球冠封头受力作用示意图（3）厚度计算公式该式去除Q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其许用应力的调整(放宽至3