压力容器【设计】之厚壁容器

1,第二章 压力容器应力分析,第三节 厚壁圆筒应力分析,CHAPTER STRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELS,2,教学重点： （1）厚壁圆筒中三向应力的公式表达 和应力分布图； （2）厚壁圆筒中的弹塑性区的应力分布； （3）提高屈服承载能力的措施。 教学难点： 厚壁圆筒中三向应力公式推导。,2.3 厚壁圆筒应力分析,3,厚壁容器：,或设计压力在10100MPa之间的容器,2.2.1厚壁圆筒的结构形式,高压容器在化工与石油化工企业中有很广泛的应用。如：合成氨、合成甲醇、合成尿素、油类加氢等合成反应都是在高压反应器中借助压力、温度和催化剂而进行的。这类反应器不但压力高，而且也伴有高温，例如：合成氨常在1532MPa压力和500高温下进行合成反应的。,一、高压容器的应用,4,1、结构细长,2、采用平盖或球形封头,3、密封结构特殊多样,4、高压筒体（身）限制开孔,二、高压容器的结构特点,因为直径大壁厚就增大，制造就越困难,5,三、高压容器的结构型式,筒体结构,单层式,组合式,整体锻造式 锻焊式 卷焊式 单层瓦片式 无缝钢管式,层板包扎式 热套式 绕板式 等等,6,1、单层式,（1）整体锻造式,（2）锻焊式,优点：直径可适当加大，总长度不受限制； 缺点：由于分段制造，工作量加大，且深 环焊缝焊接工艺要求较高并对筒体 强度有所削弱。,（3）卷焊式,优点：制造工艺简单、生产率高、周期短、 成本较低。,7,缺点： a）由于采用大型卷板机，若圆筒直径过小则无法卷筒，一般直径400mm才可使用此种结构。 b）可卷制的厚度也受到卷板机能力的限制。 （直径大于1000mm目前最大为=110mm）,c）厚钢板的综合性能不如薄钢板，冲击韧性较差。当壁厚较大时 要注意材料的韧性指标，以防容器低应力下发生脆性破坏。,）,8,（4）单层互片式,（5）无缝钢管式,高压无缝钢管的直径不超过500mm,9,综合以上五种单层厚壁高压容器，受到如下几个因素的制约 a）厚壁原材料的来源； b）大型机械条件 c）纵向或环向深厚焊缝中缺陷检测与消除的可能性。 由于以上因素而使以上五种结构的厚壁容器使用受到限制，从而相继出现了许多组合式的高压厚壁容器。,10,2、组合式厚壁容器（即多层式）,11,2、制造： 用装置将层板逐层、同心 地包扎在内筒上； 借纵焊缝的焊接收缩力使 层板和内筒、层板与层板 之间互相贴紧，产生一定 的预紧力； 筒节上均开有安全孔 报警。,筒体,深环焊缝,筒节,内层1225mm,外层412mm,为避免裂纹沿壁厚 方向扩展，各层板 之间的纵焊缝应相 互错开75°。,筒节的长度视钢板的 宽度而定，层数则随 所需的厚度而定。,（1）多层包扎式,1、结构：,12,多层包扎筒节,13,多层包扎筒节,14,3、优点： 制造工艺简单，不需大型复杂加工设备； 安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力； 减少了脆性破坏的可能性； 包扎预应力改善筒体的应力分布； 对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。,15,4、缺点： 筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左右）； 深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。 无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测； 焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降； 环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。,16,5、应用情况： 目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。,17,1、结构，制造： 内筒（厚度 30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。,热套筒节,（2）热套式,18,2、优点： 工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。,3、缺点： 筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很高，且套合时需选配套合； 套合时贴紧程度不很均匀； 套合后，需热处理以除套合预应力及深环焊缝的焊接残余应力。,19,（3）绕板式,1、结构： 由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式筒体的基础上发展起来的。 2、制造： 内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆或三块“瓦片”制成。,20,3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达90%以上）。 4、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。,绕板式,21,（4）整体多层包扎式,1、结构： 错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。 2、制造： 将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头； 在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。,22,3、优点： 环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大。,整体多层包扎式厚壁容器筒体,23,（5）绕带式,以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁,两种结构,型槽绕带式,扁平钢带倾角错绕式,24,型槽绕带式 用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内筒上，端 面形状见图4-4（a），内筒外表面上预先加工有 与钢带相啮合的螺旋状凹槽。,缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕 制后依次用空气和水进行冷却，使其收缩产生预 紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹 槽和凸肩相互啮合，缠绕层能承受一部分由内压 引起的轴向力。,25,（a）型槽绕带式筒体 （b）型槽钢带结构示意图,缩套环,双锥面垫片,焊缝,（a）,（b）,（5）绕带式,26,过 程 设 备 设 计,27,优点： 筒体具有较高的安全性，机械化程度高，材料损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。,缺点： 钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，技术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机床。,28,（2）扁平钢带倾角错绕式 中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入ASME -1和ASME -2标准的规范案例，编号分别为 2229和2269。,（c） 扁平钢带倾角错绕式筒体,29,与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。,结构：,内筒厚度约占总壁厚的1/61/4， 采用 “预应力冷绕”和“压棍预弯贴紧”技术，环向15°30°倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。,钢带宽约80-160mm、厚约4-16mm，其始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。,30,四、设计选型原则,各种结构型式的高压容器主要是围绕如何用经济的方法获得大厚度这一中心问题而逐步发展出来的。在设计选型时必须综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设计条件和工夹具条件，以及特殊材料焊接能力，热处理要求及工厂装备条件等等。,31,32,2.3.2单层圆筒的应力分析：（弹性应力分析）,一、厚壁容器的应力变形特点：,1、应考虑径向应力，是三向应力状态； 2、应力沿壁厚不均匀分布； 3、若内外壁间的温差大，应考虑器壁中的热应力。 4、仍然是轴对称问题。,静不定问题，需平衡、几何、物理等方程联立求解,分析方法：,33,有一两端封闭的厚壁圆筒，受到内压 Pi 和外压P0 的作用，圆筒的内半径和外半径分别为Ri、Ro，任意点的半径为r。以轴线为z轴建立圆柱坐标。求解远离两端处筒壁中的三向应力。,34,由于筒体两端和封头连接，一般来说，筒体和与其相连的封头或端盖的刚度是不同的，因此在这些边缘处必然产生相互约束，从而使得相连处及附近筒体的应力状态和远离端部的筒体的应力状态不同使问题简化，我们避开端部影响区，从薄壳边缘应力的特性可知，只要离开端部一定距离，端部的影响便可忽略不计。 因此，我们假设： （1）筒体有足够的长度 （2）满足连续性及各项同性的假设,35,36,二、单层厚壁圆筒的弹性应力分析：,1、取单元体受力分析,（1）取微元体,取圆柱坐标r、z，为便于分析筒体上任一点的应力，围绕这一点取微元体。在距离端部足够远处，分别用： 半径为r和dr的两个同心圆柱面； 过筒体对称轴夹角为d的两个铅垂平面； 以及相距为dz的两个水平面， 从圆筒体上截取微元体abcdefgh。如图：,37,38,（2）受力分析,39,轴向,环向,径向,面：,和,面：,和,面：,面：,面：,面：,和,40,2、列微元体平衡方程 （1）各力分量在z轴上的平衡：,整理得：,两端同乘：,得,41,代入边界条件,根据应力互等定理,（2）各力在过微元体中心的r轴上的平衡,42,43,（3）各力在方向的平衡自然成立,因此，由上面推导可得，平衡方程只有一个，即,平衡方程,44,3、几何方程应变与位移之间的关系,由于结构及变力得对称性，厚壁圆筒在 内压或外压作用下要产生对称于轴线的膨胀(内压)或收缩（外压）。也就是说，横截面上各点都在原来所在的半径上发生径向位移。微元体各个面的位移情况如下图。即：沿半径方向（r方向）产生径向位移 u 及udu，由ABCD变到ABCD 得：,45,径向应变,环向应变,46,几何方程,47,4、变形协调方程, 变形协调方程,48,5、物理方程应力与应变的关系,物理方程,因为在弹性范围内，所以满足虎克定律,49,6、建立应力微分方程平衡、几何、物理方程的综合,由 得,50,由 可知：,即,由平衡方程,得,51,代入上式得,应力微分方程,52,7、求解应力微分方程,上式可简化为能直接积分的形式,两边同时积分得,53,两边再同时积分一次得,可改写成,将,代入平衡方程,则,54,于是便有, 应力微分方程的解,、利用边界条件求积分常数,设壁厚筒半径为i，外半径为o，内压i ，外压o，两端封闭,利用边界条件,55,将上面的两式相减得,将,代入,可解得,56,即有,、建立应力公式拉美公式,将,代入式中得,57,58,10、求轴向应力（截面法）,如果圆筒两端是开口的，其横截面上沿圆筒轴线 方向不变力，即,如果圆筒两端是封闭的，由变形与平面假定可知，圆筒上的横截面在变形后仍然保持为平面。根据圣维南原理，可以认为： 沿壁厚均匀分布。,在距离筒体端部较远处垂直于轴线截取分离体， 如图：,即：,59,60,式中,作用在端部的轴向力,圆环面积,61,故有,径向应力,周向应力,轴向应力,称Lamè（拉美）公式,62,内压厚壁圆筒的应力沿壁厚的分布规律:如图,(1)应力分布：特殊点：,63,厚壁圆筒中各应力分量分布,(a)仅受内压 (b)仅受外压,=-,-,64,仅在内压作用下，筒壁中的应力分布规律：,周向应力 及轴向应力 均为拉应力（正值）， 径向应力 为压应力（负值）。 且周向应力和径向应力沿壁厚成二次曲线的分布，非均匀分布，而且内壁大，外壁小，轴向应力沿壁厚均匀分布，不随着r的变化而发生变化，其危险面为容器的内壁面，即筒体的内壁面是最大应力区,分布特点,65,仅在外压作用下，筒壁中的应力分布规律：,周向应力 及轴向应力 均为压应力（负值）， 径向应力 为压应力（负值）。 且周向应力和径向应力沿壁厚成二次曲线的分布，非均匀分布，而且外壁大，内壁小，轴向应力沿壁厚均匀分布，不随着r的变化而发生变化.,分布特点,66,无论是内压作用还是外压作用，筒壁中的应力 分布均有如下规律：,分布特点,67,过程设备设计,仅在内压作用下,68,过程设备设计,除 外，其它应力沿壁厚的不均匀程度