第13章 压力容器的开孔与补强 本章重点内容及对学生的要求： （1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求； （4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。 第一节 容器开孔附近的应力集中 1、 相关概念 （1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ） 在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响： ◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 ◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。 （2）应力集中系数（stress concentration factor ） 常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σ σmax =t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ? 研究开孔应力集中程度，估算K t 值； ? 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。 2、平板开小孔的应力集中 Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension
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压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随
着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。 对比分析 3.1.等面积法 等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即
目录 1前言及概念3 1.1开孔补强的适应范围和方法 (3) 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (3) 1.3开孔补强的目的 (4) 1.4补强结构(补强元件类型) (4) 1.4.1加强管补强 (4) 1.4.2整体锻件补强 (4) 1.4.3加强圈的补强 (4) 1.5壳体开孔的有关规定 (5) 1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (5) (5) 1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max 1.6等面积补强计算方法 (6) 1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) (6) 1.6.2等面积补强的原则 (6) 1.6.3等面积补强计算方法 (6) 2工艺设计 8 2.1设计要求 (8) 2.2连续釜式反应器工艺设计 (8) 2.2.1单段连续釜式反应器 (8) 2.2.2反应器直径和高度的计算 (9) 3 机械设计9 3.1手孔的开孔补强计算 (9) 3.1.1计算是否需要补强 (10) 3.1.2计算开孔失去的面积A (10) 3.1.3计算有效补强面积A (11) 3.2进料口的开孔补强计算 (11) 3.2.1计算是否需要补强 (11) 4补强结构图12 5总结13 6参考文献 13
1前言及概念 在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。 1.1开孔补强的适应范围和方法 (1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当其内径D≥1500mm时， 开孔最大直径d≤l／3Di，且d≤1000mm； (2)凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤1／2Di； (3)锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径； (4)在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (1)补强圈补强 补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。 (2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强) 采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。 (3)整体加厚壳体补强 整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显
引言 《压力容器》“压力容器应力分析设计方法的进展和评述”中曾介绍和评述了压力容器分析设计的弹性应力分析方法（又称应力分类法）的最新进展。本文将进一步介绍和评述压力容器分析设计的塑性分析方法，包括ASME的极限载荷分析方法、弹塑性应力分析方法和欧盟的直接方法等。 压力容器设计是一个创新意识非常活跃的工程领域，它紧跟着科学技术的发展而不断地更新设计方法。随着弹性理论、板壳理论和线性有限元分析方法的成熟，20世纪60年代，压力容器界提出了基于弹性应力分析和塑性失效准则的“弹性应力分析设计方法”。进入21世纪后，由于塑性理论和非线性有限元分析方法的日趋成熟，欧盟标准和ASME规范又先后推出了压力容器的塑性分析设计方法。其中涉及许多新的基本概念和新的分析方法，需要我们及时学习领会和消化吸收，以提高我们的分析设计水平，并结合国情进一步修订我国的压力容器设计规范。 ASME和欧盟的新规范都是以失效模式为主线来编排的。ASME考虑了以下4种模式： （1）防止塑性垮塌。对应于欧盟的“总体塑性变形(GPD)”失效模式。 （2）防止局部失效。 （3）防止屈曲（失稳）垮塌。对应于欧盟的“失稳（I）”失效模式。 （4）防止循环加载失效。对应于欧盟的“疲劳（F）”和“渐增塑性变形（PD）”2种失效模式。 欧盟还考虑了“静力平衡（SE）”失效模式，即防止设备发生倾薄。 文中讨论的塑性分析设计方法主要应用于防止塑性垮塌和防止局部失效2种情况。 1、极限载荷分析法 在一次加载情况下，结构的失效是一个加载历史过程，即随着载荷的增加从纯弹性状态到局部塑性状态再到总体塑性流动的失效状态。对无硬化的理想塑性材料和小变形情况，结构进入总体塑性流动时的状态称为极限状态，相应的载荷称为极限载荷。此时，结构变成几何可变的垮塌机构，将发生不可限制的塑性变形，因而失去承载能力。 一般的弹塑性分析方法都要考虑上述复杂的加载历史过程，但极限载荷分析法（简称极限分析）则另辟蹊径，跳过加载历史，直接考虑在最终的极限状态下结构的平衡特性，由此求出结构的承载能力（即极限载荷）。它是塑性力学的一个
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/914250331.html, 浅谈压力容器的两种设计方法 作者：王艳 来源：《价值工程》2010年第15期 摘要:本文介绍了压力容器的两种设计方法,指出分析设计方法虽然相对复杂,但较常规设计方法更安全更经济,且随着计算机技术的发展、有限元方法的应用及各种功能软件的使用它将 会得到更广泛的应用。 Abstract: This paper introduces two kinds of pressure vessel design methods and points that analysis and design methods are relatively complex and more economical,but safer than the conventional design method,and with the development of computer technology,finite element method and software applications will be more widely used. 关键词:压力容器;常规设计;分析设计 Key words: pressure vessel;conventional design;analysis and design 中图分类号:TH49 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)15-0166-01 压力容器是化工、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广泛使用的承压设备。尽管各类压力容器设备功能各异、结构复杂程度不一,但一般可将其分解为筒体、封头、法兰、 开孔、接管、支座等部件。 压力容器及其部件的两种设计方法分别是常规设计和分析设计。 常规设计是以弹性设计准则为基础,以壳体的薄膜理论或材料力学方法导出容器及其部件 的设计计算公式,这些公式均以显式表达,给出了压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系。它包含了设计三要素:设计方法、设计载荷及许用应力,但这些并不是建立在对容器及其部件进行详尽的应力分析基础之上。如容器筒体,是采用“中径公式”(根据内压与筒壁上均匀分布的薄膜应力整体平衡推导而得),一般情况它仅考虑壁厚中均布的薄膜应力,不考虑其它类型的应力,如对弯曲应力,只有当它特别显著、起主导作用时才予以考虑。实际上,当容器承载以后器壁上会出现多种应力,其中包括由于结构不连续所产生的局部高应力,常规设计对此只是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件设计做一些规定,在结构、选材、制造等方面提出要求,把局部应力粗略地控制在一个安全水平上,在考虑许用应力时选取相对高的安全系数,留有足够的安全裕度。因此,常规设计从本质上讲,可以说是基于经验的设计方法。 工程实际中我们用常规设计的观点和方法解决了很多问题,但也有一些问题无法解释,因为常规设计只考虑弹性失效,没有去深究隐含在许用应力值后面的多种失效模式。
浅谈我国压力容器设计技术的进展 引言 社会经济发展为社会技术完善提供了发展的基础动力，工业是我国国民产业中主要部分，工业技术创新化，生产高效化，是推进社会发展技术融合的有效途径，本文对我国工业技术的创新研究，主要从压力容器的设计技术进步进展与采取的应对措施角度进行的分析，为我国现代工业技术的拓展提供新的探索发展空间。 1.压力容器设计技术进展分析 压力容器的技术随着社会工业技术的发展逐步进步，本文对压力技术设计技术的进展分析主要分为三个阶段：第一阶段，压力容器技术应用的初步阶段，新中国成立初，国家发展百废待兴，我党提出优先发展重工业技术，工业技术主要采用国外进口与国内初步研究相结合，从而达到现代工业技术研究创新分析，在应用和模仿中逐步探索，此时的工业技术应用与发展主要是为了适应社会经济发展需要，工业压力容器技术研究的层次停留在技术研究的表面，但工业生产压力容器探索发展的新渠道已经被打开;第二阶段，压力容器逐步从模仿技术向的技术转变，新的技术研究将压力容器的技术应用分为低压容器技术，中压容器技术，高压容器技术，以及超高压容器技术，压力容器技术的材质也逐步实现探索，结合我国政府提出的相应工业技术研究政策的引导，实现了良好的技术行业的加工与发展，工业装备技术的发展逐渐实现完整的发展整体，促进现代工业技术发展的良性循环;第三阶段，我国压力容器技术的发展逐步取得新的技术突破，结合现代自动化程序，例如：压力容器受压程度自动检验系统，实现现代工业压力容器技术发展结构逐步优化，例如：我国压力容器技术的探究已经不仅仅局限于工业生产在航空、航海等领域也取得了较大的成效。例如：我国压力容器产业结构的发展中，新的技术研究申请美国ASME技术认证，同时压力容器技术的发展从欧洲领域的技术研究，向亚太地区的区域技术开发转变，实现了现代压力容器技术创新与拓展的进步。结合以上对我国压力容器技术发展阶段的分析，将我国压力容器技术研究的发展总结为技术发展与研究探索两部分，主动性更强，技术开发的深度和广度加强，与我国社会发展的各个方面都具有直接性联系，在社会进步完善中具有重要的作用。 2.压力容器设计技术发展的应采取的对策 结合以上对压力容器设计技术发展的阶段进行分析，压力容器技术研究逐步取得新的研究成效，我国是世界工业发展大国，在整体技术应用中逐步进行技术研发与创新，应当多元化压力容器发展市场，我国进行新的技术分析应对策略，结合设计中应用的压力容器种类，对压力容器设计技术发展应采取对策进行全面性分析。 (1)压力容器设计阶段 压力容器的发展已经逐渐从单一的工业加工向社会发展需求的多个领域转变，压力容器技术的发展新策略研究。从容器设计的阶段进行分析，压力容器制造技术实现了容器制造专业化管理，针对压力容器的后期应用作用不同，制造阶段对压力容器的设计也发生巨大的转变，例如：压力容器如果作为普通压力生产使用，则压力容器的设计最低压力和最高压力一般为100bar和500bar,如果压力容器的后期应用作用是具有高压的化学加工，进行压力容器设计时，其压力容器的设计最低压力和最高压力一般为1001bar和5000bar，压力容器技术分析与研究是技术、设计的转化提升了现代压力技术应用与分析整体规划结构取得的效果，从而达到压力容器的设计技术专业化管理。此外，压力容器技术设计阶段的分析中，也融合了现代智能化设计流程技术，采用自动化设计检测系统，可以对设计师的设计图进行分析检验，及时发现压力容器设计中存在的不足，保障压力容器设计阶段的技术应用与分析技术的后期对接。 (2)压力容器制造技术 压力容器制造技术的进步，也是现代压力容器逐步发展的新举措。现代压力容器制造技术分析主要包括两个层面。第一，压力容器制造材质。传统的压力容器制造以铁作为主要的容器材质，铁作为主要材质可以保障压力容器的生产加工成本降低，但铁的耐腐蚀性差。化工生产中，容器容易受到高腐蚀原料的侵
目录 1前言及概念 2 1.1开孔补强的适应范围和方法 (2) 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (2) 1.3开孔补强的目的 (3) 1.4补强结构(补强元件类型) (3) 1.4.1加强管补强 (3) 1.4.2整体锻件补强 (3) 1.4.3加强圈的补强 (3) 1.5壳体开孔的有关规定 (4) 1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (4) 1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max (4) 1.6等面积补强计算方法 (5) 1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) (5) 1.6.2等面积补强的原则 (5) 1.6.3等面积补强计算方法 (5) 2工艺设计7 2.1设计要求 (7) 2.2连续釜式反应器工艺设计 (7) 2.2.1单段连续釜式反应器 (7) 2.2.2反应器直径和高度的计算 (8) 3 机械设计 8 3.1手孔的开孔补强计算 (8) 3.1.1计算是否需要补强 (9) 3.1.2计算开孔失去的面积A. (9) 3.1.3计算有效补强面积A0 (10) 3.2进料口的开孔补强计算 (10) 3.2.1计算是否需要补强 (10) 4补强结构图11 5总结12 6参考文献12
1前言及概念 在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。 1.1开孔补强的适应范围和方法 (1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当其内径D≥1500mm时， 开孔最大直径d≤l／3Di，且d≤1000mm； (2)凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤1／2Di； (3)锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径； (4)在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (1)补强圈补强 补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。 (2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强) 采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。 (3)整体加厚壳体补强 整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显
探析压力容器设计 发表时间：2018-12-17T15:53:20.763Z 来源：《基层建设》2018年第29期作者：孙奎福 [导读] 摘要：压力容器在工业生产中应用广泛，压力容器的设计一般有工艺条件中获得操作温度、操作压力、介质成分及特性、容器的尺寸。 杭州杭氧化医工程有限公司浙江杭州 310014 摘要：压力容器在工业生产中应用广泛，压力容器的设计一般有工艺条件中获得操作温度、操作压力、介质成分及特性、容器的尺寸。本文从其设计方面问题进行探讨。 关键词：压力容器；设计；问题 压力容器的设计过程牵涉很多标准和规范，在设计期间，设计人员会遇到各种各样的问题，对相关政策法规标准的理解不透彻和对容器设计步骤的不确定，都会给压力容器的设计带来困难，以致对后来的生产和使用过程带来一定的安全隐患。在设计压力容器时,都应该参照有关的国家规范和标准的最新版本。设计得正确、合理与否,不仅涉及到制造、检验等环节的难易程度,影响到压力容器产品的制造成本和运转费用,而且直接关系到产品运行的可靠性。 1压力容器概述 近年来压力容器的应用率越来越高，在整个设备从设计到投入运行，要经过设计，制造，检验，安装，运行监督等多个环节，设计是最为关键的一个步骤。设计的正确合理与否，不仅设计到制造，检验的复杂程度，也影响到制造的成本和运转费用，并且直接关系到产品运行的可靠性。压力容器的设计一般有工艺条件中获得操作温度、操作压力、介质成分及特性、容器的尺寸。根据已知条件选定初步尺寸，考虑何时的材料和机构，然后依据规范进行强度计算，确定筒体、风头及各个受压元件的壁厚。容器设计中应注意以下因素：储存介质的特性，包括介质的毒性、腐蚀性、可燃性、密度、饱和蒸汽压力等；装量系数，特质容器内有液体和气体时，在温度变化时存在压力变化；温度，筒体在安装时与工作时存在较大的温差，需要在设计充分考虑温度补偿措施，否则易导致筒体不正常变形，严重影响容器的性能；容器的长泾比，要考虑工艺要求，不能单方面的扩大减小。从事设计的工作人员，必须是一个精通各方面专业知识的人才，比如说，设计人员要详细了解压力容器的内部构造，构成材料的性质，对零部件的受力情况进行分析，甚至对容器制造的过程进行监督和检验。 2压力容器的设计要求 压力容器的设计一般需要满足以下几个方面的要求：（1）保证安全可靠。这是设计的核心，即设计计算，强度计算。设计时不仅必须保证每个承压元件都具有足够的强度，刚度和稳定性，而且还要满足不同工况条件下能安全可靠的运行。（2）保证满足工艺生产。这就涉及到TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求，设计委托方应书面提供压力容器的设计条件，包括操作条件，使用地及自然条件，介质组分与特征，预期使用年限，几何参数和管口方位等设计需要的必要条件。（3）保证合理的经济成本。在当今节能时代，合理节约能源成为各行各业必须遵循的守则。压力容器的设计，要尽量结构简单、制造方便、重量轻、节约贵重材料以降低制造成本和维修费用。（4）制造、检验、交装、操作和维修方便。提出这一要求的目的，一方面是基于安全性的考虑，因为结构简单、易于制造和探伤的设备，其质量就容易得到保证，即使存在某些超标缺陷也能够准确地发现，便于及时予以消除；其次，这样做的目的也是为了满足某些特殊的使用要求，如对于顶盖需要经常装拆的试验容器，要尽量采用快拆的密封结构，避免使用笨重的主螺栓连接；又如对于有清洗、维修内件要求的容器，需设置必要的人孔或手孔；再是，这样做自然会带来经济上的好处，可以降低容器的制造成本。 3压力容器的设计问题 3.1容器设计中的结构设计问题 （1）总体结构的几何不连续而产生的不连续性，由于容器设计需要满足各种功能性，对原本结构有破坏，会产生不连续应力，需要在设计上要通过常规设计规范对其进行补偿。（2）常常是压力引起的应力，多数是局部弯曲应力，严重时回到石局部变形。但是局部应力的作用范围有限，一般通过局部强度检核可以解决此类问题。（3）应力集中，在机构中，会存在应力集中情况，要分析应力集中部位，避免应力超过限值。 压力容器结构设计涉及工艺、选材等等，对于承压容器，结构设计中应力和强度的处理显得尤为重要，在设计中要针对具体设计容器具体结构设计。此外《压力容器安全技术监察规程》将压力容器分为三类，并对其设计、选材、制造检验及使用管理提出不同要求。 3.2总体结构设计中局部应力问题 当各个部件组合成为一个容器整体时，会出现以下状况：（1）容器接管开孔与容器筒体连接破坏了筒体内薄膜应力分布，也会产生不连续应力和应力集中。（2）封头和筒体连接时，筒体的几何连续结构破坏，会出现不连续应力。（3）容器在受到各种局部机械载荷时，容器筒体上产生叠加局部应力，目前没有统一解决方法，但是设计中要予以考虑。 4压力容器的设计分析 4.1设备材料选取 压力容器材料的基本要求：要有较高的强度、刚度，良好的制造性能，并且与压力容器介质有良好的相容性。由于压力容器在制作中设计开孔焊接等等制造工艺，在设计时要对材料的制造性能进行设计上的考量。譬如钢材，铸铁类焊接性能差，脆性高，要对其减少焊接结构设计。 4.2常规设计 常规设计的理论基础是弹性失效准则，认为容器内某一最大应力点达到屈服极限，进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效。在应力分析方法上，是以材料力学及板壳薄膜理论的简化计算为基础，不考虑边缘应力、局部应力以及热应力等，也不考虑交变载荷引起的疲劳问题。所有类型的应力均应采用同一的许用应力值（通常为1倍许用应力）；为了保证安全，通常采用较高的安全系数，以弥补应力分析的不足。 4.3分析设计 分析设计放弃了传统的弹性失效准则，采用了弹塑性或塑性失效准则，合理地放松了对计算应力的过严限制，适当地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性。我国的分析设计的标准为JB4732-95《钢制压力容器一分析设计标准》，是以第三强度理论即最大剪
浅析压力容器设计中容易忽视的问题 发表时间：2016-12-06T10:23:57.213Z 来源：《基层建设》2016年19期作者：史志华 [导读] 摘要：压力容器在工业领域被广泛的应用，在应用过程中渐渐地出现一些影响安全效率的不足之处。而引起这些问题的根本原因就是压力容器的设计质量存在瑕疵。所以在设计的过程中不能轻易忽视可能存在的质量问题。 烟台亚美有色金属有限公司山东烟台 265500 摘要：压力容器在工业领域被广泛的应用，在应用过程中渐渐地出现一些影响安全效率的不足之处。而引起这些问题的根本原因就是压力容器的设计质量存在瑕疵。所以在设计的过程中不能轻易忽视可能存在的质量问题。 关键词：压力容器、设计、要求、问题、措施 压力容器在工业领域被广泛的应用，在应用过程中渐渐地出现一些影响安全效率的不足之处。而引起这些问题的根本原因就是压力容器的设计质量存在瑕疵。在压力容器的设计阶段，如果在关键技术上处理不当，很容易造成有毒有害介质的泄露，甚至引起爆炸，进而危及相关操作人员的生命安全；所以在设计的过程中不能轻易忽视可能存在的质量问题。 一、压力容器的设计要求 1.确保工艺生产的顺利完成 有些压力容器应用于工能够业生产中时是要承担完成相应的工艺过程，例如石油化工生产中，整个工艺过程要在压力容器中进行，这就要求压力容器要满足整个工艺要求达到的压力、温度以及各种工艺完成所需的其他规格标准。 2.确保安全可靠的运行 一些应用于化工生产的物料多数具有强烈的腐蚀性和易燃性，甚至是毒性，很容易在生产过程中引发火灾甚至是恶性的爆炸事故，使得压力容器内部储存的能量瞬间释放，具有极大的摧毁力。因此在进行容器设计时一定要保证容器能够安全可靠地进行运行。 3.满足预定的使用寿命 化工生产材料会对压力容器进行腐蚀，使得压力容器器壁变薄甚至烂穿，造成生产安全隐患。因此，在进行压力容器设计时一定要选择合理的材质，并且经过科学计算确保压力容器在使用寿命周期内的结构性能的完好性。 4.经济性 压力容器在进行设计时，在保证安全使用的前提下，尽量结构简单、方便制造，尽量节约贵重材料的使用降低制造成本和维修的成本。尽量提高压力容器的性价比。 二、压力容器设计中易忽视的问题 1、材料问题 压力容器的设计过程中，对容器承受的压力的能力的有着严格的要求。压力容器所用的钢材必须要经过严谨的计算和分析决定。在此过程中要考虑压力容器的设计压力、设计温度、介质特性、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构外，还需要考虑经济合理性。不能为了增大容器的压力而一味盲目的提高钢板的厚度。（1）当压力设计过大时，使设备的壳体壁厚较大，如果还沿用碳素钢就会导致壁厚增加，质量加大，造成成本浪费。一般在以强度控制为主的情况下，当壳体壁厚超过8mm时，应优先选用低合金钢。当设计压力较小、直径较大、以刚度控制或以结构设计主时，应尽量选用普通碳素钢。（2）在专业的钢制化容器材料选用规定中规定“同时符合下列条件的高温压力容器主要受压元件用钢应按炉罐号，复验设计温度下的屈服强度值，其值不得低于相应许用应力值的1.6倍（奥氏体钢为1.5倍）。包括：设计温度大于300℃；设计压力大于1.6MPa；钢材厚度大于等于20mm：钢材主要截面以承受一次薄膜应力为主，且其厚度取决于强度计算的结果。” 2、法兰问题 法兰的设计问题上，我国制定有严格的规范。压力容器设计中的法兰问题主要是由于设计者对于法兰的使用不能够严格的按照相关的设计标准进行法兰的有效选择，从而导致法兰问题。因此设计者应该熟悉有关法兰的设计标准和规范，准确的进行法兰类型的选择。 3、分气缸设计问题 在进行分气缸设计时，容易忽视分气缸的出气口和进气口之间的有效距离。导致分气缸不能正常的进行工作。在设计的过程中，设计者应该通过对具体的工艺参数的计算来确定出两者之间的距离。 4、储气缸的设计问题 压力容器的储气缸是用来储存气体用的，因此它需要有一定的抗压能力，因此储气缸对于材质的要求很高。对于储气罐的设计首先要做好其材质和尺寸的设计。储气罐的罐体直径和长度之间的比例要控制要求范围之内，合理设计的进行设计，才能使罐体的实际使用性能实现最优化。 三、解决压力容器问题的措施 1．材料的选择。在材料选择方面，除需要考虑材料的耐蚀性及足够的强度和刚度外，还应考虑其经济合理性，通过选材合理，来降低材料厚度，减少生产成本。另外，良好的稳定结构可以很好的避免抗压力不足或泄露带来的事故。 2．法兰的选择。基于法兰的规格具有严格的规范性，因而在设计时需要注意不同结构部位的法兰选择，因为不同规格的法兰，其受力的情况存在较大的差异。在选择标准法兰时，除根据设备的设计压力、温度及介质特性进行选择外，还应考虑法兰的最大允许工作压力，避免因未考虑法兰的最大允许工作压力而导致法兰选择等级过低，影响设备的安全使用。在选用《压力容器法兰》（JB/T 4700-2000）标准中的设备法兰时，应注意以下几个方面：第一，《压力容器法兰》（JB/T 4700-2000）3.2 对法兰的腐蚀裕量有最大腐蚀裕量的要求，即“本标准中乙型法兰的适用腐蚀裕量为不大于2mm，当腐蚀裕量超过2mm但不大于3mm时，应加厚短接厚度2mm。长颈对焊法兰的适用腐蚀裕量不大于3mm。”在设计过程中，当压力容器腐蚀裕量超过上述适用的腐蚀裕量数值时，往往因为没有注意到这一条而直接选用了标准法兰。第二，《压力容器法兰》（JB/T 4700-2000） 6.5.2 规定：与长颈法兰相连接的圆筒厚度应不小于JB/T 4703 中规定的对接筒体最小厚度δ0，且筒节长度不小于（DNδ0）1/2。当对接圆筒厚度小于最小对接圆筒厚度时，应按JB 4703 中表3 要求调整法兰总高度H（其他尺寸不变），并连同法兰厚度在标记中标明。JB/T 4703中给出了最小对接圆筒厚度，当长颈法兰与小于该最小厚度的筒节对接时，通过计算与较
压力容器常用开孔补强方法对比分析 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，
而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。 对比分析 3.1.等面积法 等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即A[σ]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，
文件编号：GD/FS-2254 （解决方案范本系列） 压力容器常用开孔补强方法对比分析详细版 A Specific Measure To Solve A Certain Problem, The Process Includes Determining The Problem Object And Influence Scope, Analyzing The Problem, Cost Planning, And Finally Implementing. 编辑：_________________ 单位：_________________ 日期：_________________
压力容器常用开孔补强方法对比分 析详细版 提示语：本解决方案文件适合使用于对某一问题，或行业提出的一个解决问题的具体措施，过程包含确定问题对象和影响范围，分析问题，提出解决问题的办法和建议，成本规划和可行性分析，最后执行。，文档所展示内容即为所得，可在下载完成后直接进行编辑。 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。
因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法
浅谈压力容器的疲劳分析及设计 随着石油化工和其他工业的迅速发展，元件结构和载荷的日趋复杂，疲劳破坏成为压力容器失效的主要原因之一。尽管人们对疲劳问题已引起足够重视，但疲劳破坏事故仍然不断发生。所以，对压力容器疲劳问题进行研究具有重要的意义。本文主要是对压力容器出现疲劳的原因及其设计进行分析论述。 标签：压力容器；疲劳；设计 压力容器的破坏形式有很多种，如脆性、韧性破坏，介质腐蚀破坏等。疲劳损傷有别于其他损伤模式，日常检查不容易发现，并且引发的事故突然，因此具有极大的潜在危害性，设备管理者应对其高度重视。 对疲劳可以从不同的角度进行分类。在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。从微观上看，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环加力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳，压力容器的疲劳就属于高应力底周期的疲劳。下文将对压力容器疲劳的相关内容进行详细的论述。 1 压力容器疲劳缺陷产生的原因 压力容器发生疲劳破坏的时候，一般没有明显的塑性变形的标志出现，这是由于局部的高应力集中区应力的峰值超过了材料的屈服极限值，发生了晶粒滑移，随着载荷的不断往复作用，晶粒逐渐从高应力集中区分散开，从而产生了裂纹，这种裂纹不断扩大到整个集中区域最终产生疲劳断裂。 压力容器中产生疲劳断裂的区域有以下几个区域： 第一，开孔接管区域，这边由于开孔之后，材料缺失，这部分及其容易形成应力集中区，从而导致产生疲劳缺陷。 第二，支座连接区及封头连接区域，这部分是由于焊接之后，产生的各种问题，导致应力集中，同时在焊接的时候高温促进了晶粒的滑移速度的加快，这样更容易产生应力的集中，从而容易导致疲劳缺陷。 第三，压力容器的总体区域，在这些区域中一些原始的缺陷：如焊接的残余应力，容器板材加工过程中的应力，都可能导致应力的集中，从而产生疲劳缺陷。 为了解决这些问题，需要在设计时，从各个方面来对这些问题进行处理。 2 压力容器的疲劳设计分析
压力容器圆筒开孔补强计算方法研究应力集中危害问题要通过正确的方式强化管理，实现补强计算分析，进而充分的保障压力容器的安全性，提升整体的经济性。通过开孔补强计算方式，可以有效的解决此种问题。 1.压力容器圆筒大开孔补强计算方法应用价值 多数工程具有复杂化、大型化以及工艺特殊的特征，在施工中一些压力容器要通过较大的开孔接管进行处理，此种方式会转变原有容器的应力状态，消弱压力容器的强度。针对与柱壳容器，开孔之后会导致其受到接管弹性约束的影响，导致容器主管的开孔附近受到薄膜应力状态轴向力以及环向力的影响，出现弯矩以及扭矩等问题。为了提升整体稳定性，在实践中针对一些大开孔设计y要通过科学合理的方式分析受力状况，进而保障施工安全性，提升整体质量。 2.压力容器圆筒大开孔补强计算方法 2.1压力面积法 通过欧盟标准压力面积法，综合我国实际状况，在被开孔削弱面积补在孔的周围，给出其需药补强的具体面积，不计孔周边的应力集中问题。开孔补强设计主要的要求就是基于结构进行静力强度分析，基于一次应力强度出发，分析开孔边缘二次应力安定性。综合其安全系数以及实践经验系统分析。此种方式对于开孔边缘的应力强度进行
分析是否满足一次总体以及局部中对于薄膜应力静力强度要求。通过对补强范围材料平均薄膜应力控制的方式达到进行应力强度的控制与管理，要保障其在一倍的许用应力。综合压力在壳体受压面积产生的荷载以及有效补强范围中的课题、接管。补强材料面积承载能力平衡的相关静力平衡条件则可以确定其进行接管补强计算的方式。在壳体以及接管、补强材料相同的时候要根据以下公式进行补强计算公式为：P表示的是设计压力。 2.2分析法 分析法就是根据弹性薄壳理论获得的应力分析方式。主要就是在内压作用之下其具有径向接管圆筒开孔的补强设计分析。分析法设计准则与压力面积法之间具有一定的差别。此种方式的模型假定接管以及壳体属于连续性的整体型结构，其计算模型如下图所示。在应用分析法的时候，要保障焊接接头的质量，保障其整体焊透性。分析法在设计中主要就是基于塑性极限以及安定分析确定，通过保障其一次加载的时候具有充足的塑性承载能力，具有反复加载的安定要求，进而确定其开孔安全性。此种方式有效的拓展了圆柱壳开孔补强设计的适用范围。圆柱壳开孔接管理论中的力学技术主要就是综合Morley方程，通过导出并且利用两正交相贯圆柱壳位于交贯线位置中精确的连续条件，则可以确定在内压以及外载作用之下圆柱壳开孔接管中的薄
压力容器行业的发展前景浅谈三点压力容器行业的发展前景 压力容器是一门与多项技术相互关联制约的边缘学科又是一种需接受政府部门安全监察的特种设备。因此，压力容器行业中，产业的发展离不开机械、冶金、石油化工、电脑信息、经济管理和安全防护等诸多工程技术的改革创新，或者说它是在多项新材料、新技术、新工艺综合开发的基础上发展的工业产品。现试就压力容器设计、压力容器制造、材料及企业管理等有关方面，从以下三方面浅谈一下国内外压力容器行业的发展前景: 一.先进制造技术理念的推广普及 压力容器制造单位必须持有国家质量技术监督部门颁发的“压力容器制造许可证”，并应建立健全的质量保证体系。但我国已取证的压力容器制造企业的人均GDP值和产品附加值都还很低，技术装备、技术素质和管理水平也都很落后。为了面对21世纪的挑战和机遇，达到优化产品质量、降低生产成本、提高劳动生产率、提升国际竞争力，有必要在压力容器产业推广“先进制造技术”理念。所谓先进制造技术(AMT)是美国在上世纪80年代提出的新概念，它是一项集具体制造技术与经营管理技术两个层面于一体的系统工程。AMT的特点为:以市场为导向，以系统观念、工业工程为指导，以全面数字化技术为依托，合理使用先进技术，精心组织经营管理。作为压力容器的生产模式，主要包含三个技术群，即主体技术群如备料、滚卷、锻压、成形、组装、焊接、热处理、检验测试和压力试验、爆破试验、疲劳试验等;支撑技术群如自动控制技术、信息处理技术、生产物流技术和标准化规范化技术等;及管理技术群如质量控制、人员培训、市场电子商务技术和售后服务等。其中尤以焊接(含现场组焊)和热处理两个环节是保证产品质量的关键。当前国内外都着眼于电脑自动化，特别是自动控制式焊接设备和热处理设备的改进创新更是发展神速，一些便携式自动焊接和热处理设备也已在大型球罐和塔设备等现场