压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法

压⼒容器设计基础讲义压⼒容器设计基础讲义第⼀部分、压⼒容器设计基础知识第⼀章压⼒容器失效模式压⼒容器在载荷作⽤下丧失了正常的⼯作能⼒称为失效。

压⼒容器所考虑的失效模式主要为断裂、泄漏、过度变形和失稳。

压⼒容器失效常以三种形式表现出来：强度、刚度、稳定性。

压⼒容器建造标准中主要考虑的失效模式：1）短期失效模式：（1）脆性断裂（2）韧性断裂（3）超量变形引起的接头泄漏（4）超量局部应变引起的裂纹形成或韧性剪切（5）弹性、塑性或弹塑性失稳2）长期失效模式：（1）蠕变断裂（2）蠕变超量变形（3）蠕变失稳（4）冲蚀、腐蚀（5）环境助长开裂，如：应⼒腐蚀开裂3）循环失效（1）扩展性塑性变形（2）交替塑性（3）弹性应变疲劳或弹-塑性应变疲劳（4）环境助长疲劳，如：腐蚀疲劳第⼆章 GB150适⽤范围（1）适⽤的设计压⼒①对于钢制容器不⼤于35MPa；②其它⾦属材料制容器的设计压⼒适⽤范围按相应引⽤标准确定。

（2）适⽤的设计温度范围①设计温度范围：－269℃～900℃。

②钢制容器不得超过按GB 150.2 中列⼊材料的允许使⽤温度范围。

③其他⾦属材料制容器按本部分相应引⽤标准中列⼊的材料允许使⽤温度确定。

（3）下列各类容器不在标准的适⽤范围内：①设计压⼒低于0.1MPa且真空度低于0.02MPa的容器；②《移动式压⼒容器安全监察规程》管辖的容器；③旋转或往复运动机械设备中⾃成整体或作为部件的受压器室（如泵壳、压缩机外壳、涡轮机外壳、液压缸等）；④核能装置中存在中⼦辐射损伤失效风险的容器；⑤直接⽕焰加热的容器；⑥内直径（对⾮圆形截⾯，指截⾯内边界的最⼤⼏何尺⼨，如：矩形为对⾓线，椭圆为长轴）⼩于150mm的容器；⑦搪玻璃容器和制冷空调⾏业中另有国家标准或⾏业标准的容器。

（4）对不能按 GB 150.3确定结构尺⼨的容器或受压元件，允许采⽤以下⽅法进⾏设计:①按照附录C的规定，进⾏验证性实验分析（如实验应⼒分析、验证性液压试验）。

球形封头开孔补强四种设计方法对比孙　禹∗　华陆工程科技有限责任公司　西安　710065摘要　本文简要介绍了如何使用解析法、应力分类法、极限载荷法和弹塑性分析法确定压力容器结构的最大允许载荷，并以球壳模型和球壳+接管模型为算例，分别使用上述四种方法确定结构的最大允许载荷，通过对数值计算结果的对比分析得出以下结论：常规设计方法的安全裕量随着厚径比的增大而逐渐减小，在使用常规设计法确定结构尺寸时，对于壁厚较大的设备应适当提高设计裕量；使用应力分类法确定厚壁容器的结构尺寸时可能偏于危险，此时应采用更为合理的极限载荷分析法或者弹塑性应力分析法。

关键词　解析法　应力分类法　极限载荷分析法　弹塑性应力分析法　最大允许载荷。

∗ 孙　禹：工程师。

2015年毕业于北京化工大学 动力工程及工程热物理专业获硕士学位。

现主要从事压力容器设计工作。

联系电话：029-********，E-mail ：************************。

压力容器的设计根据计算方法不同可以分为常规设计法和分析设计法。

因为一般压力容器厚度方向尺寸远远小于另外两向尺寸，所以常规设计将压力容器简化为薄壳结构，以回转薄壳无力矩理论为基础，求得结构尺寸的解析解。

经过多年的发展，常规设计理论已经日趋完善，目前工程领域中绝大多数压力容器均可以通过常规设计完成设计工作。

近年来，随着计算机处理能力的不断提升，以有限单元法为理论基础的分析设计取得了很大的发展，在压力容器设计领域逐渐占有一席之地，尤其在常规设计无法解决的领域发挥了极大的作用，帮助设计人员完成设计工作，使得在复杂温度场、交变载荷等苛刻工况作用下的设备得以安全运行[1]。

壳体与接管相贯的结构在压力容器中最为常见，壳体开孔处的强度问题也直接影响设备的安全。

常规设计对壳体的开孔补强主要采用等面积补强法；分析设计根据材料模型和结构响应不同可分为弹性分析和塑性分析，目前，国际上广泛应用的主要有应力分类法、极限载荷分析法、弹塑性应力分析法。

压力容器接管区应力集中弹塑性有限元分析压力容器在石油化工企业生产过程中是一种非常常见的设备，压力容器设备具有储存液体、气体的作用。

压力容器主要包括：储运容器、反应容器、热换器以及分离器。

压力容器接管区的主要目的是为了符合工艺需求，但是也造成接管区出现复杂的应力状态，通过对压力容器接管区应力进行对比和分析，在掌握压力容器的筒体、接管以及连接部位应力状况的基础上，对比压力容器接管区应力集中弹性塑形变化，并提出相关的解决措施，能够有效提高压力容器接管区的强度。

不断对压力容器进行改进，使压力容器的设计，制造，检验以及使用等环节都能得到充分保障，实现了压力容器的迅速发展。

标签：压力容器;应力集中;有限元分析压力容器是一种广泛应用于石油化工企业的常用设备，压力容器由于结构和工艺要求存在差异性，一般情况下需要进行开孔装接管。

但是压力容器在运行过程中具有突变的几何形，在接管区域往往会形成不连续的应力变化，导致接管区出现应力集中的情况，引起压力容器局部发生高应力现象，因此，需要利用有限元分析开孔接管区的应力集中变化，确保压力容器能够安全运行。

一般情况下，压力容器接管器具有复杂的应力状况，导致该现象的原因主要包括：第一，对压力容器进行开孔会对容器壳体造成破坏，缩小容器承载面积，导致压力容器边缘接管区域出现应力集中。

第二，压力容器接管区会出现断层性结构，接管区域和壳体在受到内压影响下会发生变形，在协调变形中会出现边缘应力，因此，需要利用有限元分析法进行压力容器应力集中计算。

1模型的有限元分析1.1几何模型机载荷在进行模拟过程中使用有限元模型主要是根据压力容器的结构特性和荷载特征。

但是在实际应用过程中，压力容器的结构特征和载荷特征为轴对称，因此在实验过程中，可以在对称面施加一定的对称约束力，并且在接管端不施加轴向移位约束，并对压力容器的筒体以及接管区域施加压力载荷，可以忽略重力及外压对计算结果的影响。

1.2网格划分基于仅是对于在内压作用下接管应力的研究，因此针对这些情况，可以实行结构对称性应用，利用有限元模型对接关系进行建模，接管除外伸长度与筒体长度都要比起边缘应力缩减长度要大。

《过程设备设计基础》教案2—压力容器应力分析课程名称：过程设备设计基础专业：过程装备与控制工程任课教师：第2章 压力容器应力分析§2-1 回转薄壳应力分析一、回转薄壳的概念薄壳：（t/R ）≤0.1 R----中间面曲率半径 薄壁圆筒：（D 0/D i ）max ≤1.1~1.2 二、薄壁圆筒的应力图2-1、图2-2 材料力学的“截面法”三、回转薄壳的无力矩理论1、回转薄壳的几何要素（1）回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度 * 对于薄壳，可用中间面表示壳体的几何特性。

tpD td pR tpD Dt D p i 22sin 24422====⨯⎰θπθϕϕσσαασπσπ（2）母线、经线、法线、纬线、平行圆（3）第一曲率半径R1、第二曲率半径R2、平行圆半径r（4）周向坐标和经向坐标2、无力矩理论和有力矩理论（1）轴对称问题轴对称几何形状----回转壳体载荷----气压或液压应力和变形----对称于回转轴（2）无力矩理论和有力矩理论a、外力（载荷）----主要指沿壳体表面连续分布的、垂直于壳体表面的压力，如气压、液压等。

P Z= P Z（φ）b、内力薄膜内力----Nφ、Nθ（沿壳体厚度均匀分布）弯曲内力---- Qφ、Mφ、Mθ（沿壳体厚度非均匀分布）c、无力矩理论和有力矩理论有力矩理论（弯曲理论）----考虑上述全部内力无力矩理论（薄膜理论）----略去弯曲内力，只考虑薄膜内力●在壳体很薄，形状和载荷连续的情况下，弯曲应力和薄膜应力相比很小，可以忽略，即可采用无力矩理论。

●无力矩理论是一种近似理论，采用无力矩理论可是壳地应力分析大为简化，薄壁容器的应力分析和计算均以无力矩理论为基础。

在无力矩状态下，应力沿厚度均匀分布，壳体材料强度可以得到合理的利用，是最理想的应力状态。

（3）无力矩理论的基本方程a、无力矩理论的基本假设小位移假设----壳体受载后，壳体中各点的位移远小于壁厚。

考虑变形后的平衡状态时壳用变形前的尺寸代替变形后的尺寸直法线假设----变形前垂直于中面的直线变形后仍为直线，且垂直于变形后的中面。

1. 《固容规》对容积是怎样定义的？对于管壳式换热器壳程和管程、夹套容器中夹套内的容积如何计算？答：容积是指压力容器的几何容积，即由设计图样标注的尺寸计算（不考虑制造公差）并圆整，且不扣除内件体积的容积。

对于管壳式换热器，壳程容积为不扣除壳程内换热管等内件体积的壳程几何容积，管程容积为管箱几何容积与换热管内容积之和。

对于夹套容器，夹套内的容积为扣除内容器所占体积的夹套几何容积。

2. 压力容器设计单位的职责是什么？答：1．设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责；2．容器的设计檔至少应包括设计计算书和设计图样；3．容器设计总图应盖有压力容器设计单位批准书标志。

3. 压力容器的介质毒性程度和易燃介质如何划分？答：（一）压力容器中化学介质毒性程度和易燃介质的划分参照HG20660《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》的规定。

无规定时，按下述原则确定毒性程度：1．极度危害（Ⅰ级）最高容许浓度＜0.1mg/m3；2．高度危害（Ⅱ级）最高容许浓度0.1～＜1.0mg/m3；3．中度危害（Ⅲ级）最高容许浓度1.0～＜10mg/m3；4．轻度危害（Ⅳ级）最高容许浓度≥10mg/m3。

（二）压力容器中介质为混合物质时，应以介质的组分并按上述毒性程度或易燃介质的划分原则，由设计单位的工艺设计或使用单位的生产技术部门提供介质毒性程度或是否属于易燃介质的依据，无法提供依据时，按毒性危害程度或爆炸危险程度最高的介质确定。

4. 多腔压力容器的类别如何划分？答：多腔压力容器按类别高的压力腔的类别作为该多腔容器的类别，但应按每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。

5. 如何选择压力容器用钢？答：选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件、焊接性能、制造工艺以及经济合理性。

6. 碳素钢镇静钢Q235钢号A级、B级、C级三个等级的区别是什么？答：Q235A级不做冲击；Q235B级做20℃ V型冲击试验；Q235C级做0℃ V型冲击试验。

使用SW6―2011计算压力容器开孔补强的几个问题-2019年文档使用SW6―2011计算压力容器开孔补强的几个问题0 引言为满足工艺或结构需要，在压力容器设计中开孔是必不可少的。

容器开孔接管后会引起开孔或接管部位的应力集中，再加上接管上会有各种外载荷所产生的应力及热应力，以及容器材料和制造缺陷等各种因素的综合作用，使得开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位。

虽然标准和规范对设计和计算都作了较为详细的规定，但在使用SW6-2011过程设备强度计算软件计算开孔补强时需要注意对标准规范中有关定义的理解和把握，灵活运用软件，必要时对有关数据进行调整，才能得到正确的结论，保证设备的安全可靠性。

1 补强方法及适用范围1.1 计算时应注意的问题在使用SW6-2011计算开孔补强之前要先判断接管的直径和壁厚是否满足GB150.3-2011中6.1.3不另行补强的最大开孔直径[1]的要求，满足要求的可以不进行计算，没有进行判断直接输入数据的，生成计算书会显示满足不另行补强的最大开孔直径的要求，不予进行计算。

还需要注意的是单个孔开孔补强计算合格，然而该孔的有效补强区B=2d范围内还有其他开孔，形成孔桥的，则应按孔桥处理。

在计算两相邻开孔中心的间距或者任意两孔中心的间距时对曲面间距应按弧长计算，按照弦长或中心线垂直距离计算是不正确的。

1.2 补强计算方法及适用范围的理解SW6-2011补强计算方法给出四种：等面积补强法、另一补强方法、分析方法和压力面积法。

计算软件中的等面积补强法是指单个开孔的等面积法，联合补强法是指多个开孔的等面积法。

等面积法是开孔补强计算方法中最广泛应用的计算方法，该法是以补偿开孔局部截面的一次拉伸强度作为补强准则的，是以无限大平板上开有小圆孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，对开孔边缘的二次应力的安定性问题是通过限制开孔形状，长短径之比和开孔范围（开孔率）间接考虑的[2]，使用该法应考虑开孔是否满足GB150.3-2011中6.1.1的规定。

压力容器应力分析设计方法的进展和评述发布时间：2021-09-06T15:00:53.153Z 来源：《科学与技术》2021年12期4月作者：樊军康[导读] 压力容器是用来承装液体或者气体的一种容器，整体呈现密闭性，压力容器樊军康博思特能源装备（天津）股份有限公司；天津市摘要：压力容器是用来承装液体或者气体的一种容器，整体呈现密闭性，压力容器的设计方式有两种，分别是规则设计（又称常规设计）以及应力分析设计，本文对压力容器应力分析谈一点看法，并对其设计进行一定的阐述。

关键词：压力容器；应力分析；方法评述引言：随着社会经济的不断发展，我国的综合国力水平也在不断的提升，国家面对更大的竞争挑战。

压力容器最常应用在石油或者化工企业中，对国家的生产生活带来很大的帮助，所以合理的设计压力容器就十分重要了。

压力容器设计得不合理就有可能会对安全造成很大的影响，压力容器内装的易燃易爆有毒物质会危害人的生命健康与安全，造成企业的经济损失。

一、应力分析设计方法压力容器是在工业的制造生产中常用的一种工具，在工业的发展中起到了重要的作用，因为压力容器的存放物有时是易燃易爆或者有毒的物质，所以具有一定的危险性，对工作人员的人身安全有一定的影响，对环境也会产生一定的影响，压力容器的损坏会产生很严重的后果。

所谓的压力容器应力是指材料内部的一种的力量，在周围生产环境的影响下，工作条件的变化会使材料内部产生相互的作用力，这种力的产生能够抵抗外部的因素，使容器恢复变形之前的状态。

应力分析设计方法就是对应力所产生变化进行分析，以应力为基础进行的设计，应力分析设计方法包括了几个方面。

首先，可以采用一定的方法对压力容器进行弹性的应力分析，一般会采用三种方法，有理论分析方法、数值计算方法以及试验测定方法这三种，对弹力的计算结果相对的正确。

其次，为了防止循环失败可以采用极限载荷控制应力，或者采用安定载荷控制一次加二次应力，还有第三种方法就是使用疲劳寿命来对最大的总应力进行控制，这些方法还能够防止整体的塑性垮塌失效。

机械设计与机械制造专业55道压力容器、压力管道设计考试题（问答题、分析题）1、什么叫设计压力？什么叫计算压力？如何确定？答：设计压力指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为载荷条件，其值不低于工作压力。

确定设计压力时，应考虑：容器上装有超压泄放装置时，应按附录B(标准的附录)的规定确定设计压力。

对于盛装液化气体的容器，在规定的充装系数范围内，设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

确定外压容器的设计压力时，应考虑到在正常工作情况下可能出现的最大内外压力差。

确定真空容器的壳体厚度时，设计压力按承受外压考虑。

当装有安全控制装置(如真空泄放阀)时，设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者的低值；当无安全控制装置时，取0.1MPa。

由两室或两个以上压力室组成的容器，如夹套容器，确定设计压力时，应考虑各室之间的最大压力差。

计算压力指在相应的设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。

当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。

2、固定式液化气体容器设计时，如何确定设计压力？答：盛装临界温度大于等于50℃的液化气体的压力容器，如设计有可靠保冷设施，其设计压力应为所盛装液化气体在可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力；如无保冷设施，其设计压力不得低于该液化气体在50℃时的饱和蒸汽压力。

盛装临界温度小于50℃的液化气体压力容器，如设计有可靠的保冷设施，并且能确保低温储存的，其设计压力不得低于试验实测的最高温度下的饱和蒸汽压力；没有实测数据或没有保冷设施的压力容器，其设计压力不得低于所装液化气体在规定的最大充装量时，温度为50℃时的气体压力。

3、压力容器的常规设计法与分析设计法有何主要区别？答：目前压力容器的主要设计方法有常规设计法与分析设计法两种。

常规设计法：是以弹性失效为准则，以薄膜应力为基础，来计算元件的厚度。

限定最大应力不超过一定的许用值(通常为1倍许用应力)。

压力容器设计综合知识要点压力容器是广泛应用于化工、石油、航空、航天等领域的一种特殊设备，其设计和制造要求十分严格。

设计压力容器需要掌握大量综合知识，本文将从压力容器基本概念、设计规范、材料选择、受力分析以及安全性评价等方面，进行深入剖析。

一、压力容器基本概念压力容器是一种密闭容器，能够在设计压力下承受内外静、动力作用，并能保证容器内介质不泄漏的设备。

其主要部件有壳体、封头、支承和附件等。

在使用中，压力容器必须经过设计定型、制造、安装验收、使用和维护检查等多个环节，确保其安全可靠。

二、设计规范压力容器的设计必须符合规范，主要包括国家标准、行业标准、地方标准和企业标准等。

其中最为常见的有《蒸汽锅炉安全技术监察规程》、《压力容器安全技术监察规程》、《压力容器设计规范》等。

设计时必须按照国家和行业标准的要求进行设计、计算和制造。

同时，必须进行设计审查、制造过程控制、技术文件管理等程序，确保设计、制造、使用过程中的安全可靠。

三、材料选择压力容器的材料选择必须符合规范要求和技术条件。

常用的材料有碳钢、合金钢、不锈钢、铜合金等。

材料的选择主要考虑材料的化学成分、机械性能、耐腐蚀性、温度下限和上限等多种因素。

在选择材料时要尽可能选择好的材料，确保容器在使用中的安全可靠。

四、受力分析受力分析是压力容器设计的核心内容，其主要包括静力分析和动力分析。

静力分析主要考虑容器在静止状态下的受力情况，包括内外压力、重力、温度应力等；动力分析主要考虑容器在运行状态下受到的动态载荷以及荷载的频率和幅值等。

同时，在分析中还需考虑材料的弹性和塑性变形，以及应力应变的限制等因素。

五、安全性评价压力容器的使用安全性评价是指在容器运行过程中，通过数据收集、安全分析等多种手段获取相关信息，判断容器的实际运行状态和安全状况。

主要包括容器的安全工况评价、安全控制评价、检测与监控评价等。

安全性评价可通过计算模拟、试验监测等方法进行，旨在最大程度地保证容器的安全性和稳定性。

3 压力容器设计主要内容1 基于失效模式的设计理念2 压力容器设计准则3 容器设计的基本概念4 常见结构的设计计算方法5 分析设计一应力分类法1 基于失效模式的设计理念1.1 容器的失效1.2 失效模式分类1.3 我国标准考虑的失效模式1.4 失效模式1.5 失效判据1 基于失效模式的设计理念压力容器的设计步骤针对失效模式的设计理念成为压力容器设计标准的发展方向。

压力容器的一般设计步骤为：·确定容器最有可能发生的失效模式；·选择适当的失效判据和设计准则；·确定适用的设计规范标准；·按规范标准要求进行设计和校核。

1.1 容器的失效1）定义：压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到包括功能和设计寿命等的现象，称为压力容器失效。

2）表现形式：破裂、过度变形、泄漏3）引起原因：工艺条件、载荷、介质1.2 失效模式分类1）IS016528归为三大类、14种失效模式。

第一大类：短期失效模式：第二大类：长期失效模式：第三大类：循环失效模式：2）《承压设备损伤模式识别》（GB/T30579－2014）第1类：腐蚀减薄（25种）第2类：环境开裂（13种）第3类：材质劣化（15种）第4类：机械损伤（11种）第5类：其他损伤（9种）1.3 我国标准所考虑的失效模式1）GB 150 基于失效模式设计的考虑脆性断裂（Brittle fracture）韧性断裂（Ductile rupture）蠕变断裂（Creep rupture）接头泄露（Leakage at joints）弹性或塑性失稳（Elastic or plastic instability）2）JB/T4732基于失效模式设计的考虑脆性断裂（Brittle fracture）韧性断裂（Ductile rupture）螺变断裂（Creep rupture）疲劳（Patigue rupture）接头泄漏（Leakage at joints）弹性或塑性失稳（Elastic or plastic instability）1.4 失效模式1）过度变形容器的总体或局部发生过度变形，包括过量的弹性变形，过量的塑性变形，塑性失稳（增量垮坍），例如总体上大范围鼓胀，或局部鼓胀，应认为容器已失效，不能保障使用安全。

防止塑性垮塌的新准则陆明万;段成红;孙禹【摘要】介绍了作者最新提出的防止塑性垮塌的新准则,并与ASME Ⅷ-2规范和EN 13445标准中的相应准则进行比较.新准则吸收了ASME和EN标准的优点,并能较好地处理屈强比较低或几何强化较明显的情况.%A new protection criterion against plastic collapse presented by authors is introduced in this parison of this criterion with corresponding one of the ASMEⅧ-2 code and the EN 13445 standard is given.The new criterion is not only able to absorb the advantages of the ASME code and EN standard but also able to deal well with the conditions of low yield-strength ratio materials and remarkably geometrical strengthening effects.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】5页(P41-44,40)【关键词】防止塑性垮塌;极限载荷分析;弹塑性应力分析;分析设计【作者】陆明万;段成红;孙禹【作者单位】清华大学航天航空学院,北京 100084;北京化工大学机电工程学院,北京 100029;华陆工程科技有限责任公司,陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TH49;T-652.6欧盟标准EN-13445—2002[1]和美国ASME Ⅷ-2—2007规范[2]的颁布开创了压力容器弹塑性分析设计的新阶段。

塑性垮塌是压力容器部件在一次加载情况下的失效模式，欧盟EN标准和美国ASME规范分别给出了不同的防止塑性垮塌的准则。