压力容器的强度计算]

基于ANSYS分析的压力容器强度计算方法陈海新【期刊名称】《特种设备安全技术》【年(卷),期】2024()3【摘要】目的:基于ANSYS分析的压力容器强度计算方法。

方法:高压立式容器的支撑结构用于支撑整个容器的压力。

使用ANSYS软件建立高压立式容器模型,通过模拟结构反映出实际受载情况,采用ReForce载荷类型来进行加载,设置位移边界约束和力边界条件,对边界条件进行验证,确定设置的边界条件不会导致模型产生过度的约束或加载。

在容器中接入接管的方式有嵌入式、插入式和安放式,需要对三种接管的受力计算进行分析,判断其力学性能。

结果:在总受力方面,安放式接管的受力最大为9600N,嵌入式接管最小为9000N;安放式接管的支撑结构的反作用力为1700N,为三种方式的最大受力。

嵌入式接管的支撑结构的反作用力为1500N,为三种方式的最小受力。

结论:如果需要承受较大的内压和外压,且需要较大的支撑力,应优先选择安放式接管;如果对内压和外压要求不高,且支撑结构反作用力较小,可以选择嵌入式接管以减小整体结构尺寸和质量。

【总页数】3页(P8-9)【作者】陈海新【作者单位】中国昆仑工程有限公司辽锦分公司【正文语种】中文【中图分类】TP3【相关文献】1.基于ANSYS的压力容器筒体封头连接强度分析2.板壳理论在压力容器强度设计中的经典应用之二r——八种压力容器壳体的强度计算方法分析(上)3.板壳理论在压力容器强度设计中的经典应用之二--八种压力容器壳体的强度计算方法分析(下)4.基于有限元分析法的复合材料球头销成型过程仿真优化——评《压力容器全模型ANSYS分析与强度计算新规范》5.基于ANSYS对压力容器筒体连续大开孔强度分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

项目一压力容器任务四压力容器的强度计算及校核容器按厚度可以分为薄壁容器和厚壁容器，通常根据容器外径Do与内径Di 的比值K来判断，K＞1.2为厚壁容器，K≤1.2为薄壁容器。

工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。

为判断薄壁容器能否安全工作，需对压力容器各部分进行应力计算与强度校核。

一、圆筒体和球形壳体1.壁厚计算公式圆筒体计算壁厚：圆筒体设计壁厚：球形容器计算壁厚：球形容器设计壁厚：式中δ——圆筒计算厚度，mmδd——圆筒设计厚度，mmpc——计算压力，MPa。

pc=p+p液，当液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略Di——圆筒的内直径，mm[σ]T——设计温度T下，圆筒体材料的许用应力，MPa（可查表）φ——焊接接头系数，φ≤1.0C2——腐蚀裕量，mm2.壁厚校核计算式在工程实际中有不少的情况需要进行校核性计算，如旧容器的重新启用、正在使用的容器改变操作条件等。

这时容器的材料及壁厚都是已知的，可由下式求设计温度下圆筒的最大允许工作压力[pw]。

式中δe——圆筒的有效厚度，mm设计温度下圆筒的计算应力σT：σT值应小于或等于[σ]Tφ。

设计温度下球壳的最大允许工作压力[pw]：设计温度下球壳计算应力σT：σT值应小于或等于[σ]Tφ。

二、封头的强度计算1.封头结构封头是压力容器的重要组成部分，常用的有半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头和平封头（即平盖），如图1-4所示。

工程上应用较多的是椭圆形封头、半球形封头和碟形封头，最常用的是标准椭圆形封头。

以下只介绍椭圆形封头的计算，其他形式封头的计算可查阅GB150—2011。

图1-4 封头的结构型式2.椭圆形封头计算椭圆形封头由半个椭球面和高为h的直边部分所组成，如图1-5所示。

直边h的大小根据封头直径和厚度不同有25mm、40mm、50mm三种，直边h的取值可查表1-7。

表1-7 椭圆形封头材料、厚度和直边高度的对应关系单位：mm图1-5 椭圆形封头椭圆形封头的长、短轴之比不同，封头的形状也不同，当其长短轴之比等于2时，称为标准椭圆形封头。

内筒体下段内压计算 计算单位 工程公司计算所依据的标准GB/T 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力 p c 0.52 MPa设计温度 t -196.00 ︒ C 内径 D i 3000.00 mm材料S30408(Rp1.0)# ( 板材 ) 试验温度许用应力 [σ]166.60 MPa 设计温度许用应力 [σ]t166.60 MPa 试验温度下屈服点 R eL 250.00 MPa 负偏差 C 1 0.30 mm 腐蚀裕量 C 2 0.00 mm 焊接接头系数 φ1.00厚度及重量计算计算厚度 δ = ct ic ][2P D p -φσ = 4.69mm 有效厚度 δe =δn - C 1- C 2= 7.70 mm 名义厚度 δn = 8.00 mm 重量899.22Kg压力试验时应力校核压力试验类型 气压试验试验压力值 p T = 1.10p [][]σσt = 0.3900MPa 压力试验允许通过 的应力水平 [σ]T [σ]T ≤ 0.80 R eL = 200.00MPa试验压力下 圆筒的应力 σT = p D T i e e .().+δδφ2 = 76.17 MPa校核条件 σT ≤ [σ]T 校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力 [p w ]= 2δσφδe t i e []()D += 0.85302MPa 设计温度下计算应力 σt= ee i c 2)(δδ+D p = 101.56 MPa [σ]tφ 166.60 MPa校核条件 [σ]tφ ≥σt结论 合格内容器上封头内压计算计算单位 工程公司 计算所依据的标准GB/T 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 p c 0.35 MPa设计温度 t -196.00 ︒ C 内径 D i 3000.00 mm 曲面深度 h i 750.00 mm 材料S30408 (板材) 设计温度许用应力 [σ]t166.60 MPa 试验温度许用应力 [σ] 166.60 MPa 负偏差 C 1 0.30mm 腐蚀裕量 C 2 0.50（封头加工减薄量） mm焊接接头系数 φ 1.00压力试验时应力校核压力试验类型 气压试验 试验压力值p T = 1.10pt][][σσ= 0.3900MPa 压力试验允许通过的应力[σ]t [σ]T ≤ 0.80 R eL = 200.00MPa 试验压力下封头的应力σT = φδδ.2)5.0.(eh eh i T KD p += 112.60MPa校核条件 σT ≤ [σ]T 校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+2i i 2261h D = 1.0000计算厚度 δh = ct ic 5.0][2p D Kp -φσ = 3.15mm 有效厚度 δeh =δnh - C 1- C 2= 5.20 mm 最小厚度 δmin = 4.50 mm 名义厚度 δnh = 6.00 mm 结论 满足最小厚度要求 重量468.64Kg压 力 计 算最大允许工作压力 [p w ]= eh i eht 5.0][2δφδσ+KD = 0.57705MPa结论 合格内筒下封头压力计算计算单位 工程公司 计算所依据的标准GB/T 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 p c 0.55 MPa设计温度 t -196.00 ︒ C 内径 D i 3000.00 mm 曲面深度 h i 750.00 mm 材料S30408 (板材) 设计温度许用应力 [σ]t166.60 MPa 试验温度许用应力 [σ] 166.60 MPa 负偏差 C 1 0.30mm 腐蚀裕量 C 2 0.90（封头加工减薄量） mm焊接接头系数 φ 1.00压力试验时应力校核压力试验类型 气压试验 试验压力值p T = 1.10pt][][σσ= 0.3900MPa 压力试验允许通过的应力[σ]t [σ]T ≤ 0.80 R eL = 200.00MPa 试验压力下封头的应力σT = φδδ.2)5.0.(eh eh i T KD p += 86.13MPa校核条件 σT ≤ [σ]T 校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+2i i 2261h D = 1.0000计算厚度 δh = ct ic 5.0][2p D Kp -φσ = 4.96mm 有效厚度 δeh =δnh - C 1- C 2= 6.80 mm 最小厚度 δmin = 4.50 mm 名义厚度 δnh = 8.00 mm 结论 满足最小厚度要求 重量625.86Kg压 力 计 算最大允许工作压力 [p w ]= eh i eht 5.0][2δφδσ+KD = 0.75440MPa结论 合格注：带#号的材料数据是设计者给定的。

压力容器设计常用计算一、强度计算强度计算是压力容器设计中最基本的计算，其目的是通过计算容器的应力和应变，判断容器在承受工作压力时是否会发生破坏。

根据不同的容器形状和材料性质，常用的强度计算方法有以下几种：1.束缚应力法：根据容器的材料属性，计算容器各部位的允许最大内、外应力和总应力，然后与工作过程中的应力进行比较，判断容器是否会发生破坏。

2.等效应力法：将容器内、外表面上的应力用一个等效应力来代替，然后与容器的抗拉极限强度进行比较，以判断容器是否会发生破坏。

3.具体应力分析法：针对特定形状的容器，通过具体的应力分布分析，计算出容器各部位的应力和应变，进而判断容器是否会发生破坏。

二、蠕变计算蠕变是指材料在高温和长时间作用下发生的塑性变形，其对压力容器的安全性和可靠性产生较大的影响。

常用的蠕变计算方法有以下几种：1.应力分析法：根据容器的材料性质和工作条件，计算容器各部位的蠕变应力，然后与容器材料的蠕变强度进行比较，以判断容器在工作过程中是否会发生蠕变破坏。

2.强度工作时间积法：将容器的工作时间乘以其工作温度下的应力值，得到强度工作时间积，然后与容器材料的蠕变强度工作时间积进行比较来判断容器是否会发生蠕变破坏。

三、疲劳计算在压力容器的使用过程中，往往会受到不断重复的循环载荷，这会导致容器材料的疲劳破坏。

常用的疲劳计算方法有以下几种：1.安全系数法：根据容器的工作周期和载荷特性，计算容器的疲劳安全系数，然后与容器要求的疲劳安全系数进行比较，以判断容器是否会发生疲劳破坏。

2.极限状态法：根据容器的应力分布和载荷变化情况，通过计算容器的疲劳极限状态，判断容器在使用过程中是否会发生疲劳破坏。

四、稳定性计算容器的稳定性计算主要是为了防止在工作过程中容器发生失稳和挤压变形等现象，影响容器的安全性和稳定性。

常用的稳定性计算方法有以下几种：1.柱稳定计算：根据容器的几何形状和材料性质，通过计算容器的柱稳定系数，判断容器在工作过程中是否会发生失稳破坏。

压力容器的强度计算压力容器是一种主要用于储存或输送气体、液体等在内部产生较高压力的装置。

它广泛应用于化工、石油、煤炭、电力、冶金等行业中。

为了确保压力容器的安全运行，需要对压力容器的强度进行计算。

1.壁厚计算：压力容器壁厚的计算是压力容器强度计算的基础。

壁厚设计应满足以下条件：①确保容器在内部压力作用下不会破裂；②具有足够的刚度以保证容器的稳定性；③合理分配应力，避免过度集中应力。

壁厚计算可采用多种方法，如薄壁理论、弹性理论、塑性理论等。

其基本原理是根据容器内部压力、容器几何形状、容器材料的力学性能等参数，计算容器受到的应力，并根据相应的材料强度参数确定壁厚。

2.焊缝强度计算：焊接是制造压力容器常用的连接方法之一、焊接连接的强度计算主要涉及焊缝的强度计算和热影响区的强度计算。

焊缝的强度计算包括焊缝的有效截面计算和焊缝应力计算。

焊缝的有效截面计算可采用T型焊缝强度的判定公式，根据焊缝的几何尺寸确定其有效截面积。

焊缝应力计算可采用焊缝剖面应力法或其他适用的方法，根据应力计算公式计算焊缝的应力。

热影响区的强度计算涉及焊缝附近材料的力学性能变化分析。

焊接过程中，受到焊接热源的加热作用，原有材料的晶体结构和性能会发生改变。

根据焊缝热影响区的材料力学性能参数，进行强度计算。

3.耐久性计算：压力容器的耐久性计算主要是考虑容器的疲劳寿命。

在容器内部压力交替作用下，会导致材料发生疲劳损伤。

耐久性计算主要涉及应力幅计算和疲劳寿命计算。

应力幅计算是根据容器的工作条件、材料疲劳强度参数等，计算容器内部压力作用下的应力幅度。

疲劳寿命计算是根据材料的疲劳性能参数，计算容器的疲劳寿命。

总之，压力容器的强度计算是确保容器安全运行的重要环节。

通过合理计算容器的壁厚、焊缝强度和耐久性，能够保证容器在内部压力作用下不会发生破裂和泄漏，从而确保生产过程的安全。

第11章压力容器的强度计算本章重点要讲解内容：（1）理解内压容器设计时主要设计参数（容器内径、设计压力、设计温度、许用应力、焊缝系数等）的意义及其确定原则；（2）掌握五种厚度（计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚、有效壁厚、最小壁厚）的概念、相互关系以及计算方法；能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差；（3）掌握内压圆筒的厚度设计；（4）掌握椭圆封头、锥形封头、半球形封头以及平板封头厚度的计算。

（5）熟悉内压容器强度校核的思路和过程。

第一节设计参数的确定1、我国压力容器标准与适用范围我国现执行GB150－98 “钢制压力容器”国家标准。

该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则，应用解析法进行应力计算，比较简便。

JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相应地减少，重量减轻。

其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则，计算比较复杂，和美国的ASME标准思路相似。

2、容器直径（diameter of vessel）考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。

对于用钢板卷制的筒体，以内径作为其公称直径。

表1 压力容器的公称直径（mm）如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径。

表2 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）3、设计压力（design pressure）（1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力）✧工作压力P W：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

①由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压试验的压力和卧置时不同；②工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶部的压力并不是其实际最高工作压力（the maximum allowable working pressure）。

③标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。

压力容器检验常用强度计算公式C —厚度附加量mm ；对多层包扎圆筒只考虑内筒；对热套圆筒只考虑内侧第一层套合圆筒的C 值；C ＝C 1+C 2 +C 3C 1—钢材厚度负偏差，mm ；C 2—腐蚀裕量，mm ；C 3—机械加工减薄量，mm ；D i —圆筒或球壳的内直径，mm ；D o —圆筒或球壳的外直径(D o = D i +2δn )，mm ；P T —试验应力，MPa ；P c —计算压力,MPa ；[p w ]—圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa ；δ—圆筒或球壳的计算厚度，mm ；δe —圆筒或球壳的有效厚度，mm ；δn —圆筒或球壳的名义厚度，mm ；бt —设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MPa ；〔б〕t —设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力，MPa ； бs —材料的屈服强度，MPa ；ø—焊接接头系数；1、承受内压圆筒计算厚度δ=PPcD t i -∮][2σ 2、承受内压球壳计算厚度δ=PPcD t i -∮][4σ 3、承受内压椭圆形封头计算厚度a ）标准椭圆形封头δ=PPcD t i 5.0∮][2-σ b ）非标准椭圆形封头δ=PkPcD t i 5.0∮][2-σ ])2(2[612ii h D k += 2、应力校核a 、液压试验时，圆筒的薄膜应力校核бT =e e D P i T δδ2)(+《0.9бs øb 、气压试验时，圆筒的薄膜应力校核бT =e e D P i T δδ2)(+《0.8бs øc 、液压试验时，球形容器的薄膜应力校核бT =e e D P i T δδ4)(+《0.9бs ød 、气压试验时，球形容器的薄膜应力校核бT =e e D P i T δδ4)(+《0.8бs ø3、最大允许工作压力计算a 、圆筒最大允许工作压力计算〔P w 〕＝ei t e D δσδ+Φ][2b 、球壳最大工作压力〔P w 〕＝ei t e D δσδ+Φ][4 4、内压容器试验压力液压试验 P T =1.25Pt ][][σσ 气压试验 P T =1.25P t][][σσ 对在用压力容器P 指最高工作压力，MPa5、容器开孔及开孔补强（本题2004年压力容器检验师考试考过） a 、开孔削弱面积A内压圆筒体与球壳A ＝d δ＋2δδet （1－f r ）d —考虑腐蚀后的开孔直径，d ＝d i ＋2Cδet —接管名义厚度C —壁厚附加量f r —强度削弱系数。

压力容器壁厚计算及说明一、压力容器的概念同时满足以下三个条件的为压力容器，否则为常压容器。

1、最高工作压力P ：9.8×104Pa ≤P ≤9.8×106Pa ，不包括液体静压力；2、容积V ≥25L ，且P ×V ≥1960×104L Pa;3、介质：气体，液化气体或最高工作温度高于标准沸点的液体。

二、强度计算公式1、受内压的薄壁圆筒当K=1.1～1.2，压力容器筒体可按薄壁圆筒进行强度计算，认为筒体为二向应力状态，且各受力面应力均匀分布，径向应力σr =0，环向应力σt =PD/4s ，σz = PD/2s ，最大主应力σ1＝PD/2s ，根据第一强度理论，筒体壁厚理论计算公式，δ理＝PPD －σ][2 考虑实际因素，δ＝P PD φ－σ][2+C 式中，δ—圆筒的壁厚（包括壁厚附加量），㎜；D — 圆筒内径，㎜；P — 设计压力，㎜；[σ] — 材料的许用拉应力，值为σs /n ，MPa ；φ— 焊缝系数，0.6～1.0；C — 壁厚附加量,㎜。

2、受内压P 的厚壁圆筒①K ＞1.2，压力容器筒体按厚壁容器进行强度计算，筒体处于三向应力状态，且各受力面应力非均匀分布（轴向应力除外）。

径向应力σr ＝--1(222a b Pa 22r b ） 环向应力σθ＝+-1(222ab Pa 22r b ） 轴向应力σz =222a b Pa - 式中，a —筒体内半径，㎜；b —筒体外半径，㎜；②承受内压的厚壁圆筒应力最大的危险点在内壁，内壁处三个主应力分别为：σ1＝σθ＝P K K 1122-+ σ2=σz =P K 112-σ3=σr =-P第一强度理论推导处如下设计公式σ1＝P K K 1122-+≤[σ] 由第三强度理论推导出如下设计公式σ1－σ3＝P K K 1122-+≤[σ] 由第四强度理论推导出如下设计公式：P K K 132-≤[σ] 式中，K ＝a/b3、受外压P 的厚壁圆筒径向应力σr ＝－--1(222a b Pb 22r a ） 环向应力σθ＝－+-1(222ab Pb 22r a ） 4、一般形状回转壳体的应力计算经向应力 σz =sP 22ρ 环向应力 sP t z =+21ρσρσ 式中，P —内压力，MPa ；ρ1—所求应力点回转体曲面的第一主曲率半径，㎜；（纬）ρ2—所求应力点回转体曲面的第一主曲率半径，㎜；（经）s —壳体壁厚，㎜。

第11章压力容器的强度计算本章重点要讲解内容：（1）理解内压容器设计时主要设计参数（容器内径、设计压力、设计温度、许用应力、焊缝系数等）的意义及其确定原则；（2）掌握五种厚度（计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚、有效壁厚、最小壁厚）的概念、相互关系以及计算方法；能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差；（3）掌握内压圆筒的厚度设计；（4）掌握椭圆封头、锥形封头、半球形封头以及平板封头厚度的计算。

（5）熟悉内压容器强度校核的思路和过程。

第一节设计参数的确定1、我国压力容器标准与适用范围我国现执行GB150－98 “钢制压力容器”国家标准。

该标准为规则设计，采用弹性失效准则和稳定失效准则，应用解析法进行应力计算，比较简便。

JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》，其允许采用高的设计强度，相同设计条件下，厚度可以相应地减少，重量减轻。

其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则，计算比较复杂，和美国的ASME标准思路相似。

2、容器直径（diameter of vessel）考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器筒体和封头的直径都有规定。

对于用钢板卷制的筒体，以内径作为其公称直径。

表1 压力容器的公称直径（mm）如果筒体是使用无缝钢管直接截取的，规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径。

表2 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）3、设计压力（design pressure）（1）相关的基本概念（除了特殊注明的，压力均指表压力）✧工作压力P W：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

①由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压试验的压力和卧置时不同；②工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶部的压力并不是其实际最高工作压力（the maximum allowable working pressure）。

③标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。