压力容器分析设计基础 压力容器规则设计与分析设计 应力分析设计方法概要

压力容器规则设计与分析设计1 、规则设计2 、分析设计 3 、规则设计与分析设计的比较

1 、规则设计 设计准则 弹性失效准则——容器只有完全处于弹性状态时才是安全的，一旦结构内某点计算的最大应力进入塑性范围，即达到或超过材料的屈服极限，就认为整个容器失效。 依据：静载构件、平均应力

1 、规则设计 缺点与局限性 由于不考虑可变载荷对容器各个部位引起不同的应力与变形，故无法进

行疲劳分析和预计寿命，亦不能推测失效起源于何处。

弹性失效并不表明容器的承载能力已经耗尽。不同性质的应力取同一应力评定判据是不合理的，这对设计复杂结构的大型容器很不经济。而有效利用结构的塑性行为已被证明是可行的。

取较高的安全系数无疑掩盖了失效的实质。其结果增加了材料消耗和制造成本，而对容器安全有时适得其反。

2 、分析设计 设计准则

塑性失效准则——只有当结构沿厚度方向全部屈服时，结构才失效。

疲劳失效准则——一定许循环应力幅作用下的构件，只有其循环次数超过允许的最大循环次数后，才会发生疲劳破坏。

考虑了超出弹性范围以后结构的塑性行为，放弃传统的弹性失效准则。引入极限分析与安定分析概念，采用塑性失效设计准则。

应用电子计算机技术和实验测试技术，对复杂结构的容器整体，包括任何不连续区域都可以做详细的弹性应力分析与计算。

按不同性质的应力分类和失效形式给予不同的限制条件。机械应力以极限载荷为界限；不连续应力或热应力以安定载荷为界限。当反复受载需作疲劳分析时以疲劳试验应力幅为界限。

引用虚拟应力概念可以方便地对高应变区作弹性分析。

2 、分析设计 先进性

比较项目 按规则设计 按分析设计1 规范名称 GB150-1998 《钢制压

力容器》JB4732-95 《钢制压力容器 - 分析设计标准》

2 规范历史（第一版或 前身出版年代）

1989 年 1994 年

3 设计压力（最高）

35MPa 100MPa

4 设计温度 材料的许用温度（可高于材料蠕变温度）

材料的蠕变温度以下

5 不适用工况 反复受载疲劳分析 高温蠕变

6 设计准则 弹性失效准则 塑性失效准则；疲劳失效准则

7 采用强度理论 最大主应力理论① 最大切应力理论

8 应力分类 不分类 按应力性质不同分类

3. 规则设计与常规设计的比较

9 应力分析方法 材料力学，板壳力学 弹性有限元法，弹性理论和板桥理论解析法，试验应力测试法

10 计算复杂性 以膜应力为基础计算，简单

各种应力均需全面计算，复杂

11 对热应力的考虑 通常与机械应力迭加 作为二次应力12 应力评定判据 取相同判据 按应力分类取不同判据13 基本安全系数

（最小）nb=3,ns=1.6 nb=2.6,ns=1.5

14 材料控制（以钢板为例）

符合压力容器常规要求 比前者要求严格

许用应力分类 GB150-98, 约 27种 JB4732-95, 约 27种15 制造与检验 按压力容器常规要求 比前者要求严格

制造资格 要有压力容器制造许可证

必须有相应的许可证，例如第三类压力容器许可证

16 综合经济性 一般结构的容器综合经济性好

大型、复杂结构的容器综合经济性好（用户需提供详细的设计任务书）

关于材料的要求（钢板）比较项目 GB150-98 JB4732-95

1 采用的钢板标准 GB YB(T), 冶金部推荐，技术要求较高； GB

钢板常温强度指标 高合金钢板 无 有2 钢板超声波监测条件与合格级别 (逐张 )

包扎容器内筒钢板 Ⅱ级 地合金钢板， >25mm Ⅲ级16MnR, >30mm Ⅲ级20R, >38mm Ⅳ级

包扎容器内筒钢板 Ⅱ级调质钢板 Ⅱ级不分材料， >20mm Ⅱ级

3 拉伸和冲击试验（逐张） 调质钢板包扎容器内筒钢板

调质钢板包扎容器内筒钢板厚度 >50mm

4 最高使用温度 ( 举例 ) 20R,16MnR 475 ℃15CrMoR 550 ℃0Cr19Ni9 700 ℃

20R,16MnR 375 ℃15CrMoR 475 ℃0Cr19Ni9 425 ℃

使用温度下限 -20℃ 0℃(低于 0℃或－ 10℃做冲击试验）

低温用钢板最低使用温度（最低冲击试验温度）

16MnR正火， 6-25mm, -20 ℃16MnDR正火， 6-32mm, -40℃09Mn2VDR正火 ,6-32mm,-70℃06MnNbDR正火 ,6-16mm,-90℃

16MnR正火， 6-100mm -20 ℃16MnDR正火， 6-32mm, -40 ℃09Mn2VDR正火 ,6-20mm,-50 ℃09MnNiDR正火 ,6-60mm,-70 ℃

5 钢板的韧性要求 (以冲击功Akv 表示 )

20R ≥18J16MnR,15MnVR ≥20J15MnVNR,18MnMoNbR,18MnNiMoNbR ≥27J

σb ≤450MPa ≥20J >450-515MPa ≥24J >515-590MPa ≥27J >590-650MPa ≥31J

6 可否使用非压力容器用钢板

p ≤1.0MPa, t=0-350 ℃δ≤16mm,可用 A3 或阿AY3

不可

7 可否使用沸腾钢板

p ≤0.6MPa, t=0-250 ℃δ≤12mm,可用 A3F或 AY3F

不可

比较项目 GB150-98 JB4732-95

1 使用范围 单层压力容器多层包扎压力容器热套压力容器

单层压力容器多层包扎压力容器热套压力容器锻焊压力容器

2 制造用材料应有确认标记

不明确 明确并对使用硬印标记有限制

3 封头的形状偏差 (封头内径为 Df)

检查用样板弦长不小于 3/4Df

封头深度不大于 45%Df, 检查样板弦长等于 Df封头深度大于 45%Df,一律按外压封头从严要求封头直边纵向皱折深度不大于 1.5mm

4 焊缝对口错边量

不考虑材料因素，按焊缝类别和厚度规定允许错边量。例如纵向焊缝，厚度≤ 50mm, 错边量允许≤3mm

增加考虑材料因素，且允许错边量从严，例如 σb>540MPa,条件与 GB150相同，允许错边量≤ 2.4mm

5 两板厚度不等，需要减薄的条件 ( 薄板厚度为 δ2)

δ2 ≤10mm，厚度差≥3mm;δ2 >10mm，厚度差≥ 30%δ2;或≥ 5mm

不分板厚，厚度差 >25%δ2 ,或≥ 3mm

制造和检验的要求

6 壳体直线度允差

长度 L≤20mm,允差 2/1000; 20mm<L≤30mm,允差 1/1000

不分长短档次，允差 1/1000

7 接管底部要求 没有规定 内表面转角半径 r≥1/4壳厚，且不大于 20mm对于插入接管， r≥1/4管厚，且不大于 10mm

8 对焊缝的接头余高

按施焊方法与焊缝深δ规定余高。例如手工焊，25mm<δ≤50mm余高 0-3mmδ>50mm,余高 0-4mm

考虑材料因素与焊缝深度 δ规定余高，例σb>540MPa, 25mm<δ≤50mm,余高 0-10%δ,且≤ 3mm; δ>50mm,余高≤3mm

9 焊接接头表面不应有的缺陷

裂纹、气孔、弧坑、夹渣；除规定材料不得咬边外，其他咬边深≤ 0.5mm，长≤100mm，两侧咬边总厂度不得超过焊缝长度的 10%

裂纹、气孔、咬边、弧坑、夹渣

10焊接引弧要求 不做具体规定 禁止在非焊接部位引弧

11 焊后热处理 规定需要进行热处理的材料厚度，不规定热处理方法

需要进行热处理的材料厚度同 GB150, 但明确规定焊后热处理方法，包括进出炉最高炉温，升降温速度和炉温均匀性的要求

12 焊接试板 规定有条件的每台容器应制备焊接试板，例如厚度≥ 20mm的 15MnVR容器，或 σb>540MPa钢制容器等

每台容器至少制备一块焊接试板

13 焊缝探伤要求 规定以外的对接焊缝，允许局部探伤，检查长度≥ 20%，且不少于 250mm合格级别； 100%射线探伤、Ⅱ级，超声波探伤，Ⅰ级；局部射线探伤，Ⅲ级，超声波探伤， Ⅱ级

对接焊缝与厚度≥ 65mm的角焊接头，应进行 100%射线或超声波探伤。合格级别：射线探伤，Ⅱ级；超声波探伤，Ⅰ级

14 焊缝探伤人员资格

劳动部门颁发的资格证书 劳动部门颁发的Ⅱ级探伤或Ⅰ级超声波探伤资格证书

15 焊接工艺规程，施焊与热处理记录等保存期

7 年 10 年

应力分析设计方法概要一、应力性质1. 薄壁容器2. 厚壁容器3. 平板端盖4. 壳体不连续区5. 容器支座区6. 容器接管区7. 容器热应力

一、应力性质

1. 薄壁容器

)2(2

2

1

22

2

r

r

T

prT

pr

应力特点： 沿壁厚均布； 平衡外载，无自限性；外压时为压应力，需

考虑失稳。

一、应力性质2. 厚壁容器

i

z

r

RRK

K

pr

R

K

p

r

R

K

p

0

2

2

20

2

2

20

2

1

)1(1

)1(1

一、应力性质2. 厚壁容器 为了分析应力的性质，将非线性分布的应力视为均匀分布、线性分布和非线性分布的三部分的叠加。

Ri R0

m f

b

b

按合力等效原则确定

按净弯矩等效原则确定

合力等效原则——均布部分

一、应力性质2. 厚壁容器

00 R

R

R

Rmii

drdr

1)1(

1

1 0

2

20

2220

K

pdr

r

R

K

p

RR

R

Ri

mi

净弯矩等效原则——线性部分

00

)(R

R m

R

R ii

rdrrdr

)2

1(1 i

b

R

rK

K

)ln1

21(

)1(

322

KK

K

K

pKb

非线性部分 mf

应力的特点：

均匀分布的应力与薄壁容器中的薄膜应力具有相同的性质，来源于与内压力的平衡，遍及整个筒体，无自限性。

应力梯度实际上是由筒体内外各处变形不同引起的。源于变形协调，具有自限性。

非线性分布应力为应力梯度中的非线性部分。具有自限性，只出现在局部小范围。

一、应力性质2. 厚壁容器

一、应力性质3 、平板端盖

环向应力

径向应力

应力主要特点： 应力沿板厚线性分布，最大值在板表面，中间面应力

为零； 与外载荷相平衡，无自限性，随半径 r不同而变化 ; 板的上下表面首先屈服，之后应力沿板厚重新分布。

222

9.13.18

3rR

T

p

222

3.33.18

3rR

T

pr

一、应力性质4 、壳体不连续区

容器上不连续区的应力可以由薄膜应力与边缘应力叠加得出：经向应力周向应力 边缘应力需由壳体边缘的连续条件解出边缘剪力和边缘弯矩，然后按壳体的力矩理论得出。圆筒形壳体边缘应力的形式为

o *

o *

2

,,

2

,,

6

6

T

M

T

N

T

M

T

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oooo

oooo

MPMPo

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