GB1503-XXXX容标委培训3

GB150.3《压力容器-设计》郑津洋2012年2月22-23日黄山GB150.3对GB150-1998所作的修改和增加的内容内压圆筒和内压球壳-增加了按外径进行壁厚设计计算的相应公式受外压圆筒和球壳以及外压曲线-增加了对应于高强度材料的外压曲线-增加了材料与应力系数B曲线图的对应选用表-加强圈的结构设计作了部分修改各种封头的设计计算方法-增加了偏心锥壳、低压折边平封头、带筋平封头和拉撑结构的设计计算方法-调整了部分平盖的结构特征系数K-增加了适用于平封头与筒体全熔透连接结构的塑性分析设计方法-修改了球冠形封头、锥壳与筒体连接的加强设计方法开孔补强的设计方法-增加了针对筒体上法向接管开孔补强设计的分析方法，开孔率适用范围可达0.9-修改了平盖上开孔接管的补强设计方法法兰设计计算方法-增加了整体法兰和按整体法兰计算的任意法兰的刚度校核要求-增加了波齿垫片设计选用参数附录D“焊接接头结构”-按多年来我国压力容器行业的实践经验以及国外相关标准规范的内容对GB150-1998附录J所列的各种焊接接头结构形式作了调整,并增加了若干E类焊接接头的结构形式附录E“关于低温压力容器的基本设计要求”-按材料和制造技术要求，对低温压力容器的界定作了修改-更加严格了适用“低温低应力工况”的条件以内径为基准的公式用于板材卷制的筒体；以外径为基准的公式一般用于管材作为筒体的场合受内压壳体的强度设计GB150中关于内压壳体的强度计算考虑的失效模式是结构在一次加载下的塑性破坏筒体的壁厚设计中径公式得到的筒体的环向应力（最大主应力）：222icoccDpDpDpcticctocpDppDp22以外径为基准以内径为基准弹性力学解(拉美公式)111112222222KprRKprRKpizoitoir屈服条件(第一强度理论)：sctKKp1122基于弹性失效设计准则和薄壁圆筒理论的壁厚计算按照弹性失效设计准则，由中径公式（实际上是第一强度理论）、Mises屈服准则、Tresca屈服准则可得到的圆筒计算压力与径比K的关系：按中径公式+第一强度理论按拉美公式+第三强度理论（Tresca屈服准则）按拉美公式+第四强度理论（Mises屈服准则）11221cKKDpi2221P2tcKK2321P3tcKK试验发现：按第四强度理论预测的圆筒初始屈服压力与实测值最为接近。由图可以看出：（1）按弹性失效观点，在同一承载能力下，由中径公式算出的厚度最薄，最危险；由Tresca设计准则算出的厚度最厚，最保守。（2）在径比较小时，三种计算方法的差别不大。（3）只有在径比较低时，中径公式才与其他两种设计准则十分接近。一般将中径公式的适用范围规定为：1.01.52.02.53.03.54.04.50.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0p/([]t)径比K中径公式TrescaMisesc0.4[],1.5tpK。按弹性失效准则时圆筒计算压力与径比关系基于塑性失效设计准则的壁厚计算假设材料为理想弹塑性，基于Mises屈服准则、Tresca屈服准则可分别得到圆筒的全屈服压力预测公式。用许用应力和焊接接头系数的乘积代替屈服强度，可以得到计算压力和径比的关系基于Mises屈服准则基于Tresca屈服准则42Pln3tcK5PlntcK1230.00.51.0p/([]t)径比KMisesTresca中径公式按塑性失效准则时圆筒计算压力与径比的关系分析讨论由级数展开得因为K大于1，所以这就是说：在径比和材料一定时，按Tresca屈服准则得到的计算压力大于按中径公式得到的计算压力；反之，当计算压力和材料一定时，按中径公式得到较厚的壁厚，偏保守。值得注意的是：当径比较小时两者的差异很小。2511111ln2...13151KKKKKKK1ln21KKK基于此，新版ASMEBPVCVIII-2中，不论厚或者薄，圆筒的厚度均基于Tresca屈服准则，即厚度计算公式为1=1ctPiRe球壳的壁厚设计中径公式：cticctociopDppDpDpDpDppDD4444442半球形封头壁厚计算公式与圆筒壁厚计算公式对应用弹塑性力学解得到的球壳极限压力KpLln22极限压力：11441KKDpiLGB150规定球壳中径公式的适用范围为p/[]0.6(即K1.35，相对误差约为-0.7%)受外压壳体的刚度设计GB150中关于外压壳体的计算所考虑的主要失效模式是结构在外压载荷作用下的周向失稳，也兼顾结构的塑性强度破坏无限长圆筒失稳时的波数为2，失稳临界压力可以下式求得：32.2ocrDEp短圆筒的失稳临界压力用美国海军水槽公式计算：失稳临界压力可按以下通用公式表示：ooocrDLDfKDKEp,,3圆筒失稳时的环向应力和应变：222,22ocrcroocrcrDKEDKEDp2.50.52.60.45oecrooeEDpLDD定义oocrDDLfA,于是ocrDEAp2取稳定系数m=3，有oDEAp32定义32EAB外压应力系数/oDBp外压应变系数注:有了A和B的定义后，受外压筒体可用图算法进行设计，该方法计及了圆筒的非弹性失稳。受外压球壳的临界压力计算公式小挠度理论解:22221.1132REREpcr实验结果表达式:225.0REpcr仍取稳定系数m=3，B定义为失稳临界应力，有EARpmRpBcrcr323将实验结果表达式代入，有/125.0RA注：1.若以小挠度理论解代入B的表达式，并保持A的表达式不变，则相当于取稳定系数为m=14.52（或m15）;2.外压球壳也可用图算法进行设计计算。受外压圆筒和外压计算曲线在GB150-2011中对外压壳体计算用的B值曲线作了扩充，所有GB150给出的材料都对应有相应的B值曲线（见表4-1）注:对于受外压的容器，各种材料的使用温度上限将由相应的B值曲线确定两条特殊的B值曲线注：包括Q370R、15CrMoR、09MnD、09MnNiD等材料，且设计温度不超过150℃注：包括07MnMoVR、12MnNiVR、06Ni9DR等Rm大于540MPa的材料，且设计温度不超过200℃调整外压圆筒加强圈的设计加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩Is的增补说明在原标准的基础上，新版GB150中4.5.1.1规定：（1）Is值的计算可计入在加强圈中心线两侧有效宽度各为的壳体;(2)若加强圈中心线两侧圆筒有效宽度与相邻加强圈的圆筒有效宽度相重叠，则该圆筒的有效宽度中相重叠部分每侧按一半计算。eoD55.0对于容器内部的加强圈，若布置成下图所示的结构时，原GB150规定该截面的惯性矩应视间隙长度按虚线内、外部分计算。修改部分结构的加强圈设置实际工程发现取具最小惯性矩的截面进行计算更为适合，因此新版标准中对其进行了修改。各种封头的设计计算方法GB150中关于各种封头的设计计算考虑的主要失效模式有结构在内压作用下的塑性强度破坏和局部失稳、结构在外压载荷作用下的失稳以及封头与筒体连接处可能发生的累积塑性变形引起的失效球形封头、椭圆封头和碟形封头都给出了以内径和外径为基准的壁厚计算公式球冠形封头筒体的计算厚度球冠形封头的壁厚设计方法说明a）球面部分的厚度与加强段的厚度可不一致b）当pc/[]t0.002时（相当于2/Di0.002），按以下方法确定计算系数Q，并计算加强段厚度：1)按pc/[]t=0.002查图得到Q值；2)取=0.001Di；3)r=Q·注：当径厚比很大时，尚应考虑结构的刚度问题，若仍以pc/[]t确定Q值，将不能保证结构的安全锥形封头的壁厚设计对于承受外压的锥形封头应首先满足该设计条件下的强度要求(GB150-2011新增的要求)受内压无折边锥壳大端与筒体连接处的应力校核（包括两部分）1）压力作用下为满足变形协调产生的边缘应力校核(GB150-1998包括的计算内容)控制应力为轴向弯曲应力，强度条件为轴向总应力不大于3[]t(即采用应力分类的强度条件)最大角度，αt[σ]φPc0.020.0120.0100.0080.0060.0050.0040.0030.0020.00135°30°25°20°15°10°不允许增加厚度无需加强注：曲线系按最大应力强度（主要为轴向弯曲应力）绘制，控制值为3[σ]t。图5-11确定锥壳大端连接处的加强图注：1.曲线系按最大应力强度(主要为轴向弯曲应力)绘制，控制值为3[]t；2.当pc/[]t0.002时(相当于2/Di0.002)r=0.001Q1DiL式中，Q1按pc/[]t=0.002查图5-12得到图5-12锥壳大端连接处的Q1值图加强段厚度：r=Q1筒体的计算厚度2）轴向力QL作用下，为满足连接边缘的力平衡和变形协调所产生的应力校核(GB150-2011新增的计算校核内容)沿圆周单位长度上的轴向力QL注：1)轴向力f1以代数值代入，拉为正，压为负；2)以下的计算方法仅针对QL为正的情况，如QL为负，应采用其他分析方法进行计算。14fDpQicL212iLLcDYQfY该环向应力的极限条件为：LcQ2022iLLDYQ注：1)相当于GB150-2011中的Δ值(查表5-5)应不小于锥壳半顶角α；2)当仅由压力载荷作用时，该校核条件相当于将负的最大边缘应力中的绝对值限制为与筒体的周向应力等值。连接边缘的环向应力：当不满足该条件时，应增加的面积为：12tantsiLLrLDkQA式中:k为壳体材料性能（许用应力和弹性模量乘积）与加强圈材料性能的比值或查表5-5tcp260要求满足rLeLAA式中:AeL为有效加强面积无折边锥壳小端与筒体连接处的加强计算1）压力作用下为满足变形协调产生的边缘应力校核(GB150-1998包括的计算内容)0.100.080.060.04最大角度，α2°0°4°8°6°10°0.020.0080.010t0.0060.0040.0020.001[σ]φPc无需加强增加厚度R注：如按一次局部薄膜应力不大于1.5[]t的强度条件，则应力超过[]t的范围将可能大于2）轴向力QS作用下，为满足连接边缘的力平衡和变形协调所产生的应力校核(GB150-2011新增的计算校核内容)连接边缘的经向应力将起决定性作用：)(25.02fXDXQiSSl该经向应力的极限条件为：SlQ2相当于GB150中的Δ值(查表5-5)应不小于锥壳半顶角α当不满足该条件时，应增加的面积为：12tantsisSrsDkQA式中:k为壳体材料性能（许用应力和弹性模量乘积）与加强圈材料性能的比值tcp89要求满足rsesAA式中:Aes为有效加强面积有折边锥壳与筒体连接处进行的加强计算方法同GB150-1998中的方法外压力作用下的无折边锥形封头也需要对轴向力QL作用下，为满足连