强度结构与应力分析
•
•
压力容器结构——典型结构
压力容器结构——典型结构
压 力 容 器 结 构
典 型 结 构
压力容器结构——零部件
筒体 圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件
方便、而且承压能力较好，因此应用最广。圆筒形容器又可 以分为立式容器和卧式容器。
由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题， 而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定 的，所以不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。
（ 3 ） 碟 形 封 头 —— 碟 形 封 头 是 由 三 部分组成。第一部分是以半径为Ri 的球面部分，第二部分是以半径为 Di/2的圆筒形部分，第三部分是连 接这两部分的过渡区，其曲率半径 为r,Ri与r均以内表面为基准。
压力容器结构——零部件
（4）球冠形封头——由于封头为一 球面且无过渡区，在连接边缘有 较大边缘应力，要求封头与筒体 联接处采用全焊透结构。
压力容器结构——开孔与补强
图 补强结构
圆筒内的应力
壳体厚度为δ，内半径为R，受气体压力P作用 的壳体。如图所示：
圆筒内的应力
•在圆筒中间沿径线平面 切开为两段（如图）
•在研究的壳体上作用有 外力p（流体压力）
•壳体厚度上存在内力， 单位面积上为应力σφ •在轴线方向作力的平衡
R2p2R
•则可得：
圆筒内的应力
如果控制周向应力 不超过许用应力，即：
pRi
[]t
则可得容器的强度尺寸为：
[pR]ti =2[pD]it
圆筒内的应力
如果控制周向应力 不超过许用应力，即：
pRi
[]t
则可得容器的强度尺寸为：
[pR]ti =2[pD]it
圆筒内的应力
根据第一强度理论，最大主应力（周向应力）小 于等于许用应力，承压容器就是安全的：
pR
2
圆筒内的应力
•在圆筒中间沿轴线平面 切开为两段（如图）
•在研究的壳体上作用有 外力p（流体压力）
•壳体厚度上存在内力， 单位面积上为应力σθ •在轴线方向作力的平衡
2RLp2L
即可得周向应力：
pR
圆筒内的应力
这样便得到了受内压的圆筒体的壳体中的轴向和 周向应力：
pR
2
pR
可以看出周向应力时轴向应力的2倍
压力容器结构——零部件 压力容器为何有时可允许不另行补强
压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素：
容器在设计制造中，由于用户要求，材料代用 等原因，壳体厚度往往超过实际强度的需要。厚度 的增加使最大应力有所降低，实际上容器已被整体 补强了。例如：在选材时受钢板规格的限制，使壁 厚有所增加；或在计算时因焊接系数壁厚增加，而 实际开孔不在焊缝上；还有在设计时采用封头与筒 体等厚或大一点，实际上封头已被补强了。在多数 情况下，接管的壁厚多与实际需要，多余的金属起 到了补强的作用。
（5）锥形封头——锥形封头有无折 边锥形封头 厚度、同直径条件下，平板内产 生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜 应力的20～30倍。但结构简单， 制造方便。
压力容器结构——零部件
3. 支座 支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位
置。支座一般分为立式容器支座、卧式容器支座。 立式容器支座分为耳式支座、支承式支座、腿
(2) 接管补强，即在壳壁与接管之间焊上一段厚壁加强管，如图d、e、f。 它的特点是能使所有用来补强的金属材料都直接处在最大应力区域内， 因而能有效地降低开孔周围的应力集中程度。低合金高强度钢制的压力 容器与一般低碳钢相比有较高的缺口敏感性，采用接管补强为好。
(3) 整锻件补强结构如图g、h、I，此结构的优点是补强金属集中于开孔应 力最大的部位，补强后的应力集中系数小。由于焊接接头为对接焊，且 焊接接头及热影响区可以远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。但 这种结构需要锻件，且机械加工量大，所以一般只用于要求严格的设备。
压力容器结构——零部件
3 开孔补强结构
所谓开孔补强设计，就是指采取适当增加壳体或接管壁厚的方法以降低应 力集中系数。其所涉及的有补强形式、开孔处内、外圆角的大小以及补 强金属量等。
(1) 加强圈是最常见的补强结构，贴焊在壳体与接管连接处，如图a、b、c。 该补强结构简单，制造方便，但加强圈与金属间存在一层静止的气隙， 传热效果差。当两者存在温差时热膨胀差也较大，因而在局部区域内产 生较大的热应力。另外，加强圈较难与壳体形成整体，因而抗疲劳性能 较差。这种补强结构一般用于静压、常温及中、低压容器。
对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直 径，其系列尺寸有300、400、500、600…等，如果筒体是用 无缝钢管制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。
压力容器结构——零部件
封头 （ 1 ） 球 形 封 头 —— 壁 厚 最 薄 ， 用 材
比较节省。
（ 2 ） 椭 圆 形 封 头 —— 椭 圆 形 封 头 纵 剖面的曲线部分是半个椭圆形，直 边段高度为h
式法兰。
压力压容力器容器结结构构————零零部部件件
5. 开孔与开孔补强
通常所用的压力容器，由于各种工艺和结构的 要求，需要在容器上开孔和安装接管，由于开孔去 掉了部分承压金属，不但会削弱容器的器壁的强度， 而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较 高的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到 基本薄膜应力的3倍，甚至5-6倍。再加上开孔接管 处有时还会受到各种外载荷、温度等影响，并且由 于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不便等 原因的综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。 主要表现为疲劳破坏和脆性裂纹，所以必须进行开 孔补强设计。
pRi =pDi []t 2
但是该公式所计算出的最大应力值，与精确值 相比相差较大（大约小23％），将内径换为中径， 计算值与精确值相差减小（约为3.8％）。
式支座和裙式支座。卧式容器多使用鞍式支座。
压力容器结构——零部件 4. 法兰
法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。 缺点是不能快速拆卸、制造 成本较高。
法兰分类主要有以下方法： （1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。 （2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法
兰。 （3）按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意