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内外压容器——受压元件设计 一、压力容器的构成 圆筒—圆柱壳 球形封头 —球壳 壳体 椭圆封头（椭球壳） 以薄膜应力承载 碟封（球冠与环壳） 锥形封头（锥壳） 经典板壳结构 圆平板（平盖） 平板 环形板（开孔平盖） 以弯曲应力承载 环（法兰环） 弹性基础圆平板（管板） 二、压力容器受压元件计算 1.圆筒 1）应力状况：两相薄膜应力、环向应力为轴向应力的两倍。 2）壁厚计算公式：符号说明见GB 150。称中径公式：适用范围，K≤1.5，等价于pc≤0.4[σ]f 3）公式来由：内压圆筒壁厚计算公式是从圆筒与内压的静力平衡条件得出的。 设有内压圆筒如图所示（两端设封头）。 （1）圆筒受压力pc的轴向作用： pc在圆筒轴向产生的总轴向力： F1= 圆筒横截面的面积： fi=πDiδ 由此产生的圆筒轴向应力： σh= 当控制σh≤[σ]时，则： δ1= 此即按圆筒轴向应力计算的壁厚公式。 （2）圆筒受压力pc的径向作用（见图） pc对圆筒径向作用，在半个圆筒投影面上产生的合力（沿图中水平方向）： F2=pc·Di·l 承受此水平合力的圆筒纵截面面积： f2=2δl 由此产生的圆筒环向应力： σθ= 当控制σθ≤[σ]时， δ2= 此式称为内压圆筒的内径公式。 上述计算公式认为应力是沿圆筒壁厚均匀分布的，它们对薄壁容器是适合的。 但对于具较厚壁厚的圆筒，其环向应力并不是均匀分布的。薄壁内径公式与实际应力存在较大误差。对厚壁圆筒中的应力情况以由弹性力学为基础推导得出的拉美公式较好地反映了其分布： 由拉美公式如： 厚壁筒中存在的三个方面的应力，其中只有轴向应力是沿厚度均匀布的。环向应力和径向应力均是非均匀分布的，且内壁处为最大值。筒壁三向应力中，以一周向应力最大，内壁处达最大值，外壁处为最小值，内外壁处的应力差值随K=Do/Di增大面增大。当K=1.5时，由薄壁公式按均匀布假设计算的环向应力值比按拉美公式计算的圆筒内壁处的最大环向应力要偏低23%，存在较大的计算误差。 由于薄壁公式形式简单，计算方便、适于工程应用。为了解决厚壁筒时薄壁公式引起的较大误差，由此采取增大计算内径，以适应增大应力计算值的要求。为此将圆筒计算内径改为中径，即以（Di+δ）代替Di代入薄壁内径公式中： 则有： σθ= 经变形得：2σθδ－pcδ=pcDi δ（2σθ－pc?）=pc·Di 当σθ控制在[σ]，且考虑焊缝系数时，即σθ取[σ] 时， 则δ= 此即GB 150中的内压圆筒公式，称中径公式。 4）公式计算应力的意义：一次总体环向薄膜应力，控制值[σ]。 5）焊接接头系数，—指纵缝接头系数。 2.球壳 1）应力状况，各向薄膜应力相等 2）厚度计算式：δ=称中径公式，适用范围pc≤0.6[σ]等价于K≤1.353 3）公式来由同圆筒轴向应力作用情况 4）计算应力的意义： 一次总体、薄膜应力（环向、经向）控制值：[σ] 。 5）焊缝接头系数： 指所有拼缝接头系数（纵缝、环缝）。 注意包括环封与圆筒的连接环缝系数。 6）与圆筒的连接结构：见GB 150附录J图J1（d）、（e）、（f）。 原则：不能削薄圆筒，局部加厚环壳。 3.椭圆封头 A、内压作用下 1）应力状况 a.薄膜应力 a）标准椭圆封头薄膜应力分布： 经向应力：最大应力在顶点。 环向应力：最大拉应力在顶点，最大压应力在底边。 b) 变形特征：趋圆。 c) 计算对象意义： 拉应力——强度计算 压应力——稳定控制 b.弯曲应力（与圆筒连接） a) 变形协调，形成边界力。 b) 产生二次应力 c.椭圆封头的应力：薄膜应力加弯曲应力。 最大应力的发生部位、方向、组成。 d.形状系数K的意义 K为封头上的最大应力与对接圆筒中的环向薄膜应力的比值， K= K分布曲线可回归成公式： K=1/6[(a/b)2+2]=1/6[2+()2] 不同a/b的K见GB 150表7-1。标准椭圆封头K=1。 2）计算公式 δ= 近似可理解为圆筒厚度的K倍。 4）焊缝接头系数。 指拼缝，但不包括椭封与圆筒的连接环缝的接头系数。 5）内压稳定： a. a/b≯2.6限制条件 b.防止失稳，限制封头最小有效厚度： a/b即K≤1≤2 δmin≥0.15%Di a/b即K＞1＞2 δmin≥0.30% Di B.外压作用下： 1）封头稳