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第1章 压力容器设计基础1

1.1 概述1

1.2 压力容器分类2

1.3 压力容器失效方式3

1.4 压力容器设计准则5

1.5 压力容器设计方法8

1.5.1 规则设计法8

1.5.2 分析设计法9

1.5.3 对比经验设计法9

1.6 压力容器规范设计10

1.6.1 GB 150、JB 4732压力容器设计标准10

1.6.2 ASME Ⅷ-1、2、3设计方法11

1.6.3 欧盟EN 13445-3规范13

1.6.4 法国压力容器规范CODAP和RCC-M、RCC-MR和RCC-E14

1.7 设计方法选择15

1.8 设计基本要素15

1.8.1 载荷及载荷工况15

1.8.2 基本设计要素17

1.8.3 许用应力22

1.9 焊接接头和焊接接头系数26

1.9.1 焊缝分类26

1.9.2 焊接接头强度系数27

1.10 压力试验28

1.10.1 耐压试验28

1.10.2 致密性试验28

1.11 强度理论29

1.11.1 最大主应力理论29

1.11.2 最大剪应力理论30

1.11.3 最大变形能理论31

第2章 压力容器力学基础32

2.1 壳体无力矩理论32

2.1.1 微元体平衡方程32

2.1.2 区域平衡方程34

2.1.3 无力矩理论应用35

2.2 壳体有力矩理论46

2.2.1 内力分量46

2.2.2 内力分量计算48

2.2.3 边缘效应作用范围53

2.2.4 各种形式壳体边界内力分量、挠度及转角计算54

2.2.5 变形协调方程57

2.2.6 变形协调方程应用58

2.3 圆平板理论67

2.3.1 均匀压力作用下圆平板微分方程67

2.3.2 圆环形平板75

第3章 压力容器应力分析83

3.1 应力和应力分析83

3.1.1 应力和应力分类83

3.1.2 应力强度和强度极限89

3.1.3 弹性应力分析步骤92

3.1.4 EN 13445-3应力分类方法93

3.2 极限载荷设计准则94

3.2.1 纯弯矩作用单位宽度矩形截面梁94

3.2.2 拉伸和弯矩同时作用矩形截面梁95

3.2.3 截面形状系数α97

3.3 安定性设计准则98

3.3.1 安定性分析99

3.3.2 欧盟EN 13445-3安定性分析100

3.4 分析设计和应力分类101

3.4.1 ASME Ⅷ-2分析设计法102

3.4.2 应力分类方法107

3.4.3 非弹性分析的极限载荷求法112

3.5 壳体温度应力115

3.5.1 平板均匀温度场温度应力115

3.5.2 平板在非均匀温度场温度应力116

3.5.3 圆平板温度应力117

3.5.4 圆柱壳温度应力119

3.5.5 球壳温度应力计算123

3.5.6 壳体边缘处温度应力分析125

第4章 内压压力容器设计131

4.1 内压圆柱壳体131

4.2 内压球壳132

4.3 内压成形封头132

4.3.1 内压碟形封头132

4.3.2 内压椭圆形封头134

4.3.3 内压无折边球形封头136

4.4 内压圆锥形壳体137

4.4.1 内压圆锥形壳体138

4.4.2 圆锥形壳体大端139

4.4.3 圆锥形壳体小端140

4.4.4 带折边圆锥形封头141

4.5 内压平封头142

第5章 外压压力容器设计147

5.1 外压壳体稳定性147

5.1.1 壳体临界压力和稳定性148

5.1.2 外压短圆柱壳体的稳定性150

5.1.3 外压圆柱壳体临界长度计算152

5.2 外压圆柱形容器算图设计154

5.2.1 受侧向均匀外压作用圆柱壳算图155

5.2.2 外压圆柱壳算图计算步骤156

5.3 外压球形和成形封头设计161

5.3.1 外压球形封头161

5.3.2 外压成形封头计算162

5.4 外压圆锥壳设计164

5.4.1 计算法164

5.4.2 圆锥壳与圆柱壳连接处设计166

5.5 容器夹套设计169

5.5.1 夹套受力分析和壁厚计算170

5.5.2 半圆管夹套设计计算172

第6章 单层厚壁压力容器设计174

6.1 单层厚壁容器分类和设计要求174

6.2 壳体受力分析176

6.2.1 基本方程176

6.2.2 应力计算177

6.2.3 应力、压力与K值之间关系179

6.3 球壳受力分析180

6.3.1 基本方程180

6.3.2 应力计算181

6.4 厚壁容器强度计算181

6.4.1 弹性失效设计182

6.4.2 塑性失效设计183

6.4.3 爆破压力计算183

6.4.4 内压和温差同时作用强度计算184

6.5 厚壁容器设计计算187

6.5.1 圆柱壳容器设计计算187

6.5.2 球形容器设计计算188

6.5.3 ASME Ⅷ-2规范设计计算189

6.6 圆柱壳体自增强190

6.6.1 壳体自增强处理技术190

6.6.2 自增强加载过程应力和自增强当量应力191

6.6.3 自增强处理后壳体残余应力193

6.6.4 自增强容器操作时壳壁应力分布194

6.6.5 圆柱壳体最佳自增强压力和最佳自增强半径195

6.7 球壳自增强196

6.8 计算举例198

第7章 多层压力容器设计203

7.1 多层容器结构203

7.1.1 多层厚壁圆柱壳的特征和结构203

7.1.2 多层圆柱壳结构形式205

7.2 套合圆柱壳体205

7.2.1 应力分析206

7.2.2 多层套合圆柱壳的压力计算212

7.2.3 套合圆柱壳体特点213

7.2.4 多层热套圆筒自增强处理213

7.3 层板包扎圆柱壳214

7.3.1 应力分析215

7.3.2 设计计算216

7.4 多层缠绕圆柱壳218

7.4.1 钢带应力分析218

7.4.2 内圆柱壳应力分析219

7.4.3 组合圆柱壳体应力分析219

7.4.4 设计计算220

7.5 多层球形壳体220

7.5.1 应力分析221

7.5.2 壁厚计算221

7.6 多层圆柱壳体设计要求222

7.6.1 一般要求222

7.6.2 设计步骤222

7.6.3 多层容器结构设计224

7.7 设计举例225

第8章 非圆形压力容器设计227

8.1 椭圆形柱壳227

8.1.1 内压椭圆柱壳227

8.1.2 内压和体积力作用的椭圆形柱壳236

8.1.3 椭圆形壳体的设计效核239

8.2 矩形容器240

8.2.1 无支承和带加强圈矩形容器240

8.2.2 带孔的矩形柱壳244

8.2.3 加强矩形截面容器246

8.2.4 无支承容器壁板应力计算249

8.2.5 四周设置加强圈的壳体249

8.2.6 加强圈与相连壳体强度条件250

8.2.7 开孔补强限制条件251

8.2.8 稳定性条件251

8.2.9 设计举例251

第9章 压力容器非压力载荷256

9.1 球壳接管局部载荷257

9.1.1 最大许用载荷257

9.1.2 外部载荷和压力组合校核计算258

9.1.3 应力范围和应力范围组合258

9.1.4 接管纵向稳定性261

9.1.5 适用条件和计算步骤262

9.2 圆柱壳体接管局部载荷262

9.2.1 外部载荷作用262

9.2.2 外载荷和内压组合作用265

9.2.3 应力范围和应力组合265

9.2.4 接管纵向应力及强度校核266

9.2.5 设计计算步骤267

9.3 卧式鞍座局部载荷267

9.3.1 受力分析267

9.3.2 不带加强垫板时鞍座极限载荷270

9.3.3 鞍座支承系统极限载荷校核程序273

9.3.4 带加强垫板时鞍座极限载荷274

9.3.5 适用条件274

9.3.6 无需计算条件275

9.4 裙座支承局部载荷276

9.4.1 裙座结构形式276

9.4.2 作用力和力矩276

9.4.3 壳体和裙座薄膜应力和壁厚277

9.4.4 弯曲应力计算278

9.4.5 总应力和强度条件280

9.5 托座支承局部载荷282

9.5.1 托座作用力和壳体载荷282

9.5.2 托座设计适用条件285

9.6 腿式支座局部载荷285

9.6.1 支腿上作用载荷285

9.6.2 使用条件287

9.7 吊耳支承局部载荷287

9.7.1 吊耳上作用力和载荷288

9.7.2 应用范围290

9.8 设计举例290

第10章 压力容器开孔和补强设计295

10.1 壳体开孔概述295

10.2 开孔应力集中分析296

10.2.1 平板小圆孔单向拉伸应力分析296

10.2.2 小圆孔双向拉伸的应力分析298

10.2.3 平板椭圆小孔单向拉伸的应力分析298

10.2.4 圆柱壳上小椭圆孔应力分析299

10.2.5 球壳上椭圆孔边缘应力分析301

10.3 开孔补强原理301

10.3.1 补强要求及补强范围确定301

10.3.2 接管补强位置和补强形状302

10.3.3 补强设计方法303

10.4 等面积补强304

10.4.1 补强有效范围304

10.4.2 补强设计准则305

10.4.3 补强有效范围内各个元件补强面积计算306

10.4.4 多个开孔补强308

10.4.5 等面积补强限制条件308

10.4.6 补强强度路径和焊缝承载能力310

10.4.7 等面积补强计算实例310

10.5 压力面积补强法311

10.5.1 单开孔补强强度计算313

10.5.2 应力作用截面面积315

10.5.3 压力作用截面面积计算317

10.5.4 多个开孔孔带强度计算318

10.5.5 有效补强范围和开孔限制条件323

10.5.6 开孔与不连续处缝距离324

10.6 弹塑性补强326

10.6.1 弹塑性补强原理326

10.6.2 使用限制条件326

10.6.3 弹塑性补强有效范围327

10.6.4 补强所需有效面积327

第11章 压力容器法兰设计329

11.1 法兰连接结构329

11.1.1 概述329

11.1.2 法兰密封原理329

11.1.3 法兰分类330

11.1.4 法兰压紧面的型式331

11.1.5 垫片种类和材料332

11.1.6 垫片系数m和有效压紧力y334

11.1.7 垫片选择335

11.2 紧固螺栓计算337

11.2.1 螺栓载荷337

11.2.2 螺栓所需有效截面积338

11.2.3 螺栓设计载荷338

11.2.4 螺栓许用应力338

11.2.5 螺栓个数和直径339

11.2.6 螺栓设计温度340

11.3 法兰设计计算340

11.3.1 活套法兰设计341

11.3.2 整体法兰设计342

11.3.3 法兰强度校核345

11.3.4 法兰刚度校核348

11.4 中央开大圆孔法兰349

11.4.1 法兰平封头349

11.4.2 无接管大开孔平封头351

11.5 法兰凸形封头352

11.5.1 a型结构352

11.5.2 b型结构353

11.5.3 c型结构355

11.6 宽面法兰357

11.6.1 螺栓载荷和螺栓截面积357

11.6.2 法兰上的力矩357

11.7 反向窄面法兰358

11.7.1 法兰力矩359

11.7.2 法兰应力计算360

11.8 反向宽面法兰360

11.8.1 借助普通法兰设计方法设计361

11.8.2 按11.6节宽面法兰设计361

11.9 金属面接触法兰362

11.9.1 法兰形式和分类362

11.9.2 Ⅰ型法兰设计计算363

11.10 法兰极限载荷设计简介366

11.10.1 法兰极限载荷设计法的基本原理366

11.10.2 螺栓连接法兰极限载荷设计方法的限制条件367

第12章 压力容器疲劳设计368

12.1 疲劳和疲劳应力368

12.2 疲劳设计曲线371

12.2.1 疲劳寿命方程371

12.2.2 平均应力影响372

12.2.3 疲劳设计曲线375

12.3 线性累积损伤376

12.4 应力集中和应力指数377

12.4.1 应力集中系数kt377

12.4.2 疲劳强度降低系数kf377

12.4.3 开孔接管应力指数kb378

12.4.4 内压和弯矩同时作用的侧向接管的应力指数379

12.4.5 接管与壳体连接处温差应力计算381

12.5 多向应力状态结构疲劳382

12.6 疲劳设计383

12.6.1 疲劳设计的一般要求383

12.6.2 疲劳评定步骤384

12.6.3 疲劳设计载荷计数方法385

12.7 免予疲劳评定条件386

12.7.1 A条件386

12.7.2 B条件387

12.8 2007年版ASME Ⅷ-2疲劳设计方法388

12.8.1 弹性应力分析和当量应力法—疲劳评定389

12.8.2 弹性应力分析和结构应力—焊接件疲劳评定391

12.8.3 弹性应力分析疲劳设计392

12.8.4 弹塑性应力分析和当量应变—疲劳评定392

12.8.5 2007年版ASME Ⅷ-2规范疲劳设计方法比较393

12.8.6 弹性疲劳分析有效交变应力幅计算394

第13章 低温压力容器设计397

13.1 脆性断裂概述397

13.2 防脆断措施400

13.2.1 GB 150和GB 4732标准400

13.2.2 ASME Ⅷ规范401

13.2.3 断裂分析图412

13.2.4 EN13445规范防脆断措施415

第14章 压力容器断裂力学设计419

14.1 断裂力学基本概念419

14.1.1 断裂力学基本概念419

14.1.2 裂纹类型420

14.2 线弹性断裂力学420

14.2.1 裂纹尖端的应力场420

14.2.2 应力强度因子421

14.2.3 裂纹尖端塑性区及其修正425

14.2.4 断裂韧度及断裂判据427

14.2.5 应变能量释放率G与断裂韧度KIC之间关系432

14.3 弹塑性断裂力学433

14.3.1 裂纹尖端张开位移433

14.3.2 J积分法434

14.4 交变载荷裂纹扩展434

14.4.1 横幅交变载荷裂纹扩展434

14.4.2 变幅疲劳载荷作用下裂纹扩展437

14.5 断裂力学在压力容器设计中的应用438

14.5.1 圆柱壳体上穿透斜裂纹438

14.5.2 COD判据在压力壳体和高应力区的应用438

14.5.3 未爆先漏440

14.6 当量裂纹计算441

14.7 失效评定图442

14.7.1 失效评定图概述442

14.7.2 失效评定曲线442

14.7.3 失效评定曲线应用举例444

14.8 断裂力学设计举例445

第15章 压力容器高温蠕变设计446

15.1 蠕变和蠕变机理446

15.1.1 概述446

15.1.2 蠕变曲线448

15.1.3 蠕变方程449

15.2 蠕变设计准则450

15.2.1 蠕变控制准则450

15.2.2 蠕变设计基本要求451

15.3 蠕变设计方法452

15.3.1 美国ASME Ⅷ-NH蠕变设计方法452

15.3.2 ASME Ⅷ简化设计法455

15.3.3 英国R5蠕变设计和评定法457

15.3.4 欧盟EN 13445标准蠕变设计方法460

15.4 多向应力状态蠕变强度分析465

15.4.1 多向应力状态屈服条件465

15.4.2 多向应力状态下蠕变断裂应力466

15.4.3 圆柱形容器蠕变强度计算467

15.5 应力松弛469

15.5.1 应力松弛曲线469

15.5.2 螺栓应力松弛470

15.6 蠕变疲劳交互作用471

15.6.1 蠕变累积损伤De472

15.6.2 疲劳累积损伤Df474

15.7 蠕变范围焊接接头系数476

参考文献477