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-E 14
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α 97
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y 334
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kt 377
12.4.2 疲劳强度降低系数kf 377
12.4.3 开孔接管应力指数kb 378
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De 472
15.6.2 疲劳累积损伤Df 474
15.7 蠕变范围焊接接头系数 476
参考文献 477