ASME压力容器设计 干货（一）
ASME压力容器设计 干货（一）
1 许用应力
Ⅷ-1附录P-1以及Ⅱ-D附录1详细叙述了许用应力的确定方法，现归纳总结见表1。对于大多数材料，当设计温度低于蠕变温度时，许用应力为材料有效抗拉强度的1/3.5和最小屈服强度的2/3中的较小值。大多数螺栓材料的许用应力为抗拉强度的1/5。材料的许用应力、屈服强度、抗拉强度、弹性模量等参数可在Ⅱ-D中查得。
表1 许用应力值确定准则
Favg =在等于或低于815℃，用于100000h内断裂的平均应力的乘法系数，高于815℃温度，Favg = 0.67。它是由100000h时log断裂时间对log应力曲线的斜率确定的。这样log Favg =1/n，但它不可以超过0.67。
RT =与平均温度有关的抗拉强度走向曲线值和室温下抗拉强度的比值。
RY =与平均温度有关的屈服强度走向曲线值和室温下屈服强度的比值。
SC =产生0.01%/ 1000 h蠕变率的平均应力。
SRavg =100000 h终了时发生断裂的平均应力。
SRmin =100000 h终了时发生断裂的最小应力。
ST =室温下规定的最小抗拉强度，MPa。
SY =室温下规定的最小屈服强度，MPa。
n =一个100000 h时Δlog断裂时间除以Δlog应力的负数。
NA =不适用。
2 焊接接头及系数
ASME第Ⅷ中所采用的分类是基于接头在容器上的位置而不是接头的形式。A、B、C和D焊接接头典型位置见图1所示。
图1 A、B、C和D焊接接头典型位置示意(ASMEⅧ-1)
(a) A类：主壳体、连通受压室、变径段或接管上的纵向焊接接头和螺旋形焊接接头；球壳、成型封头或平封头及平板容器的边板上的任何焊接接头；平管板上的任何焊接接头；连接球形封头与主壳体、变径段、接管或连通受压室的环向焊接接头。
(b) B类：主壳、连通受压室、接管或变径段上的环向焊接接头（包含变径段与圆柱形壳体大、小段之间的环向焊接接头）；连接成型封头（不包括球形封头）与主壳；变径段、接管或连通受压室的环向焊接接头。如果半顶角α等于或小于30°，环向接头为对接接头；当α等于或大于30°，环向接头为角接接头。
(c) C类：连接法兰、翻边搭环、管板或平封头与主壳体、成型封头、变径段、接管或连通受压室的焊接接头；连接平板容器的边板的任何焊接接头。
(d) D类：连接连通受压室或接管与主壳体、球壳、变径段、封头或平板容器的焊接接头；以及连接接管与连通受压室的焊接接头（接管在变径段小端，见B类）。
一些特殊焊接接头形式所对应的许用应力见表2。
表2 特殊零部件的许用应力
3几种典型结构的计算
3.1圆柱形及球形壳体
ASME Ⅷ-1
圆柱形壳体的最小厚度应取（1）和（2）计算出的较大的厚度。
（1）环向应力（纵向接头）。当厚度不超过内半径的1/2或P不超过0.385SE时，应采用下列计算公式：
（2）纵向应力（环向接头）。当厚度不超过内半径的1/2或P不超过0.385SE时，应采用下列计算公式：
E =焊接接头系数，圆柱形壳体及球形壳体相应接头的焊接接头系数，或是开空间的孔排削弱系数，取其较小者。
P =设计内压力。
R =所计算的壳体内半径。
S =最大许用应力值（见UG-23和UG-24中迎来极限值的规定）。
t =壳体最小需要厚度。
ts =成型后封头规定的最小厚度，ts≥t。
整体球形容器的壳体厚度不超过0.356R或P不超过0.665SE时，应采用下列公式：
ASME Ⅷ-2
圆柱形壳体的最小需要厚度应采用下式确定：
球壳或半球形封头的最小需要厚度应采用下式确定：
3.2凹面受压成型封头及锥段
ASME Ⅷ-1
ts/L≥0.002的椭圆封头。1/2短轴（封头的内深度减去直边长度）等于封头直边段内径的1/4的半椭圆形的凸形封头，其所需厚度应按下列公式计算：
转角区半径为0.17D和球面半径为0.9D的封头可近似看作2:1的椭圆形封头。
ts/L≥0.002的碟形封头。过渡半径等于球面部分内半径6%且球面部分内半径等于直边段外半径的碟形封头，其所需厚度按下式计算：
锥形封头或锥形壳体段的半锥顶角α不大于30°时，所需厚度应按下式计算：
ASME Ⅷ-2
内压锥壳的最小需要厚度应采用下式确定。
球冠区和转角区厚度相同的碟形封头——内压碟形封头最小需要厚度应采用下列程序计算：
第一步：确定内径D，并假设球冠区半径L，转角半径r和壁厚t。
第二步：计算封头L/D，r/D值，并确定比值L/t。如下述各式都予满足，则进入第三步，否则，应按照第5篇设计封头。
第三步：计算下述各几何常数：
第四步：采用下列各式，计算系数C1和C2。
第五步：计算预期在转角区引起弹性失稳的内压值。
第六步：计算会导致转角区的最大应力等于材料屈服强度时的内压值。
如设计温度时的许用应力由与时间无关的性能所决定，则C3为在设计温度时的材料屈服强度，即C3=Sy。
如涉及温度时的许用应力由与时间相关的性能所决定，则按下述确定C3。
（a）如许用应力是基于90%屈服准则所建立，则C3为材料在设计温度时的许用应力乘以1.1，即C3=1.1S。
（b）如许用应力是基于67%屈服准则所建立，则C3为材料在设计温度时的许用应力乘以1.5，即C3=1.5S。
第七步：计算预期会导致转角区失稳失效时的内压值。
其中，
第八步：基于转角区的失稳失效计算许用压力。
第九步：基于球冠区的破坏计算许用压力：
第十步：计算最大许用压力。
第十一步：如由第10步计算得的许用内压大于或等于设计压力，则设计完成。如由第10步计算的许用内压小于设计压力，则增加封头厚度并重复第2步至第10步。继续这一操作直至达到合格的设计为止。
内压椭圆封头(1.7≤k≤2.2)的最小需要厚度应采用内压锥壳最小需要厚度的计算步骤和公式，但对r和L值用下值代入。
其中
参考文献
[1] ASME SEC.VIII Div.1, 2015ED Rules for Construction of Pressure Vessels.
[2] ASME SEC.VIII Div.2, 2015ED Rules for Construction of Pressure Vessels, Alternative Rules
[3] ASME SEC. II Part D, 2015ED Materials, Proprieties (Metric)
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