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文檔簡介
1、2024年3月28日星期四,第三章 反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計的理論、方法,2024年3月28日星期四,第三章,第一節(jié) 壓力容器設(shè)計規(guī)范準則第二節(jié) 反應(yīng)堆壓力容器的載荷與壓力容器的破壞形式第三節(jié) 壓力容器設(shè)計中常用的強度理論第四節(jié) 壓力容器設(shè)計中常用的薄膜理論第五節(jié) 內(nèi)壓容器的壁厚計算第六節(jié) 殼體彎曲理論與邊緣問題第七節(jié) 熱應(yīng)力概述第八節(jié) 壓力容器的應(yīng)力分類與應(yīng)力強度第九節(jié) 壓力容器的設(shè)計方法第十節(jié) 反應(yīng)
2、堆壓力容器的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計步驟,返回,結(jié)束放映,2024年3月28日星期四,第一節(jié) 壓力容器設(shè)計規(guī)范,壓力容器設(shè)計中所用的“設(shè)計”一詞,不僅意味著對構(gòu)件幾何尺寸作詳細的計算,而是一個應(yīng)與下列各點相結(jié)合的術(shù)語:即確定最可能的破壞形式的論證;所使用的應(yīng)力分析方法及其結(jié)果的含義;材料類型的選擇和它所處的環(huán)境特性等。這些理論和概念都受特定的設(shè)計規(guī)范或設(shè)計準則所制約。因此,有必要了解壓力容器設(shè)計規(guī)范。一、國家標準《鋼制壓力容器》GB150簡介
3、二、美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范簡介三、法國的RCC-M規(guī)則簡介四、壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計準則,返回,2024年3月28日星期四,一、國家標準《鋼制壓力容器》GB150簡介,國家標準《鋼制壓力容器》是由全國壓力容器標準化技術(shù)委員會在國家技術(shù)監(jiān)督局指導下制訂的。其內(nèi)容包括壓力容器板、殼元件的設(shè)計計算;壓力容器的制造、檢驗與驗收。共有十章,包括總論、材料、內(nèi)壓圓筒和內(nèi)壓球殼設(shè)計、外壓圓筒和外壓球殼設(shè)計、封頭設(shè)計、法蘭設(shè)計、臥
4、式容器設(shè)計、直立容器設(shè)計,制造、檢驗與驗收的具體要求等。這些內(nèi)容可以用于設(shè)計壓力≤35MPa 的常規(guī)壓力容器和核電廠內(nèi)不受核輻射作用的壓力容器,但是不適用于受核輻射作用和壓力>35MPa 的壓力容器設(shè)計,所以設(shè)計受核輻射作用的壓力容器,必須借用外國的有關(guān)設(shè)計規(guī)范,如國際公認規(guī)范━美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范。,返回,2024年3月28日星期四,二、美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范簡介,ASME是美國機械工程師學會(American
5、Society of Mechanical Engineers)英文縮寫。 ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范是國際公認規(guī)范。1995年版本共有Ⅺ卷,第Ⅲ卷為核動力裝置設(shè)備建造準則。第三卷中有兩冊,其中 NCA分卷為第一冊及第二冊的總要求。 第一冊為金屬部件,有6個分卷: NB分卷 一級設(shè)備; NC分卷 二級設(shè)備; ND分卷 三級設(shè)備; NE分卷 MC級設(shè)備; NF分卷 設(shè)
6、備支承件; NG分卷 堆芯支承結(jié)構(gòu); 附錄。 第二冊為混凝土反應(yīng)堆容器及安全殼規(guī)范。,返回,2024年3月28日星期四,三、法國的RCC-M規(guī)則簡介,法國核島設(shè)備設(shè)計建造規(guī)則協(xié)會(AFCEM)編制的《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》。1993年修改和補充的版本是其第四版,中譯本共分5卷6冊(原版為5卷7冊): 第Ⅰ卷 第一冊 A篇 總論; Z篇 技術(shù)性附錄。 第二冊 B
7、篇 1級設(shè)備; C篇 2級設(shè)備; D篇 3級設(shè)備。 第三冊 E篇 小型設(shè)備; G篇 反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件; H篇 支承件; J篇 低壓或常壓貯罐。 第Ⅱ卷 第四冊 M篇 材料(上):碳鋼、合金鋼。 第五冊 M篇 材料(下):不銹鋼、特殊合金及其它材料。 第Ⅲ~第Ⅴ卷 第六冊 MC篇 檢驗方法; S篇 焊接;
8、F篇 制造,下一頁,2024年3月28日星期四,三、法國的RCC-M規(guī)則簡介(2),RCC-M規(guī)則主要用于安全級機械設(shè)備。RCC-M中所給出的設(shè)計規(guī)則主要借鑒了“ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范”第Ⅲ卷核動力裝置設(shè)備(NB、NC、ND、NG、NF)各篇的有關(guān)內(nèi)容,同時吸收了法國在工業(yè)發(fā)展實踐中所取得的成果。RCC-M中所給出的制造與檢驗規(guī)則系法國本身核工業(yè)實踐經(jīng)驗的具體體現(xiàn)。RCC-M規(guī)則用于法國出口技術(shù)的承諾。,返回,2024年3月28日
9、星期四,四、壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計準則,一、總的準則二、載荷準則三、結(jié)構(gòu)材料準則四、結(jié)構(gòu)設(shè)計準則,返回,2024年3月28日星期四,一、總的準則,1.規(guī)范與標準 (1)反應(yīng)堆壓力容器是反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分,其設(shè)計、制造、安裝及試驗應(yīng)符合HAF0201規(guī)定的安全功能。按EJ 313規(guī)定,其安全等級為一級、質(zhì)量要求為核級、設(shè)備等級為規(guī)范一級、抗震要求為抗震Ⅰ類。 (2)應(yīng)首先采用國家核安全局認可的
10、規(guī)范、標準和計算機程序進行設(shè)計。 2.質(zhì)量與記錄 (1)必須按HAF0400及相關(guān)要求HAF0406編制和執(zhí)行反應(yīng)堆壓力容器的質(zhì)量保證大綱和建立質(zhì)保體系,以確保反應(yīng)堆壓力容器達到預期的最高質(zhì)量。 (2)反應(yīng)堆壓力容器的設(shè)計、制造、安裝及試驗的相關(guān)記錄和(或)文件匯編必須滿足HAF0402要求,并由核設(shè)施營運單位在其整個壽期內(nèi)保存和管理。,下一頁,2024年3月28日星期四,一、總的準則(2),3.設(shè)計與性能(1)反應(yīng)
11、堆壓力容器的設(shè)計必須防止其發(fā)生破裂,并具有足夠的安全裕度,以保證在規(guī)定的各類運行、維護、試驗及受到事故工況下的系統(tǒng)動態(tài)載荷時,反應(yīng)堆壓力容器處于非脆性狀態(tài)且快速擴展斷裂的概率最小。(2)反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計必須考慮在規(guī)定的各類運行、維護、試驗及假想事故狀態(tài)下實際溫度及有關(guān)因素對其影響和作用。在確定材料性能、輻照對材料性能的影響、殘余、穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)應(yīng)力、缺限大小以及腐蝕等方面時,必須考慮不確定性,留有裕度。,下一頁,2024年3月28日星期
12、四,一、總的準則(3),4.檢查與監(jiān)測(1)反應(yīng)堆壓力容器應(yīng)設(shè)計成能允許定期檢查和試驗,以評價其結(jié)構(gòu)和密封完整性。(2)應(yīng)為反應(yīng)堆壓力容器制定一份材料輻照監(jiān)督大綱及設(shè)置相應(yīng)的材料輻照監(jiān)督裝置(如材料輻照監(jiān)督盒),以監(jiān)測其材料參考溫度(RTNDT)等的變化。(3)應(yīng)為反應(yīng)堆壓力容器設(shè)置反應(yīng)堆冷卻劑泄漏、水位等監(jiān)測儀表或裝置提供合適的構(gòu)件和接頭,特別應(yīng)為法蘭密封設(shè)置泄漏監(jiān)測、報警和排放系統(tǒng)。5.設(shè)計資格 反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計資
13、格認證應(yīng)按HAF0900執(zhí)行。,返回,2024年3月28日星期四,二、載荷準則,1.載荷 (1)反應(yīng)堆壓力容器的設(shè)計、分析和計算,必須考慮正常運行、預計運行事件,以及事故工況下的機械載荷、熱載荷、腐蝕、浸蝕及輻照等作用,并予以確定和進行評價。 (2)機械載荷和熱載荷至少應(yīng)包括下列因素: 1)由反應(yīng)堆冷卻劑產(chǎn)生的載荷因素,如壓力、壓差、溫度及其變化、流動、振動等。 2)由反應(yīng)堆壓力容器自身及內(nèi)容物產(chǎn)生的載荷
14、,如反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、燃料組件等自重、預緊力等。 3)由鄰近設(shè)備或部件產(chǎn)生的載荷因素,如由于熱澎脹壁厚受到約束或泵振動產(chǎn)生的管道作用、控制棒驅(qū)動機構(gòu)快插動作,以及堆內(nèi)構(gòu)件等的作用。 4)由周圍環(huán)境及設(shè)備支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷因素,如地震引起的反應(yīng)堆壓力容器相對的支承點位移及振動。,下一頁,2024年3月28日星期四,二、載荷準則(2),5)由γ等輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng),如反應(yīng)堆容器壁因吸收 輻射而產(chǎn)生的內(nèi)熱源。6)在反
15、應(yīng)堆容器堆芯附近區(qū)域,因快中子(≥1Me V)輻照而產(chǎn)生的材料輻照脆化,應(yīng)予以特殊考慮。(3)由機械載荷和熱載荷產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變,均應(yīng)按本標準規(guī)定在結(jié)構(gòu)性能分析時予以確定并加以評價。2.載荷組合 載荷組合是指核電廠一回路正常、異常、緊急及事故工況中不同載荷組合或者與規(guī)定地震事件聯(lián)系在一起的那些載荷或者它們的組合。這些載荷因素來自正常、異常、緊急及事故工況各種事件瞬態(tài)及規(guī)定的地震大小。對每一種工況應(yīng)予評定的特定瞬態(tài)或事件應(yīng)在設(shè)計任
16、務(wù)書中規(guī)定。然而,通常應(yīng)予考慮的載荷組合只是核電廠一回路每種工況和規(guī)定地震事件中最不利的那些事件瞬態(tài),因為只有這些載荷組合才能導致限制或控制反應(yīng)堆壓力容器的完整性。,返回,2024年3月28日星期四,三、結(jié)構(gòu)材料準則,1.用于反應(yīng)堆壓力容器的材料通常應(yīng)為錳-鎳-鉬系列的細晶粒低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金及其制品,并參照GB/T15443 執(zhí)行。2.應(yīng)按材料預定的用途、運行狀態(tài)承受的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、化學腐蝕及中子輻照損傷等使用條件
17、,以及制造工藝要求選擇結(jié)構(gòu)材料。3.對選用的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)根據(jù)使用條件及工藝要求對材料運行評價。這種評價應(yīng)由主管部門組織進行,并以文件形式提供評價或認可的充分依據(jù)。若進行焊接,則必須對焊接性能進行評價和驗證,并以文件形式對評價或認可提供充分依據(jù)。4.采用在原評價中沒有考慮的新工藝時,則對這些新工藝與原評價中包含的工藝的等效性必須予以證實,這種證實應(yīng)由原主管部門或部門授權(quán)或認可的組織或?qū)<姨峁┑难a充評價文件為依據(jù)。,下一頁,2024年3月
18、28日星期四,三、結(jié)構(gòu)材料準則(2),5.焊接材料和焊接消耗品必須由主管部門組織評價,并以文件形式提供評價或認可的充分依據(jù)。6.用于反應(yīng)堆容器堆芯段筒體的鐵素體低合金鋼材料的參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度(RTNDT)一般應(yīng)低于-12℃,RTNDT 按GB/T15443 附錄A確定。7.對鐵素體低合金鋼材料的快中子輻照脆化敏感性,當沒有足夠的快中子輻照脆化效應(yīng)的輻照數(shù)據(jù)時,應(yīng)按附錄A(補充件)進行預測和限制。,返回,2024年3月28日星期四,
19、四、結(jié)構(gòu)設(shè)計準則,1.總則 反應(yīng)堆壓力容器除應(yīng)滿足功能要求外,其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足規(guī)定的應(yīng)力及變形,選材、制造和試驗合理,檢驗、維護方便。2.連接結(jié)構(gòu)要素 (1)各構(gòu)件的連接應(yīng)盡可能設(shè)計成在縱向截面上有相同厚度和曲率的同軸旋轉(zhuǎn)殼體連接。 (2)對構(gòu)件的不等厚連接應(yīng)使兩構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)軸線重合,或中面無突變或彎折過渡。 (3)不等厚構(gòu)件的連接應(yīng)采用適當?shù)男倍然驁A角半徑過渡,以使兩構(gòu)件變形協(xié)調(diào)。,下一頁,2024年3月28日星期四,四、結(jié)構(gòu)設(shè)
20、計準則(2),3.連接焊接(1)盡可能大型構(gòu)件以減少焊縫。(2)壓力邊界承壓焊縫應(yīng)為全焊透焊縫。(3)焊縫應(yīng)盡量避開高應(yīng)力區(qū)和快中子強輻照區(qū),并有足夠的距離。(4)在確定焊縫位置與各構(gòu)件空間位置相互關(guān)系時,應(yīng)保證施焊方便和檢驗的可達性及可檢驗性。4.冷卻劑接管連接結(jié)構(gòu)(1)接管的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)符合采用的法規(guī)或設(shè)計規(guī)格書規(guī)定,它的幾何尺寸(橫截面形狀、過渡半徑)應(yīng)使應(yīng)力的分布與大小合理。(2)接管軸線應(yīng)垂直或盡可能垂直殼體壁厚中
21、面,偏差應(yīng)盡可能小。(3)接管的布置不應(yīng)位于有其它局部峰值應(yīng)力的過渡區(qū)內(nèi)。(4)接管與殼體的連接應(yīng)采用全焊透焊縫連接,并滿足無損檢驗規(guī)定要求。,下一頁,2024年3月28日星期四,四、結(jié)構(gòu)設(shè)計準則(3),5.控制棒驅(qū)動機構(gòu)管座等連接結(jié)構(gòu)(1)可采用冷裝過盈配合或螺紋連接,并應(yīng)滿足規(guī)定的載荷和驅(qū)動線對中要求。(2)在采用冷裝過盈配合或螺紋連接時應(yīng)附加一道密封焊縫。(3)其布置、數(shù)量及尺寸應(yīng)滿足堆物理、熱工、結(jié)構(gòu)與工藝性要求。6
22、.法蘭-螺栓連接結(jié)構(gòu)(1)法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其應(yīng)使上下法蘭的剛度匹配,盡可能減少密封元件處的軸向分離量及徑向相對位移,以保證密封性要求。(2)在確定螺栓布置、數(shù)量和大小時應(yīng)使密封力分布均勻、裝拆及重復檢驗方便。(3)在設(shè)計螺栓大小時,應(yīng)將其作為承壓法蘭的傳力連接件,將螺栓設(shè)計成彈性螺栓。,下一頁,2024年3月28日星期四,四、結(jié)構(gòu)設(shè)計準則(4),(4)密封元件的設(shè)計應(yīng)考慮到密封元件材料與法蘭密封面及一回路冷卻劑的化學相容性、密封性能
23、的穩(wěn)定性及密封元件的裝拆方便。(5)密封面應(yīng)根據(jù)密封性、裝拆及檢驗要求進行設(shè)計。(6)法蘭-螺栓連接設(shè)計應(yīng)考慮一旦發(fā)生泄漏時的探測和排漏要求。7.支承結(jié)構(gòu)(1)可以采用接管、容器法蘭及焊接到容器上的單支承結(jié)構(gòu)(如耳式支座、接管整體支承),亦可以采用旋轉(zhuǎn)對稱支承結(jié)構(gòu)(如支承圓筒)作為反應(yīng)堆壓力容器支承結(jié)構(gòu)。(2)支承結(jié)構(gòu)與容器的焊接應(yīng)采用全焊透焊縫。,下一頁,2024年3月28日星期四,四、結(jié)構(gòu)設(shè)計準則(5),8.導向定位結(jié)構(gòu)
24、 (1)安裝反應(yīng)堆壓力容器的頂蓋時應(yīng)有導向及就位后的精確定位結(jié)構(gòu),其構(gòu)件裝拆時應(yīng)不損傷其它構(gòu)件,便于裝配及調(diào)整,以滿足規(guī)定的頂蓋與反應(yīng)堆容器的同軸度要求。 (2)反應(yīng)堆壓力容器堆內(nèi)構(gòu)件的支承和定位結(jié)構(gòu),允許堆內(nèi)構(gòu)件相對軸向和徑向位移,便于裝配和調(diào)整,以滿足規(guī)定的堆內(nèi)構(gòu)件與反應(yīng)堆容器的同軸度要求。,返回,2024年3月28日星期四,第二節(jié) 反應(yīng)堆壓力容器的載荷與其破壞形式,在設(shè)計反應(yīng)堆壓力容器之前,除了學習其設(shè)計規(guī)范和設(shè)計
25、準則之外,還必須了解其所承受的各種載荷和其破壞形式。一、反應(yīng)堆壓力容器的載荷二、壓力容器破壞形式,返回,2024年3月28日星期四,一、反應(yīng)堆壓力容器的載荷,1.設(shè)計載荷《ASME規(guī)范》第Ⅲ卷規(guī)定,反應(yīng)堆壓力容器屬于安全一級設(shè)備,它的設(shè)計載荷應(yīng)該按照設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、設(shè)計機械載荷以及規(guī)范中的某些附加要求來確定。(1)設(shè)計壓力(2)設(shè)計溫度(3)設(shè)計機械載荷2.使用載荷3.試驗載荷,返回,2024年3月28日星期四,(1
26、)設(shè)計壓力,設(shè)計壓力系指在相應(yīng)的設(shè)計溫度下用以確定壓力容器不同部位(如筒體、封頭等)的最小壁厚的壓力。規(guī)范指出,容器內(nèi)部和外部的設(shè)計壓力應(yīng)不小于產(chǎn)品內(nèi)部和外部的最大壓差,或者不小于一個組合設(shè)備的任何兩個腔室的最大壓差。這種壓差是存在于A級使用限制(對所有A級使用載荷都適用的一組極限值)所適用的最嚴重的載荷之下。設(shè)計壓力還應(yīng)包括允許的壓力波動在內(nèi)的核反應(yīng)堆最高正常運行壓力。一般情況下,設(shè)計壓力取略高于容器的最高工作壓力。所謂最高工作壓力是
27、指容器在工作中可能產(chǎn)生的最高表壓力??紤]到安全裝置泄壓滯后和誤差,設(shè)計壓力ps(MPa )為最高工作壓力的1.1~1.25倍。對于裝有液體的容器,計算各部分壁厚時,應(yīng)將上述設(shè)計壓力再加上容器在該截面處所受到的液柱靜壓力。,返回,2024年3月28日星期四,(2)設(shè)計溫度,設(shè)計溫度系指反應(yīng)堆壓力容器操作與運行過程中,在相應(yīng)的設(shè)計壓力下,器壁金屬可能達到的最高溫度或最低溫度(只在≤-20℃才考慮最低溫度)。當容器各部位在運行過程中,可能產(chǎn)
28、生不同的溫度時,可取預計的不同溫度作為各相應(yīng)部分的設(shè)計溫度。設(shè)計溫度不同,材料的許用應(yīng)力不同,設(shè)計壁厚也不同。,返回,2024年3月28日星期四,(3)設(shè)計機械載荷,設(shè)計機械載荷是A級使用極限規(guī)定的綜合作用的組合載荷。它包括內(nèi)壓、螺栓力、彈簧力、接管載荷、設(shè)備及其內(nèi)容物的靜重以及控制棒正常升降時等因素引起的載荷。總之,設(shè)計載荷是反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計中的最主要載荷,其中又以設(shè)計壓力為最重要。,返回,2024年3月28日星期四,2.使用載荷
29、,使用載荷即運行載荷。運行載荷主要是指反應(yīng)堆內(nèi)冷卻劑的壓力及其變化,冷卻劑的溫度及其變化所產(chǎn)生的載荷;冷卻劑流動引起的振動、泵閥傳遞的機械振動,堆芯斷裂跌落時對反應(yīng)堆容器底封頭施加的沖擊載荷;由于熱膨脹、熱的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)所引起的載荷等。,返回,2024年3月28日星期四,3.試驗載荷,反應(yīng)堆壓力容器加工制造完成后必須作水壓試驗和其它考核檢驗。其試驗壓力比運行壓力要大50%。此外還要考慮地震的影響。,返回,2024年3月28日星期四,二、壓
30、力容器破壞形式,壓力容器及其零部件在使用過程中破壞的形式主要有以下幾種:韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞、蠕變和腐蝕等。這些破壞的原因與制造材料有著密切關(guān)系。1.韌性斷裂2.脆性斷裂3.疲勞及疲勞斷裂4.蠕變5.腐蝕,返回,2024年3月28日星期四,1.韌性斷裂,對于韌性材料制造的壓力容器,在內(nèi)壓作用下器壁應(yīng)力超過材料屈服點時,器壁材料就會發(fā)生塑性變形。隨著壓力不斷增加會產(chǎn)生明顯的宏觀變形,當器壁中的應(yīng)力超過材料的抗拉強度之后,容器
31、發(fā)生斷裂破壞,這種破壞形式稱為韌性斷裂。防止發(fā)生韌性斷裂,主要是要保證材料中的一次薄膜應(yīng)力強度Pm 和它與一次彎曲應(yīng)力之和(Pm+Pb)不超過規(guī)定的數(shù)值。正確設(shè)計和合理使用的壓力容器一般是不會發(fā)生韌性斷裂的。,返回,2024年3月28日星期四,2.脆性斷裂,在壓力作用下,壓力容器器壁材料沒有發(fā)生明顯的宏觀塑性變形,且應(yīng)力遠遠沒有達到材料的抗拉強度,甚至有時還低于屈服點而發(fā)生突然斷裂,這種破壞形式稱為脆性斷裂。容器的脆性斷裂往往是由于材料
32、內(nèi)部存在缺陷,材料韌性差或是低溫韌性下降而造成的。通常制造壓力容器的鋼材在使用溫度下其塑性是很好的。但是當溫度降低到一定程度時(常溫或更低的溫度)則顯示出脆性,即在發(fā)生斷裂之前沒有明顯的變形。這種使材料由塑性轉(zhuǎn)變成脆性的溫度稱為“脆性轉(zhuǎn)變溫度”。應(yīng)該特別指出,反應(yīng)堆壓力容器是在強烈的中子輻照下工作的。這種輻照會使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。輻照中子注量越大,轉(zhuǎn)變溫度升高得越多,從而使在較高的溫度下也可能發(fā)生脆性斷裂。,返回,2024年3月28日星
33、期四,3.疲勞及疲勞斷裂,疲勞是壓力容器長期受到交變載荷作用而出現(xiàn)的一種破壞形式。壓力容器的疲勞多數(shù)由低周高應(yīng)力載荷所引起的,即局部應(yīng)力接近或高于材料的屈服點,但載荷的交變次數(shù)卻比較低(常在105 以下)。產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因主要有以下幾種:(1)運行壓力的變化,波動或頻繁的間歇式操作;(2)周期性的溫度梯度; (3)在容器及其部件的變形受到限制時,由于溫度變化而引起交變的熱應(yīng)力;(4)強迫振動;(5)外載荷的變化。 容
34、器發(fā)生低周疲勞斷裂時,不管材料是處于韌性狀態(tài)還是脆性狀態(tài),一般都不產(chǎn)生明顯的塑性變形。疲勞斷裂比脆性斷裂要慢得多。,下一頁,2024年3月28日星期四,3.疲勞及疲勞斷裂(2),重復載荷導致的交變應(yīng)力會使已存在的小裂紋出現(xiàn)輕微的開裂現(xiàn)象,使得裂紋逐漸地擴展而穿過整個構(gòu)件,直到造成斷裂。這種斷裂稱為疲勞斷裂。在重復的載荷作用下,即使材料中不存在裂紋也會產(chǎn)生進行性斷裂。材料的表面凹坑、刻痕、夾渣等不規(guī)則性缺陷都可能成為裂紋的起點。進行性斷裂
35、會在屈服小或不發(fā)生屈服的情況下造成大而突然的斷裂,是特別危險的斷裂方式。當材料的塑性降低時,進行性斷裂的可能性明顯地增加。中子輻照會引起金屬脆化。所以研究疲勞特性對反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計有重要意義。,下一頁,在工程設(shè)計中,通常采用疲勞曲線進行設(shè)計。典型的高循環(huán)疲勞曲線如下圖所示,,2024年3月28日星期四,3.疲勞斷裂(3),它可由實驗得出。由曲線可以看出,導致斷裂的交變應(yīng)力幅度σa 最初隨應(yīng)力交變次數(shù)N急劇下降,而后漸趨水平線,相應(yīng)于這
36、一漸近線的應(yīng)力稱為材料的持久強度極限,記作σD 。如果施加的應(yīng)力低于這個數(shù)值,則無論交變應(yīng)力循環(huán)多少次,材料也不會發(fā)生疲勞斷裂。在高循環(huán)區(qū)域中,σD是金屬疲勞性能的特征,故可用來作為設(shè)計的依據(jù)。對于低強度和中強度鋼來說,持久極限一般為拉伸極限強度的40%~50%,對于高強度鋼和有色金屬,百分比要低一些。 從上圖曲線左部可以看到,循環(huán)次數(shù)小于105 的疲勞強度都比持久極限要高,因而在低循環(huán)區(qū)也用持久極限作為設(shè)計基礎(chǔ)是不合理的。這時最好借
37、助于低循環(huán)疲勞極限。在低循環(huán)疲勞時,應(yīng)力值往往高于材料的屈服強度,因而引起破壞時應(yīng)變值比屈服應(yīng)變值要大,這是與高循環(huán)疲勞的不同點。,下一頁,2024年3月28日星期四,3.疲勞斷裂(4),左圖為低碳鋼和低合金鋼的低循環(huán)疲勞曲線。該圖的縱坐標Sa “是虛擬交變應(yīng)力幅度”,它是假定材料的總應(yīng)變范圍εt 全部為彈性應(yīng)變時的交變應(yīng)力幅度。由于實際上存在塑性應(yīng)變,所以此應(yīng)力幅度是虛擬的。若材料的彈性模量為E,則虛擬交變應(yīng)力幅度定義為Sa =0.5
38、Eεt ,即交變應(yīng)力起伏的總幅度為2 Sa 。利用疲勞曲線,便可以求得規(guī)定循環(huán)次數(shù)時的許用交變應(yīng)力幅度。圖4-3是示意性的,在進行設(shè)計時,應(yīng)結(jié)合具體使用的材料型號查出相應(yīng)的疲勞曲線。,返回,2024年3月28日星期四,4.蠕變,蠕變是材料長期在恒溫、恒載荷作用下(即使應(yīng)力低于屈服點)產(chǎn)生的緩慢而連續(xù)的塑性變形。通常只有在溫度高于0.3 Tm (以絕對溫標表示的材料熔點)時蠕變才比較明顯,所以壓力容器的蠕變斷裂不常見。但是個別零部件的蠕變
39、斷裂是時有發(fā)生的。 在高溫下加上載荷,許多材料都會發(fā)生緩慢的連續(xù)變形,如圖4-1所示。材料的這種性質(zhì)稱為蠕變。在恒定應(yīng)力和溫度下,蠕變速率在長期內(nèi)大致保持不變,而達到某一變形量時變形速率增加,隨后會發(fā)生破裂。,下一頁,2024年3月28日星期四,4.蠕變(2),為了確保安全,要求材料的持續(xù)應(yīng)力不得超過蠕變極限。所謂蠕變極限,是指在運行溫度下,在給定時間內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變量不超過某個特定值時(例如經(jīng)100000h 的蠕變應(yīng)變?yōu)? %)所
40、承受的應(yīng)力。通常在鋼材的使用溫度達到25%~35%的熔點溫度以上時,蠕變的效果會顯示出來,對工作在這一溫度范圍的部件,在設(shè)計時應(yīng)該考慮蠕變極限的限制。鋯合金的蠕變極限很低,在燃料元件設(shè)計中,蠕變極限是主要的考慮因素之一。,返回,2024年3月28日星期四,,金屬在拉伸作用下的蠕變,返回,,2024年3月28日星期四,5.腐蝕,常見的腐蝕破壞類型有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、氫腐蝕和腐蝕疲勞等。其中最常見而又最危險的是應(yīng)力腐蝕開裂,它是容器器
41、壁材料在特定的腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力共同作用下引起的。材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕時,腐蝕與應(yīng)力相互促進,開始表面形成微裂紋,繼而裂紋向材料內(nèi)部縱深擴展。引起應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力來源可以是外加的(容器操作運行時的工作應(yīng)力、熱應(yīng)力等),也可以是容器制造的殘余應(yīng)力(焊接、冷加工及安裝時的固定殘余應(yīng)力等)。例如蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水中存在許多雜質(zhì),而傳熱管與管板連接的根部,雜質(zhì)濃度最高,且應(yīng)力很大,此處容易于產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。,返回,2024年3月28日星期四,第三節(jié) 壓
42、力容器設(shè)計中常用的強度理論,當已知材料的拉申(或壓縮性能時,預測結(jié)構(gòu)在復合應(yīng)力狀態(tài)下如何發(fā)生破壞的理論,稱為強度理論。換句話說,強度理論就是描述材料破壞規(guī)律的學說。又因為此處所說的破壞并非指容器破裂,而是泛指容器失去正常工作能力,即“失效”,故又稱為“失效準則”或“失效判據(jù)”。常用的理論有:最大主應(yīng)力理論、最大剪應(yīng)力理論和最大畸變能理論。壓力容器中各點的受力,大都是二向應(yīng)力或三向應(yīng)力狀態(tài)。如圖所示。,返回,2024年3月28日星期四
43、,壓力容器中各點的受力,返回,最大主應(yīng)力理論,這一理論認為,當最大(或最小) 主應(yīng)力超過拉伸(或壓縮)屈服極限時,材料將由于屈服而失效。應(yīng)用最大主應(yīng)力理論于實際構(gòu)件的強度計算,得相應(yīng)的強度條件為:或 式中: —材料屈服極限; [σ] —單向拉伸(壓縮)許用應(yīng)力,MPa; n — 安全系數(shù)。,返回,2024年3月28日星期四,這一理論認為,當材料中最大剪應(yīng)
44、力超過簡單拉伸試驗屈服時的最大剪應(yīng)力 時,材料將開始發(fā)生屈服。按照這一理論,材料的屈服條件為:而二向應(yīng)力下,有 三向應(yīng)力下,有:所以相應(yīng)的強度條件為:,最大剪應(yīng)力理論,返回,2024年3月28日星期四,最大畸變能理論,本理論認為,物體的任意位置處于組合應(yīng)力狀態(tài)下的單位體積,當其畸變能等于單向拉伸屈服極限時的畸變能時,材料將由于屈服而失效。用主應(yīng)力來表示,有:相應(yīng)的強度條件為: 平面
45、應(yīng)力狀態(tài)下,σ3=0,相應(yīng)的強度條件為:,返回,2024年3月28日星期四,第四節(jié) 壓力容器設(shè)計中常用的薄膜理論,壓力容器是由圓筒形、球形、橢圓形、圓錐形和碟形等回轉(zhuǎn)殼體組成的容器。根據(jù)容器的外徑Dou與內(nèi)徑Di的比值k的大小,可把壓力容器分為薄壁容器和厚壁容器兩種。K<1.2的容器稱為薄壁容器。工程上所用薄壁容器,其主體大多是圓柱形筒體,即通稱的“薄壁圓筒”,其內(nèi)壓應(yīng)力如圖所示。一、薄壁圓筒的受力分析二、回轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力分析
46、三、薄膜理論的應(yīng)用,返回,2024年3月28日星期四,薄壁圓筒在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力,返回,2024年3月28日星期四,一、薄壁圓筒的受力分析,薄壁圓筒在內(nèi)壓力p的作用下,其上任意一點將產(chǎn)生兩個方向的應(yīng)力:一是由于圓筒兩端拉力所產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力,稱為“軸向應(yīng)力”或“經(jīng)向應(yīng)力”用σx表示。二是由于圓筒均勻向外膨脹,在圓周切線方向所產(chǎn)生的拉應(yīng)力,稱為“切向應(yīng)力”或“環(huán)向應(yīng)力”,用σθ表示。除了這兩者之外,器壁還存在著徑向應(yīng)力,但相對較小,
47、可不予考慮。,返回,2024年3月28日星期四,其中Px為作用在封頭上的總壓力,Nx為作用在截面上的內(nèi)力,即軸向力。不管封頭形狀如何,均有:而所以,薄膜理論實質(zhì)上是靜力平衡理論。為了求得軸向應(yīng)力,常用截面法。即用一垂直于軸線的假想截面,將圓筒分成兩部分,得如圖所示的平衡體。由平衡條件得:,軸向應(yīng)力計算,返回,或,2024年3月28日星期四,如圖3-3,根據(jù)y方向的平衡條件,有:其中Py為內(nèi)壓p在y軸上投影之和,其值為
48、 承受環(huán)向應(yīng)力σθ的長度為L的圓筒縱截面積為2tL,所以縱截面上的內(nèi)力則環(huán)向應(yīng)力,環(huán)向應(yīng)力計算,返回,2024年3月28日星期四,薄壁圓筒軸向應(yīng)力計算圖,返回,2024年3月28日星期四,薄壁圓筒環(huán)向應(yīng)力計算圖,返回,2024年3月28日星期四,二、回轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力分析,1.回轉(zhuǎn)體的幾何概念2.回轉(zhuǎn)殼體應(yīng)力的初步分析3.經(jīng)向應(yīng)力分析4.環(huán)向應(yīng)力分析,返回,2024年3月28日星期四,1、回轉(zhuǎn)體的幾何概念,所謂回轉(zhuǎn)殼
49、體,系指殼體的中面是由一根平面曲線繞一根固定軸在空間旋轉(zhuǎn)360°而成的。,返回,2024年3月28日星期四,2、回轉(zhuǎn)殼體應(yīng)力的初步分析,圖3-4是由曲線AB繞AO軸旋轉(zhuǎn)而成的。AB為母線。若過軸作一截面與殼體曲面相交得到一交線,稱為“經(jīng)線“,它與母線相似。如果作一圓錐面與殼體曲面相正交,得到的交線叫“緯線“。,下一頁,2024年3月28日星期四,回轉(zhuǎn)殼體承受內(nèi)壓以后,其經(jīng)線和緯線方向都要發(fā)生伸長變形,因而在經(jīng)線方向產(chǎn)生經(jīng)向應(yīng)力
50、,用 σx表示;在緯線方向產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力,仍用σθ表示。由于軸對稱關(guān)系,在同一緯線上各點的經(jīng)向應(yīng)力均相等,環(huán)向應(yīng)力亦如此。但是在不同的緯線上二者均不等。,返回,2024年3月28日星期四,3、經(jīng)向應(yīng)力分析,為了求得任意緯線上的經(jīng)向應(yīng)力,用一個與殼體表面正交的圓錐面作假想截面,其立體圖如圖3-5所示。該圓錐面的母線OC叫回轉(zhuǎn)殼體曲面在該緯線上的第二主曲率半徑,用ρ2表示,如圖3-5和3-6所示。 圓錐面將殼體分成兩部分,考慮其中任一部分
51、的平衡,用圖3-5(c)作力學模型,得Y方向的平衡方程:,下一頁,2024年3月28日星期四,3.經(jīng)向應(yīng)力分析,下一頁,2024年3月28日星期四,3.經(jīng)向應(yīng)力分析,下一頁,2024年3月28日星期四,3.經(jīng)向應(yīng)力分析,返回,2024年3月28日星期四,確定第二主曲率半徑的方法,返回,2024年3月28日星期四,4、環(huán)向應(yīng)力分析,確定了經(jīng)向應(yīng)力后,可從殼體中截取一小單元體來研究,如圖4-13所示,用截得的小單元體作力學模型,如圖4-14
52、所示,即可求得環(huán)向應(yīng)力。,下一頁,2024年3月28日星期四,下一頁,法線n方向上的平衡條件為:,上一頁,2024年3月28日星期四,,平衡方程中的各力如下:,下一頁,上一頁,2024年3月28日星期四,若母線之曲線方程為 y=y(x), 則,平衡方程變?yōu)椋?返回,2024年3月28日星期四,三、薄膜理論的應(yīng)用,1、圓柱殼 2、球殼 3、橢球殼(橢球封頭) 4、錐形殼(錐形封頭),返回,2024年3月28日星期四,1、圓柱殼
53、(1)求軸向應(yīng)力用ρ2等于D/2代入式(3-7)得,(2)求環(huán)向應(yīng)力根據(jù)式(3-8) 可求出環(huán)向應(yīng)力,返回,2024年3月28日星期四,2、球殼 從圖(4-15)看出,球殼曲面任一點的第一與第二主曲率半徑均等于球殼的半徑 D/2由式(3-7)和(3-8)得,返回,2024年3月28日星期四,返回,2024年3月28日星期四,3、橢球殼 由橢圓曲線方程,可解得第一主曲率半徑,下一頁,2
54、024年3月28日星期四,第二主曲率半徑可從圖(4-16)中的幾何尺寸求得,應(yīng)力計算:將分別代入式(3-7)、(3-8)得,上一頁,下一頁,2024年3月28日星期四,返回,2024年3月28日星期四,返回,2024年3月28日星期四,4、錐形殼(錐形封頭),α α H
55、 h D 錐形殼示意圖(內(nèi)壓為P,壁厚為t),,,,,,,,,,,,,,,,下一頁,2024年3月28日星期四,4、錐形殼(錐形封頭),α α
56、 H r ρ2 h D錐形殼應(yīng)力分析示意圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,下一頁,2024年3月28日星期四,4
57、、錐形殼(錐形封頭),可解得錐底各點(r=D/2)的應(yīng)力,返回,2024年3月28日星期四,第五節(jié) 內(nèi)壓容器的壁厚計算,一、薄壁圓筒的壁厚計算二、球殼或球封頭的壁厚計算三、橢球封頭的壁厚計算四、平封頭的板厚計算五、厚壁容器的應(yīng)力分析與壁厚計算,返回,2024年3月28日星期四,一、薄壁圓筒的壁厚計算,根據(jù)薄膜理論,薄壁圓筒在受均勻內(nèi)壓時,筒壁所產(chǎn)生的應(yīng)力屬于兩向應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力的數(shù)值分別為,代入最大主應(yīng)力理論的強度條件得:,式
58、中:,-設(shè)計溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力MPa,下一頁,2024年3月28日星期四,如果給定內(nèi)徑,用 D=Di+t 代入上式得:,D — 圓筒的平均直徑;,工程實際中,考慮焊縫處可能存在氣孔、夾渣等缺陷以及焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大等造成的強度削弱,引進焊縫系數(shù),通常;考慮到工藝介質(zhì)的腐蝕等影響,壁厚還要增加一個附加量C,最后的圓筒實際壁厚計算公式(最大主應(yīng)力理論)為:,—圓筒的理論壁厚,下一頁,2024年3月28日星期四,給定內(nèi)徑,且?。河米?/p>
59、大剪應(yīng)力理論即第三強度理論計算得:,給定內(nèi)徑,且?。河玫谒膹姸壤碚撚嬎愕茫?在工程設(shè)計中,以Di作為容器的公稱直徑,以Dou作為管道的公稱直徑。,返回,2024年3月28日星期四,二、球殼或球封頭的壁厚計算,由于承受內(nèi)壓的球殼,其經(jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力相等,即:故用第一或第三強度理論計算理論壁厚是一樣的:,返回,2024年3月28日星期四,三、橢球封頭的壁厚計算(1),前面已經(jīng)分析,對于 a/b=2的標準橢球計封頭,其頂點應(yīng)力最
60、大,且該點的經(jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力相等,令a=D/2,有:該點的主應(yīng)力為:代入第三強度理論,解得理論壁厚為:,下一頁,2024年3月28日星期四,三、橢球封頭的壁厚計算(2),對于 a/b 不等于2的橢球封頭,其壁厚計算公式為:式中k為形狀系數(shù),hi為橢球短軸的內(nèi)半徑。我國推薦a/b=2為標準橢球形封頭的比值。,返回,2024年3月28日星期四,四、平封頭的板厚計算,平封頭是各種封頭中結(jié)構(gòu)最簡單的一種。當容器
61、直徑和所受壓力不大時,用平封頭很經(jīng)濟,且簡便易造。但當容器直徑和所受壓力較高時,平封頭中產(chǎn)生的應(yīng)力很大,若仍采用平封頭,就顯得很笨重。 壓力容器用平封頭者,多是可拆的螺栓連接。圓形平板板厚設(shè)計公式為:,返回,2024年3月28日星期四,五、厚壁容器的應(yīng)力分析與壁厚計算,1、厚壁容器的應(yīng)力分析若 , 則是厚壁容器。 厚壁容器承受內(nèi)壓或外壓后,由于各層材料變
62、形的相互約束和限制,在徑向也產(chǎn)生了應(yīng)力σr,稱為徑向應(yīng)力。該應(yīng)力沿壁厚方向非均勻分布。當厚壁容器承受內(nèi)壓或外壓時,將產(chǎn)生三個應(yīng)力分量,其分布如圖(3-15)所示。,下一頁,2024年3月28日星期四,返回,2024年3月28日星期四,2、厚壁圓筒的應(yīng)力計算 厚壁圓筒的應(yīng)力計算公式見表4-4,返回,2024年3月28日星期四,第六節(jié) 殼體彎曲理論與邊緣問題,一、概述二、內(nèi)力分量及其應(yīng)力三、內(nèi)力分量的計算四、典型回
63、轉(zhuǎn)殼體邊緣內(nèi)力分量、擾度及轉(zhuǎn)角計算五、不連續(xù)部分的應(yīng)力計算,返回,2024年3月28日星期四,第七節(jié) 熱應(yīng)力概述,一、熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其性質(zhì)二、常用殼體的溫差應(yīng)力三、反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)熱源引起的熱應(yīng)力,返回,2024年3月28日星期四,一、熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其性質(zhì),材料因溫度變化使其自然膨脹或收縮受到約束時,將引起應(yīng)力,這種應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。熱應(yīng)力取決于溫度的分布,材料線膨脹系數(shù),陡峭的溫度梯度引起高的應(yīng)力。熱應(yīng)力也就是溫差應(yīng)力
64、。 熱應(yīng)力是“自身限制”的,屬于二次應(yīng)力。,返回,2024年3月28日星期四,第八節(jié) 壓力容器的應(yīng)力分類與應(yīng)力強度,一、壓力容器的應(yīng)力分類二、關(guān)于應(yīng)力強度的概念三、使用限制及應(yīng)力限值,返回,2024年3月28日星期四,一、壓力容器的應(yīng)力分類,ASME規(guī)范運用了分析設(shè)計法設(shè)計壓力容器。這種方法要求對壓力容器在受載工況下所產(chǎn)生的各種應(yīng)力進行詳細的分析。在分析的基礎(chǔ)上對其進行科學分類。區(qū)分應(yīng)力類別的分水嶺是所考慮的應(yīng)力是否具有自限性
65、,即引起這種應(yīng)力的原因是否屬于為平衡外載所必須。目前,把壓力容器所受的應(yīng)力分為:一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力 二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的區(qū)別熱應(yīng)力、膨脹應(yīng)力、總應(yīng)力。,返回,2024年3月28日星期四,一次應(yīng)力,一次應(yīng)力P(MPa)是施加到壓力容器上的載荷產(chǎn)生的任何法向應(yīng)力或剪切應(yīng)力。它是為了滿足部件內(nèi)、外力和力矩的平衡規(guī)律所必須的應(yīng)力。其基本特征是非自限性的。當一次應(yīng)力大大超過屈服強度時,會引起壓力容器的總體變形甚至破壞。一次應(yīng)力包
66、括總體薄膜應(yīng)力Pm、一次彎曲應(yīng)力Pb及局部薄膜應(yīng)力PL。,返回,2024年3月28日星期四,二次應(yīng)力,二次應(yīng)力Q(MPa)是由于壓力容器各部位的相鄰材料的約束或者由于結(jié)構(gòu)本身的約束而引起的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力。它不是為了滿足與外力的平衡,而是為了滿足整體變形協(xié)調(diào)條件。其基本特征是自限性與局部性。由二次應(yīng)力引起的屈服是局部地區(qū)的屈服,會產(chǎn)生應(yīng)力重新分布的效應(yīng),而在大部分區(qū)域仍處于彈性狀態(tài),所以容器仍能繼續(xù)工作。二次應(yīng)力包括總體熱應(yīng)力和總體結(jié)構(gòu)
67、不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力。,返回,2024年3月28日星期四,峰值應(yīng)力,扣除了薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力后,沿容器壁厚方向呈非線性分布的那部分應(yīng)力叫峰值應(yīng)力,以F表示(MPa)。其基本特征是應(yīng)力分布區(qū)域很小,不會引起整個結(jié)構(gòu)的任何明顯的變形,而只是導致容器產(chǎn)生疲勞破裂和脆性斷裂的可能來源之一。因此,在一般設(shè)計中不予考慮,只是在疲勞設(shè)計時才加以限制。,返回,2024年3月28日星期四,二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力區(qū)別,兩者都是自平衡力系引起的,這是它們的共性。
68、自平衡力系是為了滿足結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)要求,而結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)有兩方面的要求:第一,滿足結(jié)構(gòu)整體變形協(xié)調(diào)要求,即總體結(jié)構(gòu)連續(xù)要求(滿足此要求稱為二次應(yīng)力);第二,滿足結(jié)構(gòu)局部變形協(xié)調(diào)要求,即局部結(jié)構(gòu)連續(xù)要求(滿足此要求稱為峰值應(yīng)力) 。此即兩者的差異。,返回,2024年3月28日星期四,熱應(yīng)力、膨脹應(yīng)力、總應(yīng)力,熱應(yīng)力對應(yīng)于溫度載荷,是由于傳熱和輻照產(chǎn)生的溫度不均勻分布或材料膨脹系數(shù)不同,結(jié)構(gòu)膨脹受到約束而引起的自平衡應(yīng)力。熱應(yīng)力分總體熱應(yīng)力和
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