壓力容器強度、結(jié)構(gòu)與應力

1、壓力容器強度、結(jié)構(gòu)與應力,李光海電話：13910535948Email:li_guanghai@csei.org.cn中國特種設備檢測研究院,壓力容器檢驗師培訓,2,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述第二節(jié) 壓力容器常規(guī)設計技術(shù)第三節(jié) 壓力容器應力分析設計第四節(jié) 壓力容器的疲勞及高溫蠕變,壓力容器強度、結(jié)構(gòu)與應力分析,壓力容器檢驗師培訓,3,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述 一、壓力容器的失效模式 二、壓力容器設計

2、準則的發(fā)展 三、壓力容器設計規(guī)范的主要進展 四、近代設計方法的應用,壓力容器強度、結(jié)構(gòu)與應力分析,壓力容器檢驗師培訓,4,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,5,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,6,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,一、容器的失效模式容器設計的核心問題是安全。壓力容器設計技術(shù)的近代進展時基本的出發(fā)點也是安全。容器的安全就是防止容器發(fā)生失效。容器的傳統(tǒng)設計思想實質(zhì)上就是防止容

3、器發(fā)生“彈性失效”。,隨著技術(shù)的發(fā)展，遇到的容器失效有各種類型，針對不同的失效形式進而出現(xiàn)了不同的設計準則。在討論這些設計技術(shù)進展之前有必要首先弄清容器的各種形式的失效，尤其最基本的爆破失效過程更需要弄清楚。下面就容器的韌性爆破和脆性爆破過程先作一些闡述：,,,壓力容器檢驗師培訓,7,(一) 容器的超壓爆破過程 1．容器的韌性爆破過程 一臺受壓容器，如果材料塑性韌性正常，設計正確，制造中未留下嚴重的缺陷，加壓直至爆破的全

4、過程一般屬于韌性爆破過程。韌性爆破的全過程可以用圖示容器液壓爆破曲線OABCD來說明，加壓的幾個階段如下：,整體屈服壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,8,(一) 容器的超壓爆破過程(1)彈性變形階段 見OA，隨著進液量(即體積膨脹量)的增加，容器的變形增大，內(nèi)壓隨之上升。這一階段的基本

5、特征是內(nèi)壓與容器變形量成正比，呈現(xiàn)出彈性行為。 A點表示內(nèi)壁應力開始屈服，或表示容器的局部區(qū)域出現(xiàn)屈服，整個容器的整體彈性行為到此終止。,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,9,(一) 容器的超壓爆破過程 (2)屈服變形階段 AB段，容器從局部屈服到整體屈服的階段，以內(nèi)壁屈服到外壁也進入屈服的

6、階段。B點表示容器已進入整體屈服狀態(tài)。如果容器的鋼材具有屈服平臺，這階段包含塑性變形越過屈服平臺的階段，這是一個包含復雜過程的階段，不同的容器、不同的材料，這一階段的形狀與長短不同。,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,10,(一) 容器的超壓爆破過程 (3)變形強化階段 BC段，材料發(fā)生塑性變形不斷強

7、化，容器承載能力不斷提高。但體積膨脹使壁厚減薄，承載能力下降。兩者中強化影響大于減薄影響，強化提高承載能力的行為變成主要因素。強化的變化率逐漸降低，到C點時兩種影響相等，達到總體“塑性失穩(wěn)”狀態(tài)，承載能力達到最大即將爆破，此時容器已充分膨脹。,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,11,(一) 容器的超壓爆破

8、過程(4)爆破階段 在CD段，減薄的影響大于強化的影響，容器的承載能力隨著容器的大量膨脹而明顯下降，壁厚迅速減薄，直至D點而爆裂。,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,12,(一) 容器的超壓爆破過程 C點的內(nèi)壓力為爆破壓力，正常韌性爆破的容器，爆破的體積膨脹量(即進液量)在容器體積的10％以上

9、，該值越高，容器的韌性越好，材料的塑性韌性和制造質(zhì)量都很好，該容器在設計壓力下很安全。承受的壓力，爆破壓力越高，爆破壓力與設計壓力的比值越大則越安全。,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,爆破壓力,壓力容器檢驗師培訓,13,(一) 容器的超壓爆破過程,韌性破壞-照片,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,14,2

10、．容器的脆性爆破過程,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,15,2．容器的脆性爆破過程 容器的脆性爆破過程如圖中OA’，(或OA”)曲線。這種爆破指容器在加壓過程中沒有發(fā)生充分的塑性變形鼓脹，甚至尚未達到屈服的時候就發(fā)生爆破。爆破時容器尚在彈性變形階段至多是少量屈服變形階段。,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計

11、技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,16,2．容器的脆性爆破過程 脆性爆破的容器是由材料的脆性(例如低溫下的脆性)，或是由于有嚴重的焊接缺陷(例如裂紋)引起。也可能兩者同時起作用，既有嚴重缺陷又遇材料變脆(如焊接熱影響區(qū)的脆化或容器長期在中高溫度下服役致使材料顯著脆化)從而引起脆斷。,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器

12、檢驗師培訓,17,2．容器的脆性爆破過程 脆性爆破的容器由于體積變形量很小，其安全裕量很少，應竭力防止。發(fā)生脆斷，容器爆裂出碎片飛出，產(chǎn)生極大的危害，帶來災難性的后果。 容器的韌性爆破和脆性爆破是容器爆破的兩種基本典型的形式。實際容器的失效不一定是爆破，而有更多的原因和模式，下面將討論容器的失效模式問題和容器設計應采用的相應的準則,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆

13、破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,18,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (1) 過度變形 容器的總體或局部發(fā)生過度變形，包括過量的彈性變形，過量的塑性變形，塑性失穩(wěn)(增量垮坍)，例如總體上大范圍鼓脹，或局部鼓脹，應認為容器已失效，不能保障使用安全。過度變形說明容器在總體上或局部區(qū)域發(fā)生了塑性失效，處于十分危險的狀態(tài)。例如法蘭的設計稍薄，強度上尚可滿足要求，但由于剛度不足產(chǎn)生永

14、久變形，導致介質(zhì)泄漏，這是由于塑性失效的過度變形而導致的失效。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,19,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (2) 韌性爆破 容器發(fā)生了塑性大變形的破裂失效，相當于圖中曲線BCD階段情況下的破裂，這屬于超載下的爆破，一種可能是超壓，另一種可能是本身大面積的壁厚較薄。這是一種經(jīng)過塑性大變形的塑性失效之后再發(fā)展為爆破的失效，亦稱為“塑性失穩(wěn)”(Plastic colla

15、pse)，爆破后易引起災難性的后果。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,20,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (3) 脆性爆破 這是一種沒有經(jīng)過充分塑性大變形的容器破裂失效。材料的脆性和嚴重的超標缺陷均會導致這種破裂，或者兩種原因兼有。脆性爆破時容器可能裂成碎片飛出，也可能僅沿縱向裂開一條縫；材料愈脆，特別是總體上愈脆則愈易形成碎片。如果僅是焊縫或熱影響區(qū)較脆，則易裂開一條縫。形成碎片的脆性爆

16、破特別容易引起災難性后果。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,21,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (4) 疲勞失效 交變載荷容易使容器的應力集中部位材料發(fā)生疲勞損傷，萌生疲勞裂紋并擴展導致疲勞失效。疲勞失效包括材料的疲勞損傷(形成宏觀裂紋)并疲勞擴展和結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂等情況。容器疲勞斷裂的最終失效方式一種是發(fā)生泄漏，稱為“未爆先漏”(LBB, Leak Before Break)，另一種是爆破

17、，可稱為“未漏先爆”。爆裂的方式取決于結(jié)構(gòu)的厚度、材料的韌性，并與缺陷的大小有關(guān)。疲勞裂紋的斷口上一般會留下肉眼可見的貝殼狀的疲勞條紋。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,,疲勞輝紋(×3000),壓力容器檢驗師培訓,22,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (5) 蠕變失效 容器長期在高溫下運行和受載，金屬材料會隨時間不斷發(fā)生蠕變損傷，逐步出現(xiàn)明顯的鼓脹與減薄，破裂而成事故。即使載荷恒定和應力低于屈服點

18、也會發(fā)生蠕變失效，不同材料在高溫下的蠕變行為有所不同。 材料高溫下的蠕變損傷是晶界的弱化和在應力作用下的沿晶界的滑移，晶界上形成蠕變空洞。時間愈長空洞則愈多愈大，宏觀上出現(xiàn)蠕變變形。 當空洞連成片并擴展時即形成蠕變裂紋，最終發(fā)生蠕變斷裂的事故。 材料經(jīng)受蠕變損傷后在性能上表現(xiàn)出強度下降和韌性降低，即蠕變脆化。 蠕變失效的宏觀表現(xiàn)是過度變形(蠕脹)，最終是由蠕變裂紋擴展而斷裂(爆破或泄漏)。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概

19、述,壓力容器檢驗師培訓,23,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (6) 腐蝕失效 這是與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)的失效形式?；と萜鹘佑|的腐蝕性介質(zhì)十分復雜，腐蝕機理屬于兩大類：化學腐蝕與電化學腐蝕。區(qū)別在于形成腐蝕化合物過程中是否在原子間有電荷的轉(zhuǎn)移。就腐蝕失效的形態(tài)可分為如下幾種典型情況： ①全面腐蝕(亦稱均勻腐蝕)；②局部腐蝕；③集中腐蝕(即點腐蝕)；④晶間腐蝕；⑤應力腐蝕；⑥縫隙腐蝕；⑦氫腐蝕；⑧選擇性腐蝕

20、。 腐蝕發(fā)展到總體強度不足(由全面腐蝕、晶間腐蝕或氫腐蝕引起)或局部強度不足時，可認為已腐蝕失效。腐蝕發(fā)展輕者造成泄漏、局部塑性失穩(wěn)或總體塑性失穩(wěn)，嚴重時可導致爆破。由應力腐蝕形成宏觀裂紋，擴展后也會導致泄漏或低應力脆斷。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,24,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (7) 失穩(wěn)失效 容器在外壓(包括真空)的壓應力作用下喪失穩(wěn)定性而發(fā)生的皺折變形稱為失穩(wěn)

21、失效。皺折可以是局部的也可以是總體的。高塔在過大的軸向壓力(風載、地震載荷)作用下也會皺折而引起倒塌。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,25,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (8) 泄漏失效 容器及管道可拆密封部位的密封系統(tǒng)中每一個零部件的失效都會引起泄漏失效。例如法蘭的剛性不足導致法蘭的過度變形而影響對墊片的壓緊，緊固螺栓因設計不當或銹蝕而過度伸長也會導致泄漏，墊片的密封比壓不足、

22、墊片老化缺少反彈能力都會引起泄漏失效。系統(tǒng)中每一零部件均會導致泄漏失效，所以密封失效不是一個獨立的失效模式，而是綜合性的。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,26,一、容器的失效模式 2．容器的交互失效模式 (1) 腐蝕疲勞 在交變載荷和腐蝕介質(zhì)交互作用下形成裂紋并擴展的交互失效。由于腐蝕介質(zhì)的作用而引起抗疲勞性能的降低，在交變載荷作用下首先在表面有應力集中的地方發(fā)生疲勞損傷，在連續(xù)的腐蝕環(huán)境作用下發(fā)展

23、為裂紋，最終發(fā)生泄漏或斷裂。對應力腐蝕敏感與不敏感的材料都可能發(fā)生腐蝕疲勞，交變應力和腐蝕介質(zhì)均加速了這一損傷過程的進程，使容器壽命大為降低。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,27,一、容器的失效模式 2．容器的交互失效模式 (2)蠕變疲勞 這是指高溫容器既出現(xiàn)了蠕變變形又同時承受交變載荷作用而在應力集中的局部區(qū)域出現(xiàn)過度膨脹以至形成裂紋直至破裂。蠕變導致過度變形，載荷的交變導致萌生疲勞裂紋和裂紋擴

24、展。因蠕變和疲勞交互作用失效的容器既有明顯宏觀變形的特點又有疲勞斷口光整的特點。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,28,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述 一、壓力容器的失效模式 二、壓力容器設計準則的發(fā)展 三、壓力容器設計規(guī)范的主要進展 四、近代設計方法的應用,壓力容器設計技術(shù)進展,壓力容器檢驗師培訓,29,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (1) 彈性失效設計準則 這是為防止容器總體部位發(fā)生屈服變形

25、，將總體部位的最大設計應力限制在材料的屈服點以下，保證容器的總體部位始終處于彈性狀態(tài)而不會發(fā)生彈性失效。這是最傳統(tǒng)的設計方法，是現(xiàn)今容器設計首先應遵循的準則。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,30,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (2) 塑性失效設計準則 容器某處(如厚壁筒的內(nèi)壁)彈性失效后并不意味著容器失去承載能力。將容器總體部位進入整體屈服時的狀態(tài)或局部區(qū)域沿整個壁厚進入全屈服狀態(tài)稱為塑性失效狀態(tài)，若材料

26、符合理想塑性假設，載荷不需繼續(xù)增加，變形會無限制發(fā)展下去，稱此載荷為極限載荷。將極限載荷作為設計依據(jù)加以限制，防止總體塑性變形，稱極限設計?！皹O限設計’’準則即塑性失效設計準則。用塑性力學方法求解結(jié)構(gòu)的極限載荷是這種設計準則的基礎。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,,Treaca屈服條件或Mises屈服條件,壓力容器檢驗師培訓,31,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (3) 爆破失效設計準則 非理想塑性材料在屈服后尚有增強的能

27、力，對于容器(主要是厚壁的)在整體屈服后仍有繼續(xù)增強的承載能力，直到容器達到爆破時的載荷才為最大載荷。若以容器爆破作為失效狀態(tài)，以爆破壓力作為設計的依據(jù)并加以限制，以防止發(fā)生爆破，這就是容器的爆破失效設計準則。高壓容器中所介紹的Faupel公式就是這一準則的體現(xiàn)。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,,壓力容器檢驗師培訓,32,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (4) 彈塑性失效設計準則 如果容器的某一局部區(qū)域，一部分材料發(fā)生了屈服，

28、而其他大部分區(qū)域仍為彈性狀態(tài)，而彈性部分又能約束著塑性區(qū)的塑性流動變形，結(jié)構(gòu)處于這種彈塑性狀態(tài)可以認為并不一定意味著失效。只有當容器某一局部彈塑性區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)中的應力超過了由“安定性原理”確定的許用值時才認為結(jié)構(gòu)喪失了“安定”而發(fā)生了彈塑性失效。安定性原理作為彈塑性失效的設計準則，亦稱為安定性準則。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,33,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (5) 疲勞失效設計準則 為防止容器

29、發(fā)生疲勞失效，將容器應力集中部位的最大交變應力的應力幅限制在由低周疲勞設計曲線確定的許用應力幅之內(nèi)時才能保證在規(guī)定的循環(huán)周次內(nèi)不發(fā)生疲勞失效，這就是疲勞失效設計準則。這是20世紀60年代由美國發(fā)展起來的。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,34,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (6) 斷裂失效設計準則 實際難于避免裂紋，包括制造裂紋(焊接裂紋)和使用中產(chǎn)生或擴展的裂紋(疲勞裂紋、應力腐蝕裂紋)，為防止缺陷導致低應

30、力脆斷，可按斷裂力學限制缺陷的尺寸或?qū)Σ牧咸岢霰仨氝_到的韌性指標，這是防脆斷設計。防脆斷設計并不意味著允許新制造的容器可以存在裂紋，而是對容器使用若干年后的一種安全性估計。新制造的容器，設計時是假定容器內(nèi)產(chǎn)生了可以檢測到的裂紋，通過斷裂力學方法對材料的韌性(主要是指斷裂韌性)提出必須保證達到的要求以使容器不會發(fā)生低應力脆斷。在役容器檢測出裂紋，可用斷裂力學評價是否安全，即壓力容器的缺陷評定。這是基于斷裂失效設計準則(或稱防脆斷失效

31、設計準則)的方法。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,35,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (7) 蠕變失效設計準則 將高溫容器筒體的蠕變變形量(或按蠕變方程計算出的相應的應力)限制在某一允許的范圍之內(nèi)，便可保證高溫容器在規(guī)定的使用期內(nèi)不發(fā)生蠕變失效，這就是蠕變失效設計準則。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,(8) 失穩(wěn)失效設計準則 外壓容器的失穩(wěn)皺折需按照穩(wěn)定性理論進行穩(wěn)定性校核，這就是失穩(wěn)失效的設計準則

32、。大型直立設備(如塔設備)在風載與地震載荷下的縱向穩(wěn)定性校核也屬此類。,壓力容器檢驗師培訓,36,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (9) 剛度失效設計準則 通過對結(jié)構(gòu)的變形分析，將結(jié)構(gòu)中特定點的線位移及角位移限制在允許的范圍內(nèi)，即保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。例如大型板式塔內(nèi)大直徑塔盤很薄，就應限制塔盤板的撓度，不致使液層厚薄不一而引起穿過塔盤氣體分布不均和降低板效率。又如法蘭設計時除應保證強度外還應采用剛度校核法以限制法蘭的偏轉(zhuǎn)變形

33、 。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,37,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述 一、壓力容器的失效模式 二、壓力容器設計準則的發(fā)展 三、壓力容器設計規(guī)范的主要進展 四、近代設計方法的應用,壓力容器設計技術(shù)進展,壓力容器檢驗師培訓,38,三、容器設計規(guī)范的主要進展 (一)分析設計規(guī)范的出現(xiàn)和應用 大型高參數(shù)及高強材料的容器如何設計得更安全而又合理，一方面依靠詳細的應力分析，另一方面更重要的是要正確估計各

34、種應力對容器失效的不同影響。將不同類型的應力分別按不同的強度設計準則進行限制。ASME在1955年設立了“評述規(guī)范應力基準特別委員會”，對許用應力的基準進行研究，制訂對不同類型的應力采用不同設計準則的規(guī)范。 1965年形成了ASME規(guī)范的第Ⅲ卷第一版，在核電站的核容器設計中采用了以應力分析為基礎的設計方法。對容器的危險點進行詳細的應力分析，根據(jù)原因和性質(zhì)對應力進行分類，按各類應力對容器失效的危害性的差異采用不同的準則加以限制。即“

35、以應力分析為基礎的設計”，簡稱“分析設計”(Design by Analysis)。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,39,三、容器設計規(guī)范的主要進展 (一)分析設計規(guī)范的出現(xiàn)和應用 1968年ASME規(guī)范第Ⅷ卷“壓力容器”正式分為兩冊，第一冊(ASMEⅧ—1)為傳統(tǒng)的規(guī)則設計(Design by Rules)規(guī)范，第二冊(ASMEⅧ—2)即為“分析設計”規(guī)范 (Design by Analysis) 。分析

36、設計法是建立在更為科學的基礎上的設計方法，更為合理可靠。 英國從1976年開始在BS 5500規(guī)范中列入了壓力容器分析設計的內(nèi)容。日本的JIS 8250規(guī)范(即“壓力容器構(gòu)造另一標準”)在1983年生效。1993年調(diào)整為JIS 8281即“壓力容器的應力分析和疲勞分析”。中國的容器分析設計規(guī)范于1995年以行業(yè)標準的形式正式公布，稱為“JB 4732鋼制壓力容器——分析設計標準”。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培

37、訓,40,三、容器設計規(guī)范的主要進展 (二)疲勞設計規(guī)范的制訂 在交變載荷作用下容器應力集中區(qū)域特別容易發(fā)生疲勞失效，壓力容器的疲勞不同于一般疲勞問題，屬于高應變(即在屈服點以上的)低周次的疲勞失效，亦稱“低周疲勞”。根據(jù)大量實驗研究和理論分析建立了安全應力幅(Sa)與許用循環(huán)周次(N)的低周疲勞設計曲線，即Sa—N曲線。成了壓力容器疲勞設計的基礎。由于疲勞設計必須以應力分析和應力分類為基礎，疲勞設計是壓力容器分析設計的重要組成

38、部分。目前各主要工業(yè)國家都吸收ASMEⅧ—2的方法制訂了疲勞設計規(guī)范。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,41,三、容器設計規(guī)范的主要進展 (三)防脆斷設計規(guī)范的建立 低應力脆斷是壓力容器的主要失效形式之一，特別是由高強度材料制成的厚壁焊接容器中容易發(fā)生。在斷裂力學取得重要成就的基礎上，引入容器設計中構(gòu)成了“防脆斷設計”這一內(nèi)容。美國于1971年在ASME第Ⅲ卷的附錄G中列入了核容器設計時應考慮的防止因裂紋性缺

39、陷導致壓力容器發(fā)生低應力脆斷的“防脆斷設計”內(nèi)容。在ASME規(guī)范第Ⅺ卷附錄A中引入了核容器在役檢驗時如何用斷裂力學方法對裂紋缺陷進行安全評定的內(nèi)容。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,42,三、容器設計規(guī)范的主要進展 (四)高溫容器蠕變設計的發(fā)展 高溫容器常規(guī)的設計方法僅體現(xiàn)在許用應力按高溫蠕變強度或持久強度選取，不足以體現(xiàn)高溫容器的壽命設計問題。高溫蠕變失效問題的深入研究，將高溫下蠕變的變形速率及變形量作為

40、高溫容器壽命設計的主要內(nèi)容，形成了近代高溫容器設計的新準則。由于高溫問題的復雜性，這一設計方法目前尚未進入規(guī)范。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,43,三、容器設計規(guī)范的主要進展 (五)歐盟EN13445標準的問世 美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范在世界各國產(chǎn)生了近一個世紀的重大影響。歐洲標準化組織(CEN)制訂的EN 13445非直接火壓力容器標準已于2002年問世，涵蓋了0.05MPa以上壓力容器的常規(guī)設計

41、方法、應力分類法、分析設計法與疲勞設計法，而且提出了許多設計的新概念及新設計方法。針對防止密封失效所提出的限定各種泄漏率的密封設計方法是非常有特色的。以致在世界壓力容器技術(shù)標準方面形成了美國ASME和歐盟13445兩大體系的新格局。這些都非常值得重視和深入研究。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,44,三、容器設計規(guī)范的主要進展 (五)歐盟EN13445標準的問世 EN13445適用于設計壓力大于0.5巴，材料

42、為鐵素體或奧氏體鋼的非直接接觸火焰壓力容器，設計溫度低于鋼材蠕變控制許用應力的相應溫度。該標準不適用于以下承壓設備：移動式壓力容器；失效后導致輻射影響的核設施上的壓力容器；能產(chǎn)生110℃以上過熱水蒸氣的壓力容器；采用鉚接結(jié)構(gòu)的壓力容器；灰口鑄鐵和其他EN13445-2和EN13445-6中沒有包括的材料制造的壓力容器；多層容器和經(jīng)自增強處理（包括內(nèi)表面擠壓處理）的容器；長輸管道和工業(yè)管道。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師

43、培訓,45,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述 一、壓力容器的失效模式 二、壓力容器設計準則的發(fā)展 三、壓力容器設計規(guī)范的主要進展 四、近代設計方法的應用,壓力容器設計技術(shù)進展,壓力容器檢驗師培訓,46,四、近代設計方法的應用 (一)數(shù)值分析法 現(xiàn)代壓力容器的分析設計、疲勞設計等，涉及到對容器特殊部位的詳細應力分析，大部分情況將必須依靠數(shù)值計算方法借助電子計算機來完成。常用的數(shù)值計算方法是有限元素法。將連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離

44、散為有限個單元，單元間靠節(jié)點相連，有限數(shù)量的單元組合體來代替原有的連續(xù)體。建立外載荷作用下的方程，這是個大型聯(lián)立方程組，由計算機完成計算。可用來解決桿系、板、殼、軸對稱與非軸對稱結(jié)構(gòu)的節(jié)點位移、應變與應力的計算。有限元法可求解靜態(tài)應力、熱應力以及穩(wěn)定問題和振動問題。可求解彈性、彈塑性、蠕變和大撓度問題，還可求解結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性失效的極限載荷。國際上有許多著名的結(jié)構(gòu)分析的有限元程序，如ANSYS等。涉及結(jié)構(gòu)型性大變形等非線性問題時，用ABA

45、QUS／Standard更顯優(yōu)越。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,47,四、近代設計方法的應用 (二)計算機輔助設計 將容器設計的標準計算方法編制成計算機程序代替人工設計并用計算機完成繪圖，這就是現(xiàn)代的計算機輔助設計(CAD)?，F(xiàn)將容器計算規(guī)范的全部內(nèi)容編制成一個大型程序，便成為可包羅容器設計計算全部內(nèi)容的“軟件包”。設計時只需輸入必要的信息和指令，可自動調(diào)用軟件包中的任意一章或數(shù)章，由計算機完成全部計算，

46、計算結(jié)果可全部打印出來。還可由計算機完成繪圖工作，大大提高設計工作的效率。用計算機代替人工繪圖是采用編制好的化工容器及化工設備繪圖軟件，根據(jù)設計人員的指令進行總圖與零部件圖的繪制。中國已具有這方面的較為成熟的商品軟件，許多專業(yè)設計院所已正式采用 。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,48,四、近代設計方法的應用 (三)優(yōu)化設計與專家系統(tǒng) 壓力容器的優(yōu)化設計就是有綜合決策功能的設計。三方面的參數(shù)需處理：①結(jié)構(gòu)的

47、獨立設計參數(shù)，如材料性能、設備尺寸、設計壓力與溫度等；②結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)(中間變量)，如應力、形變、壓力降等，需經(jīng)計算分析后獲得；③結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，如成本、利潤、重量、容積、效率、功率或精度等，這些是設計追求優(yōu)化的目標，因而稱為目標函數(shù)。優(yōu)化設計是通過優(yōu)化方法反復迭代演算，得到符合優(yōu)化目標的明確的最優(yōu)結(jié)果。優(yōu)化設計必須依靠計算機進行，核心問題是選擇適當?shù)膬?yōu)化方法。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,49,四、近代設計方

48、法的應用 (三)優(yōu)化設計與專家系統(tǒng) 壓力容器領(lǐng)域中的許多問題需要由擁有這一領(lǐng)域知識、熟知其規(guī)律和方法的專家才能解決。如果建立一計算機軟件系統(tǒng)，使其擁有像人類專家一樣的分析、推理、學習、綜合判斷與決策的能力，可以得到和專家相同的結(jié)論，起到專家的作用，這就是人工智能技術(shù)中的專家系統(tǒng)。一般軟件只是用計算機直接搜索現(xiàn)存的答案，而專家系統(tǒng)中貯存的是進行邏輯推理的能力、必要的知識庫和數(shù)據(jù)庫，容器專家系統(tǒng)可在設計決策、運行管理、故障分析等方

49、面發(fā)揮特殊作用。,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述,壓力容器檢驗師培訓,50,第一節(jié) 壓力容器設計技術(shù)概述第二節(jié) 壓力容器常規(guī)設計技術(shù)第三節(jié) 壓力容器應力分析設計第四節(jié) 壓力容器的疲勞及高溫蠕變,壓力容器強度、結(jié)構(gòu)及應力分析,壓力容器檢驗師培訓,51,第二節(jié) 壓力容器常規(guī)設計技術(shù),一、壓力容器強度計算概述二、壓力容器強度校核三、壓力容器的結(jié)構(gòu)概述,壓力容器檢驗師培訓,52,壓力容器強度計算概述——設計壓力范圍,一、

50、 常用設計規(guī)范及適用的壓力范圍GB150－1998《鋼制壓力容器》，彈性失效準則，第一強度理論。 設計壓力P：0.1～35 MPa ； 真空度：≥0.02 MPa JB4732－95《鋼制壓力容器-分析設計標準》，彈塑性失效準則，第三強度理論。 設計壓力P：0.1～100 MPa； 真空度：≥0.02 MPa 疲勞載荷；高溫蠕變 因為容規(guī)的監(jiān)察

51、范圍是以最高工作壓力定義，而容器的分類以設計壓力分類，故假設有一個設計壓力1MPa而最大工作壓力0.08的容器，則不受《容規(guī)》監(jiān)察。GB151－1999《管殼式換熱器》 設計壓力P：0.1～35 MPa ；真空度：≥0.02 MPaGB12337－1998《鋼制球形儲罐》 設計壓力：P≤4MPa；公稱容積：V≥50M3,壓力容器檢驗師培訓,53,壓力容器強度計算概述——設計載荷,二、 設計

52、時應考慮的載荷GB150－1998《鋼制壓力容器》：（1）內(nèi)壓、外壓或最大壓差；（2）液體靜壓力(≥5%P)； 需要時，還應考慮以下載荷（3）容器的自重（內(nèi)件和填料），以及正常工作條件下或壓力試驗狀態(tài)下內(nèi)裝物料 的重力載荷；（4）附屬設備及隔熱材料、襯里、管道、扶梯、平臺等的重力載荷；（5）風載荷、地震力、雪載荷；（6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撐件的反作用力；（7）連接管道和其他部件的作用

53、力；（8）溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力；（9）包括壓力急劇波動的沖擊載荷；（10）沖擊反力,如流體沖擊引起的反力等；（11）運輸或吊裝時的作用力。,壓力容器檢驗師培訓,54,壓力容器強度計算概述——術(shù)語壓力,三、重要名詞術(shù)語1、壓力（除注明者外，壓力均為表壓力）（1）工作壓力Pw：在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。（2）設計壓力P：指設定的容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其

54、值不低于工作壓力。（3）計算壓力PC：指在相應設計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當元件所承受的液柱靜壓力小于5%設計壓力時，可忽略不計。（4）試驗壓力PT：在壓力試驗時，容器頂部的壓力。,壓力容器檢驗師培訓,55,壓力容器強度計算概述——術(shù)語壓力,1、壓力（除注明者外，壓力均為表壓力）（5）最大允許工作壓力[Pw]：指在設計溫度下，容器頂部所允許承受的最大表壓力。該壓力是根據(jù)容器殼體的有效厚度計算所得，

55、且取最小值。 最大允許工作壓力可作為確定保護容器的安全泄放裝置動作壓力（安全閥開啟壓力或爆破片設計爆破壓力）的依據(jù)。（6）安全閥的開啟壓力PZ：安全閥閥瓣開始離開閥座，介質(zhì)呈連續(xù)排出狀態(tài)時，在安全閥進口測得的壓力。介于容器最大工作壓力和設計壓力之間。（7）爆破片的標定爆破壓力Pb：爆破片銘牌上標明的爆破壓力。1.0-1.1,壓力容器檢驗師培訓,56,壓力容器強度計算概述——設計壓力選取,壓力容器檢驗師培訓,

56、57,壓力容器強度計算概述——術(shù)語溫度,2、溫度（1）溫度 金屬溫度：容器元件沿截面厚度的溫度平均值。 工作溫度：容器在正常工作情況下介質(zhì)溫度。（2）最高、最低工作溫度：容器在正常工作情況下可能出現(xiàn)介質(zhì)最高、最低溫度。（3）設計溫度：容器在正常工作情況，設定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。 設計溫度與設計壓力一起作為壓力容器的設計載荷條件。 （4）試驗溫度：系

57、指壓力試驗時容器殼體的金屬溫度。,壓力容器檢驗師培訓,58,壓力容器強度計算概述——術(shù)語厚度,3、厚度（1）計算厚度δ：由計算壓力計算（設計壓力加靜壓力）得到，容器受壓元件為滿足強度及穩(wěn)定性要求，按相應公式計算得到的不包括厚度附加量的厚度。（2）設計厚度δd：計算厚度與腐蝕裕量之和。（3）名義厚度δn（即圖樣標注厚度）：設計厚度加上鋼材厚度負偏差后，向上圓整至鋼材（鋼板或鋼管）標準規(guī)格的厚度。（4）有效厚度δe：名義厚度減去厚

58、度附加量（腐蝕裕量與鋼材厚度負偏差之和）。（5）最小實測厚度：實際測量的容器殼體厚度的最小值。厚度校核時如果局部減薄用《檢規(guī)》的G0校核，如果均勻減薄，則需要考慮腐蝕余量后校核。（6）厚度附加量：設計容器受壓元件時所必須考慮的附加厚度，包括鋼板（或鋼管）厚度負偏差C1及腐蝕裕量C2。注意：容器殼體加工成型后不包括腐蝕裕量的最小厚度δmin： 對碳素鋼、低合金鋼，不小于3mm

59、 對高合金鋼，不小于2mm,壓力容器檢驗師培訓,59,壓力容器強度計算概述—失效準則、強度理論,四、失效準則:容器從承載到載荷的不斷加大最后破壞經(jīng)歷彈性變形、塑性變形、爆破，因此容器強度失效準則有三種觀點：（1）彈性失效——常規(guī)設計（GB150等） 彈性失效準則認為殼體內(nèi)壁產(chǎn)生屈服即達到材料屈服限時該殼體即失效，將應力限制在彈性范圍，按照強度理論把筒體限制在彈性變形階段。認為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服時即為

60、承載的最大極限。 材料的拉伸曲線，彈性、塑性、屈服、屈服硬化階段。（2）塑性失效——分析設計（JB4732） 塑性失效準則將容器的應力限制在塑性范圍，認為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服而外層金屬仍處于彈性狀態(tài)時，并不會導致容器發(fā)生破壞，只有當容器內(nèi)外壁面全屈服時才為承載的最大極限。 （3）爆破失效——高壓、超高壓設計,國內(nèi)沒有設計準則，國外ASME Ⅲ有 爆破失效準則認為容器由韌性鋼材制成，有明顯的應變硬化現(xiàn)象，

61、即便是容器整體屈服后仍有一定承載潛力，只有達到爆破時才是容器承載的最大極限。 *****用途：設計的理論基礎，指標限制，什么時候算失效，不能用。 對特定參數(shù)的容器，按照彈性準則設計的容器需要的壁厚最大,壓力容器檢驗師培訓,60,壓力容器強度計算概述—失效準則、強度理論,五、強度理論：第一強度理論（最大主應力理論）——常規(guī)設計（GB150等）這個理論也叫做“最大正應力理論”，該理論假定材料的破壞只取決于絕對值最大的正應力，就是

62、說，材料不論在什么復雜的應力狀態(tài)下，只要三個主應力中有一個達到軸向拉伸或壓縮中破壞應力的數(shù)值時，材料就要發(fā)生破壞。適合脆性材料。適合常規(guī)設計。 對容器來說，σ1為環(huán)向， σ2為軸向， σ3對薄壁的為0。第二強度理論（最大變形理論）這個理論也稱為“最大線應變理論”，它認為材料的破壞取決于最大線應變，即最大相對伸長或縮短。適合脆性材料。目前應用較少。 第三強度理論（最大剪應力理論）——分析設計（JB4732）此即“最大剪應力理論”。

63、該理論認為，無論材料在什么應力狀態(tài)下，只要最大剪應力達到在軸向拉伸中破壞時的數(shù)值，材料就發(fā)生破壞。目前應用較多。 第四強度理論（剪切變形能理論） 該理論也稱作“形狀改變比能理論”認為材料的破壞取決于變形比能，把材料的破壞歸結(jié)為應力與變形的綜合。 *****用途：將復雜應力狀態(tài)進行等效簡化，以便建立強度條件關(guān)系式。,壓力容器檢驗師培訓,61,壓力容器強度計算概述——計算公式筒體,六、計算公式1. 內(nèi)壓圓筒體計算公式2. 內(nèi)

64、壓球殼計算公式注意：1、公式中各參數(shù)的含義、單位制、確定原則及注意事項。 2、δd=δ+C2 （設計厚度＝計算厚度＋腐蝕裕量） δn=δ+C2+C1+△(圓整)（名義厚度＝ ） δe=δ+△ （有效厚度＝）,壓力容器檢驗師培訓,62,壓力容器強度計算概述——計算公式筒體,,壓力容器檢驗師培訓,63,過程設備設計,應力求解,,,圓周平衡：,靜定,圖2-2,

65、軸向平衡：,,,,,,=,,,=,,,壓力容器檢驗師培訓,64,無力矩理論,拉普拉斯方程。,壓力容器檢驗師培訓,65,區(qū)域平衡方程,,●無力矩理論的兩個基本方程,微元平衡方程區(qū)域平衡方程,從而得到各種回轉(zhuǎn)薄殼的薄膜應力,壓力容器檢驗師培訓,66,壓力容器強度計算概述——計算公式封頭,,壓力容器檢驗師培訓,67,壓力容器強度計算概述——計算公式封頭,,壓力容器檢驗師培訓,68,壓力容器強度校核——校核公式,一、校核公式1. 內(nèi)壓圓筒體

66、——按壁厚校核 ≤δ測2. 內(nèi)壓圓筒體——按壓力校核 ≥ P,壓力容器檢驗師培訓,69,壓力容器強度校核——校核參數(shù)選取（1）,二、校核參數(shù)的選取（1）原則：腐蝕裕量=腐蝕速率（mm/年）×至下一個檢驗周期的年數(shù) 實際：用減薄量估算（2）壓力Pc：①取容器實際最高工作壓力； ②裝

67、有安全泄放裝置取:安全閥開啟壓力或爆破片爆破壓力； ③盛裝液化氣體容器取原設計壓力?！⒁鉁囟取⒔M分 當容器的液柱靜壓力≥5%Pc,要計入液柱靜壓力（球形儲罐均要計入液柱靜壓力）。（3）溫度：溫度主要用來確定材料許用應力，強度校核溫度一般取實際最高壁溫，當無準確壁溫值時，取容器的實際最高工作溫度（熱介質(zhì)的最高工作溫度），低溫壓力容器，取常溫（20℃）值。（4）許用應力，GB150屈服1.6，抗拉3.

68、0安全系數(shù)。如16MnR抗拉510MPa/3.0=170(許用應力）（見GB150），對屈服345/1.6＝216，故按照保守，取170許用應力。 從理論上來說，耐壓取1.25的系數(shù)，而實際屈服安全系數(shù)1.6，故不會塑性變形，但是仍然需要校核水壓薄膜應力，主要是1.25后邊有個溫度因子。 ①壓力容器的材料牌號明確的，直接按相應材料牌號選取許用應力，當材料牌號不明確，可按壓力容器同類材料的最低標準值選取，如不能滿足強度要求時