壓力容器強度結(jié)構(gòu)與應力分析

1、壓力容器強度結(jié)構(gòu)與應力分析,2,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述 第二節(jié) 壓力容器常規(guī)設計技術,壓力容器強度結(jié)構(gòu)與應力分析,3,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述 一、壓力容器的失效模式 二、壓力容器設計準則的發(fā)展,壓力容器強度結(jié)構(gòu)與應力分析,4,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述,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

2、實質(zhì)上就是防止容器發(fā)生“彈性失效”。,隨著技術的發(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：,,,5,(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，加壓直至爆破的全過程

3、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) 壓力容器設計技術概述,6,(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。這一階段的基本特征是內(nèi)壓與容器變形量成

4、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) 壓力容器設計技術概述,7,(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階段。B點表示容器已進入整體屈服狀態(tài)。如果容

5、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) 壓力容器設計技術概述,8,(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

6、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) 壓力容器設計技術概述,9,(一) 容器的超壓爆破過程(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

7、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) 壓力容器設計技術概述,10,(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，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

8、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) 壓力容器設計技術概述,爆破壓力,11,(一) 容器的超壓爆破過程,韌性破壞-照片,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述,12,2．容器的脆性爆破過程,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述,13,2．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

9、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) 壓力容器設計技術概述,14,2．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

10、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) 壓力容器設計技術概述,15,2．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

11、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)爆破階段(CD段),第一節(jié) 壓力容器設計技術概述,16,一、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)(

12、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) 壓力容器設計技術概述,17,一、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BC

13、D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 collapse)，爆破后易引起災難性的后果。,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述,18,一、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

14、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。形成碎片的脆性爆破特別容易引起災難性后果。,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述,19,一、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

15、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，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。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) 壓力容器設計技術概述,,疲勞輝紋(×3000),20,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (5) 蠕變失效

16、 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

17、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) 壓力容器設計技術概述,21,一、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

18、(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。 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) 壓力容器設計技術概述,22,一、容器的失效模式 1．容器常見的失效模式 (7)

19、 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)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) 壓力容器設計技術概述,23,一、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

20、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、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) 壓力容器設計技術概述,24,一、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

21、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) 壓力容器設計技術概述,25,一、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

22、荷的交變導致萌生疲勞裂紋和裂紋擴展。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) 壓力容器設計技術概述,26,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述 一、壓力容器的失效模式 二、壓力容器設計準則的發(fā)展,壓力容器設計技術進展,27,二、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，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

23、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) 壓力容器設計技術概述,28,二、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

24、為設計依據(jù)加以限制，防止總體塑性變形，稱極限設計。“極限設計’’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) 壓力容器設計技術概述,,Treaca屈服條件或Mises屈服條件,29,二、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

25、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) 壓力容器設計技術概述,,30,二、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，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

26、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) 壓力容器設計技術概述,31,二、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

27、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) 壓力容器設計技術概述,32,二、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

28、。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(或稱防脆斷失效設計準則)的方法。,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述,33,二、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

29、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。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。,34,二、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

30、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 。,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述,35,第一節(jié) 壓力容器設計技術概述 第二節(jié) 壓力容器常規(guī)設計技術,壓力容器強度、結(jié)構(gòu)及應力分析,36,第二節(jié) 壓力容器常規(guī)設計技術,一、壓力容器強度計算概述二

31、、壓力容器強度校核三、壓力容器的結(jié)構(gòu)概述,37,壓力容器強度計算概述——設計壓力范圍,一、 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

32、.02 MPa 疲勞載荷；高溫蠕變 因為容規(guī)的監(jiān)察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

33、稱容積：V≥50M3,38,壓力容器強度計算概述——設計載荷,二、 設計時應考慮的載荷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

34、、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。,39,壓力容器強度計算概述——術語壓力,三、重要名詞術語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

35、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。,40,壓力容器強度計算概述——術語壓力,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

36、是根據(jù)容器殼體的有效厚度計算所得，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。1.0-1.1,41,壓力容器強度計算概述——設計壓力選取,42,

37、壓力容器強度計算概述——術語溫度,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：系指壓力

38、試驗時容器殼體的金屬溫度。,43,壓力容器強度計算概述——術語厚度,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：名義厚度減去厚度附加量（腐蝕裕量與鋼材厚

39、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 對

40、高合金鋼，不小于2mm,44,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)屈服時即為承載的最大極限。 材料的拉伸曲線，彈性、塑

41、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，即便是容器整體屈服后仍有一定承載潛力，只有達到

42、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,45,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

43、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”。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

44、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系式。,46,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)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。

45、 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＝）,47,壓力容器強度計算概述——計算公式筒體,,48,過程設備設計,應力求解,,,圓周平衡：,靜定,圖2-2,軸向平衡：,,,,,,=,,,=,,,49,無力矩理論,拉普拉斯方程。,50,區(qū)域平衡方程,,●無力矩理論的兩個基本方程,微元

46、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,51,壓力容器強度計算概述——計算公式封頭,,52,壓力容器強度計算概述——計算公式封頭,,53,壓力容器強度校核——校核公式,一、校核公式1. 內(nèi)壓圓筒體——按壁厚校核 ≤δ測2. 內(nèi)壓圓筒體——按壓力校核 ≥ P,54,壓力容器強度校核——校核參數(shù)選?。?）,二、校核

47、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

48、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3.0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

49、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，則進行材料化驗、硬度測定確定強度等級，選取許用應力值。 ②選取許用應力值時取最高工作溫度或壁溫下的許用應力； ③液化氣儲罐，取設計溫度下的許用應力； ④低溫容器取20℃下的許用應力。,55,壓力容器強度校核——校核參數(shù)選

50、取（2）,二、校核參數(shù)的選?。?）直徑：內(nèi)直徑按實測最大值選取。（6）焊接接頭系數(shù) 焊接接頭系數(shù)根據(jù)焊接接頭的實際結(jié)構(gòu)形式和無損檢測比例，按照有關標準選取。 對焊接接頭形式不清，又無出廠資料可取φ=0.6，不能滿足強度條件時，可采用X射線或超聲波探傷，確認焊接接頭實際結(jié)構(gòu)形式和焊接接頭內(nèi)在質(zhì)量后確定焊接接頭系數(shù)。如進行局部抽查合格按局部探傷選焊接接頭系數(shù)，如進行100％探傷合格，可按100％探傷選取焊

51、接接頭系數(shù)。對遠離焊接接頭母材的局部腐蝕，用最小實測壁厚驗算母材應力水平時，焊接接頭系數(shù)可取1。三、例題——必須會進行強度校核,56,壓力容器強度校核——壓力試驗應力校核,,57,（3）夾套容器對于帶夾套的容器，應在圖樣上分別注明內(nèi)筒和夾套的試驗壓力。當內(nèi)筒設計壓力為正值時，按內(nèi)壓確定試驗壓力。當內(nèi)筒設計壓力為負值時，按外壓進行液壓試驗。在內(nèi)筒液壓試驗合格后，再焊接夾套。并對夾套進行壓力試驗，在確定了試驗壓力后，必須校核內(nèi)筒在該試

52、驗外壓力作用下的穩(wěn)定性。如果不能滿足穩(wěn)定要求，則應規(guī)定在作夾套的液壓試驗時，必須同時在內(nèi)筒保持一定壓力，以使整個試驗過程（包括升壓、保壓和卸壓）中的任一時間內(nèi)，夾套和內(nèi)筒的壓力差不超過設計壓差。圖樣上應注明這一要求，以及試驗壓力和允許壓差。（4）對立式容器臥置進行液壓試驗時，試驗壓力應為立置時的試驗壓力加液柱靜壓力。,壓力容器強度校核——壓力試驗應力校核,58,壓力容器強度校核——壓力試驗應力校核,,59,壓力容器強度校核——壓力試驗

53、應力校核,,60,壓力容器結(jié)構(gòu)概述,壓力容器一般是由筒體（又稱殼體）、封頭（又稱端蓋）、法蘭、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等組成。它們統(tǒng)稱為過程設備零部件，這些零部件大都有標準。其典型過程設備有換熱器、反應器、分離容器、儲存容器等。 壓力容器的結(jié)構(gòu)形狀主要有圓筒形、球形、組合形。圓筒形容器是由圓柱形筒體和各種成型封頭（半球形、橢圓形、碟形、錐形）所組成。球形容器由數(shù)塊球瓣板拼焊成。承壓能力很好，但由于安置內(nèi)件不便

54、和制造稍難，故一般用作貯罐。壓力容器的筒體、封頭（端蓋）、人孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、膨脹節(jié)、開孔補強圈、設備法蘭；球罐的球殼板；換熱器的管板和換熱管；M36以上的主螺栓及公稱直徑大于250mm的接管和管法蘭均作為主要受壓元件。人造水晶釜約140MPa，根據(jù)受力，徑向力為0卷板（120mm以下）- 包扎；鍛焊（340mm）－整體鍛造－纏繞（1000MPa),纏繞的缺點在于軸向力不能約束，只能約束周向力。,61,壓力容器結(jié)構(gòu)概述——零部

55、件,1. 筒體 圓柱形筒體是壓力容器主要形式，制造容易、安裝內(nèi)件方便、而且承壓能力較好，因此應用最廣。圓筒形容器又可以分為立式容器和臥式容器。 由于容器的筒體不但存在與容器封頭、法蘭相配的問題，而且臥式容器的支座標準也是按照容器的公稱直徑系列制定的，所以不但管子有公稱直徑，筒體也制定了公稱直徑系列。 對于用鋼板卷焊的筒體，用筒體的內(nèi)徑作為它的公稱直徑，其系列尺寸有300、400、500、600…等，如

56、果筒體是用無縫鋼管制作的，用鋼管的外徑作為筒體的公稱直徑。 夾套容器一般都是一主一輔，輔為主達到某種工況,62,壓力容器結(jié)構(gòu)概述——零部件,2. 封頭（1）球形封頭——壁厚最薄，用材比較節(jié)省。但封頭深度大、制造比較困難。（2）橢圓形封頭——橢圓形封頭縱剖面的曲線部分是半個橢圓形，直邊段高度為h，因此橢圓形封頭是由半個橢球和一個高度為h的圓筒形筒節(jié)構(gòu)成。橢圓殼體周邊的周向應力為壓應力，應保證不失穩(wěn)。（3）碟形封頭——碟形封頭是由三

57、部分組成。第一部分是以半徑為Ri的球面部分，第二部分是以半徑為Di/2的圓筒形部分，第三部分是連接這兩部分的過渡區(qū)，其曲率半徑為r,Ri與r均以內(nèi)表面為基準。不連續(xù)過渡導致邊緣應力。,,,,,63,壓力容器結(jié)構(gòu)概述——零部件,（4）球冠形封頭——球冠形封頭可用作端封頭，也可以用作容器中兩獨立受壓室的中間封頭，由于封頭為一球面且無過渡區(qū)，在連接邊緣有較大邊緣應力，要求封頭與筒體聯(lián)接處的T形接頭采用全焊透結(jié)構(gòu)。（5）錐形封頭——錐形封頭有

58、無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭。（6）平蓋——彎曲應力較大，在等厚度、同直徑條件下，平板內(nèi)產(chǎn)生的最大彎曲應力是圓筒壁薄膜應力的20～30倍。但結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。,,,,,64,壓力容器結(jié)構(gòu)概述——零部件,3. 支座 支座是用來支承容器重量和用來固定容器的位置。支座一般分為立式容器支座、臥式容器支座。 立式容器支座分為耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。臥式容器多使用鞍式支座。 4. 法蘭

59、 法蘭連接主要優(yōu)點是密封可靠和足夠的強度。缺點是不能快速拆卸、制造 成本較高。 法蘭分類主要有以下方法：（1）按其被連接的部件分為壓力容器法蘭和管法蘭。（2）按法蘭接觸面的寬窄可分為窄面法蘭和寬面法蘭。（3）按整體性程度分為整體法蘭、松式法蘭和任意式法蘭。5. 人孔與手孔,,,,65,壓力容器結(jié)構(gòu)概述——開孔與補強,1 為何要進行開孔補強 通常所用的壓力容器，由于各種工藝和結(jié)構(gòu)的要

60、求，需要在容器上開孔和安裝接管，由于開孔去掉了部分承壓金屬，不但會削弱容器的器壁的強度，而且還會因結(jié)構(gòu)連續(xù)性受到破壞在開孔附近造成較高的局部應力集中。這個局部應力峰值很高，達到基本薄膜應力的3倍，甚至5-6倍。再加上開孔接管處有時還會受到各種外載荷、溫度等影響，并且由于材質(zhì)不同，制造上的一些缺陷、檢驗上的不便等原因的綜合作用，很多失效就會在開孔邊緣處發(fā)生。主要表現(xiàn)疲勞破壞和脆性裂紋，所以必須進行開孔補強設計。2 壓力容器為何有時可

61、允許不另行補強 壓力容器允許可不另行補強是鑒于以下因素： 容器在設計制造中，由于用戶要求，材料代用等原因，殼體厚度往往超過實際強度的需要。厚度的增加使最大應力有所降低，實際上容器已被整體補強了。例如：在選材時受鋼板規(guī)格的限制，使壁厚有所增加；或在計算時因焊接系數(shù)壁厚增加，而實際開孔不在焊縫上。在多數(shù)情況下，接管的壁厚多與實際需要，多余的金屬起到了補強的作用。,,,,66,壓力容器結(jié)構(gòu)概述——開孔與補強,3

62、 開孔補強結(jié)構(gòu)所謂開孔補強設計，就是指采取適當增加殼體或接管壁厚的方法以降低應力集中系數(shù)。其所涉及的有補強形式、開孔處內(nèi)外圓角的大小以及補強金屬量等。(1) 加強圈是最常見的補強結(jié)構(gòu)，貼焊在殼體與接管連接處，如圖a、b、c。該補強結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但加強圈與金屬間存在一層靜止的氣隙，傳熱效果差。當兩者存在溫差時熱膨脹差也較大，因而在局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的熱應力。另外，加強圈較難與殼體形成整體，因而抗疲勞性能較差。這種補強結(jié)構(gòu)一般用于

63、靜壓、常溫及中、低壓容器。(2) 接管補強，即在殼壁與接管之間焊上一段厚壁加強管，如圖d、e、f。它的特點是能使所有用來補強的金屬材料都直接處在最大應力區(qū)域內(nèi)，因而能有效地降低開孔周圍的應力集中程度。低合金高強度鋼制的壓力容器與一般低碳鋼相比有較高的缺口敏感性，采用接管補強為好。(3) 整鍛件補強結(jié)構(gòu)如圖g、h、I，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是補強金屬集中于開孔應力最大的部位，補強后的應力集中系數(shù)小。由于焊接接頭為對接焊，且焊接接頭及熱影響區(qū)可以