清華大學(xué)過程設(shè)備專業(yè)壓力容器計課件

1、第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器設(shè)計準(zhǔn)則的發(fā)展 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 james watt (1736-1819)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 l核電站一個1500mw壓水堆壓力殼，工作壓力為15mpa，工作溫度為300c，容器內(nèi)直徑7800mm，壁厚317 mm，重650噸；l煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為20mpa，工作溫度

2、為500c，最大內(nèi)直徑達(dá)5000mm，壁厚為400 mm，重2600噸；l煉油廠加氫反應(yīng)器的直徑達(dá)4.5mm,厚280mm, 重約1000噸。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 一、容器的失效模式l容器設(shè)計的核心問題是安全。l化工容器設(shè)計技術(shù)的近代進(jìn)展時基本的出發(fā)點也是安全。l容器的安全就是防止容器發(fā)生失效。容器的傳統(tǒng)設(shè)計思想實質(zhì)上就是防止容器發(fā)生“彈性失效”。兩種最基本的失效模式兩種最基本的失效模式韌性破壞l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(jìn)而出現(xiàn)了不同的設(shè)計準(zhǔn)則。在討論這些設(shè)計技術(shù)進(jìn)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

3、。下面就容器的韌性爆破和脆性爆破過程先作一些闡述：(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(shè)計正確，制造中未留下嚴(yán)重的缺陷，加壓直至爆破的全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(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 (一) 容器的超壓爆破過程(1)彈性變形階段 見oa，隨著進(jìn)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

4、容器變形量成正比，呈現(xiàn)出彈性行為。 a點表示內(nèi)壁應(yīng)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(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 (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(jìn)入屈服的階段。b點表示容器已進(jìn)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(fù)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) (

5、b)屈服階段(ab段)(c)強(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 (一) 容器的超壓爆破過程 (3)變形強(qiáng)化階段 bc段，材料發(fā)生塑性變形不斷強(qiáng)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(qiáng)化影響大于減薄影響，強(qiáng)化提高承載能力的行為變成主要因素。強(qiáng)化的變化率逐漸降低，到c點時兩種影響相等，達(dá)到總體“塑性失穩(wěn)”狀態(tài)，承載能力達(dá)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(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 (一) 容器的超壓爆破過程

6、(4)爆破階段 在cd段，減薄的影響大于強(qiáng)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(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 (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(jìn)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(shè)計壓力下很安全。承受的壓力，爆破壓力越高，爆破壓力與設(shè)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

7、)強(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 爆破壓力(一) 容器的超壓爆破過程 a點是開始屈服的壓力，b點是容器進(jìn)入屈服的壓力。容器屈服壓力指b點對應(yīng)的壓力整體屈服壓力。從實驗爆破曲線上判定a點及b點很困難。asme1實驗應(yīng)力分析給出確定容器屈服壓力的方法，按彈性線(oa)斜率增大一倍畫一條通過坐標(biāo)原點的斜線，與爆破曲線拐彎處的交點，即為屈服壓力(整體屈服壓力)。簡稱為二倍斜率法，工程上很有用。 (a)彈性變形階段(oa段) (b)屈服階段(ab段)(c)強(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)整體屈服壓力第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 (一)

8、 容器的超壓爆破過程第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 2容器的脆性爆破過程無明顯塑性變形有嚴(yán)重缺陷第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(dá)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(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(yán)重的焊接缺陷(例如裂紋)

9、引起。也可能兩者同時起作用，既有嚴(yán)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(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(yīng)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(zāi)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(shè)計應(yīng)采用的相應(yīng)的準(zhǔn)則 (a)彈性變

10、形階段(oa段) (b)屈服階段(ab段)(c)強(qiáng)化階段(bc段) (d)爆破階段(cd段)第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(yīng)認(rèn)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(shè)計稍薄，強(qiáng)度上尚可滿足要求，但由于剛度不足產(chǎn)生永久變形，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，這是由于塑性失效的過度變形而導(dǎo)致的失效。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 一、容器的失效模式

11、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(dāng)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 collapse)，爆破后易引起災(zāi)難性的后果。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(yán)重的超標(biāo)缺陷均會導(dǎo)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

12、總體上愈脆則愈易形成碎片。如果僅是焊縫或熱影響較脆，則易裂開一條縫。形成碎片的脆性爆破特別容易引起災(zāi)難性后果。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(yīng)力集中部位材料發(fā)生疲勞損傷，萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展導(dǎo)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(kuò)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(guān)。疲勞裂紋的斷口上一般會留下肉眼

13、可見的貝殼狀的疲勞條紋。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(yīng)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。l 材料高溫下的蠕變損傷是晶界的弱化和在應(yīng)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。l 當(dāng)空洞連成片并擴(kuò)展時即形成蠕變裂紋，最終發(fā)生蠕變斷裂的事故。l 材料經(jīng)受蠕變損傷后在性能上表現(xiàn)出強(qiáng)度下降和韌性降低，即蠕變脆化。l 蠕變失效的宏觀表現(xiàn)是過度變

14、形(蠕脹)，最終是由蠕變裂紋擴(kuò)展而斷裂(爆破或泄漏)。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(fù)雜，腐蝕機(jī)理屬于兩大類：化學(xué)腐蝕與電化學(xué)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： 全面腐蝕(亦稱均勻腐蝕)；局部腐蝕；集中腐蝕(即點腐蝕)；晶間腐蝕；應(yīng)力腐蝕；縫隙腐蝕；氫腐蝕；選擇性腐蝕。 腐蝕發(fā)展到總體強(qiáng)度不足(由全面腐蝕、晶間腐蝕或氫腐蝕引起)或局部強(qiáng)度不足時，可認(rèn)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

15、塑性失穩(wěn)，嚴(yán)重時可導(dǎo)致爆破。由應(yīng)力腐蝕形成宏觀裂紋，擴(kuò)展后也會導(dǎo)致泄漏或低應(yīng)力脆斷。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(yīng)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(fēng)載、地震載荷)作用下也會皺折而引起倒塌。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(dǎo)致法蘭的過度變形而影響對墊片的壓緊，緊固螺栓因設(shè)計不當(dāng)

16、或銹蝕而過度伸長也會導(dǎo)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(dǎo)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) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(kuò)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力和腐蝕介質(zhì)均加速了這一損傷過程的進(jìn)程，使容器壽命大為降低。 第一

17、節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 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(yīng)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(dǎo)致過度變形，載荷的交變導(dǎo)致萌生疲勞裂紋和裂紋擴(kuò)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) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器設(shè)計準(zhǔn)則的發(fā)展 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 (1) 彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則 這是為防止容器

18、總體部位發(fā)生屈服變形，將總體部位的最大設(shè)計應(yīng)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(shè)計方法，也正是本書前面各章所介紹的方法，這仍然是現(xiàn)今容器設(shè)計首先應(yīng)遵循的準(zhǔn)則。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 (2) 塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則 l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(jìn)入整體屈服時的狀態(tài)或局部區(qū)域沿整個壁厚進(jìn)入全屈服狀態(tài)稱為塑性失效狀態(tài)，l若材料符合理想塑性假設(shè)，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。l將極限載荷作為設(shè)計依據(jù)加以限制，防止總體塑性變形，

19、稱極限設(shè)計。l“極限設(shè)計準(zhǔn)則即塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則。用塑性力學(xué)方法求解結(jié)構(gòu)的極限載荷是這種設(shè)計準(zhǔn)則的基礎(chǔ)。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 treaca屈服條件或mises屈服條件二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 (3) 爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則 l非理想塑性材料在屈服后尚有增強(qiáng)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(qiáng)的承載能力，直到容器達(dá)到爆破時的載荷才為最大載荷。l若以容器爆破作為失效狀態(tài)，以爆破壓力作為設(shè)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(shè)計準(zhǔn)則。高壓容器章所介紹的faupel公式就是這一準(zhǔn)則的體現(xiàn)。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)

20、展 (4) 彈塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則 l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(rèn)為并不一定意味著失效。l只有當(dāng)容器某一局部彈塑性區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)中的應(yīng)力超過了由“安定性原理”確定的許用值時才認(rèn)為結(jié)構(gòu)喪失了“安定”而發(fā)生了彈塑性失效。l安定性原理作為彈塑性失效的設(shè)計準(zhǔn)則，亦稱為安定性準(zhǔn)則。本章第二節(jié)將具體介紹這一準(zhǔn)則。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 (5) 疲勞失效設(shè)計準(zhǔn)則 l為防止容器發(fā)生疲勞失效，將容器應(yīng)力集中部位的最大交變應(yīng)力的應(yīng)力幅限制在由低周疲勞設(shè)計曲線

21、確定的許用應(yīng)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(shè)計準(zhǔn)則。這是20世紀(jì)60年代由美國發(fā)展起來的。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 (6) 斷裂失效設(shè)計準(zhǔn)則 l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(kuò)展的裂紋(疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋)，為防止缺陷導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷，可按斷裂力學(xué)限制缺陷的尺寸或?qū)Σ牧咸岢霰仨氝_(dá)到的韌性指標(biāo)，這是防脆斷設(shè)計。l防脆斷設(shè)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。l新制造的容器，設(shè)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(xué)方法對材料的韌性(主要

22、是指斷裂韌性)提出必須保證達(dá)到的要求以使容器不會發(fā)生低應(yīng)力脆斷。l在役容器檢測出裂紋，可用斷裂力學(xué)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(shè)計準(zhǔn)則(或稱防脆斷失效設(shè)計準(zhǔn)則)的方法。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 (7) 蠕變失效設(shè)計準(zhǔn)則 l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(yīng)的應(yīng)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(shè)計準(zhǔn)則。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 (8) 失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則 l外壓容器的失穩(wěn)皺折需按照穩(wěn)定性理論進(jìn)行穩(wěn)定性校核，這就是失穩(wěn)失效的設(shè)計準(zhǔn)則。大型直立設(shè)

23、備(如塔設(shè)備)在風(fēng)載與地震載荷下的縱向穩(wěn)定性校核也屬此類。 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 (9) 剛度失效設(shè)計準(zhǔn)則 l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。l例如大型板式塔內(nèi)大直徑塔盤很薄，就應(yīng)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。l又如法蘭設(shè)計時除應(yīng)保證強(qiáng)度外還應(yīng)采用剛度校核法以限制法蘭的偏轉(zhuǎn)變形 。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 (10) 泄漏失效設(shè)計準(zhǔn)則 l法蘭的密封設(shè)計及轉(zhuǎn)軸密封設(shè)計中合理的設(shè)計方法應(yīng)限制介質(zhì)的泄漏率不得超過允許的泄漏率。l由于介質(zhì)的泄漏率與

24、結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封材料的性能和緊固件所施加的載荷密切有關(guān)，非常復(fù)雜，所以泄漏失效設(shè)計準(zhǔn)則很難建立。l大多數(shù)國家的設(shè)計規(guī)范中尚未采用。但歐盟承壓設(shè)備規(guī)范中已在大量研究與試驗的基礎(chǔ)上建立了泄漏失效的設(shè)計準(zhǔn)則與方法。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 二、化工容器的設(shè)計準(zhǔn)則發(fā)展 l以上設(shè)計準(zhǔn)則都是近代化工容器中已被采用的，除彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則、塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則、爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則在20世紀(jì)60年代以前就逐步成熟運用于容器的工程設(shè)計之外，彈塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則、疲勞失效設(shè)計準(zhǔn)則、斷裂失效設(shè)計準(zhǔn)則以及蠕變失效設(shè)計準(zhǔn)則均是這個年代及以后逐步出現(xiàn)并成熟起來的，反映出設(shè)計理論的進(jìn)展與突破。l腐蝕失效

25、所對應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則比較復(fù)雜，它所涉及的不是一個獨立的準(zhǔn)則。 l各種不同的腐蝕失效形態(tài)所對應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則是多種多樣的，有些還沒有相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器設(shè)計準(zhǔn)則的發(fā)展 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (一)分析設(shè)計規(guī)范的出現(xiàn)和應(yīng)用 l大型高參數(shù)及高強(qiáng)材料的容器如何設(shè)計得更安全而又合理，一方面依靠詳細(xì)的應(yīng)力分析，另一方面更重要的是要正確估計各種應(yīng)力對容器失效的不同影響。將不同類型的應(yīng)力分別按不同的強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行限制。lasme在1

26、955年設(shè)立了“評述規(guī)范應(yīng)力基準(zhǔn)特別委員會”，對許用應(yīng)力的基準(zhǔn)進(jìn)行研究，制訂對不同類型的應(yīng)力采用不同設(shè)計準(zhǔn)則的規(guī)范。 l1965年形成了asme規(guī)范的第卷第一版，在核電站的核容器設(shè)計中采用了以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。l對容器的危險點進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，根據(jù)原因和性質(zhì)對應(yīng)力進(jìn)行分類，按各類應(yīng)力對容器失效的危害性的差異采用不同的準(zhǔn)則加以限制。即“以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計”，簡稱“分析設(shè)計”(design by analysis)。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (一)分析設(shè)計規(guī)范的出現(xiàn)和應(yīng)用 l1968年asme規(guī)范第卷“壓力容器”正式分為兩冊，第一冊(asme

27、1)為傳統(tǒng)的規(guī)則設(shè)計(design by rules)規(guī)范，l第二冊(asme2)即為“分析設(shè)計”規(guī)范 (design by analysis) 。l分析設(shè)計法是建立在更為科學(xué)的基礎(chǔ)上的設(shè)計方法，更為合理可靠。 l英國從1976年開始在bs 5500規(guī)范中列入了壓力容器分析設(shè)計的內(nèi)容。l日本的jis 8250規(guī)范(即“壓力容器構(gòu)造另一標(biāo)準(zhǔn)”)在1983年生效。1993年調(diào)整為jis 8281即“壓力容器的應(yīng)力分析和疲勞分析”。l中國的容器分析設(shè)計規(guī)范于1995年以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式正式公布，稱為“jb 4732鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要

28、進(jìn)展 (二)疲勞設(shè)計規(guī)范的制訂 l在交變載荷作用下容器應(yīng)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(yīng)變(即在屈服點以上的)低周次的疲勞失效，亦稱“低周疲勞”。l根據(jù)大量實驗研究和理論分析建立了安全應(yīng)力幅(sa)與許用循環(huán)周次(n)的低周疲勞設(shè)計曲線，即san曲線。成了壓力容器疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)。由于疲勞設(shè)計必須以應(yīng)力分析和應(yīng)力分類為基礎(chǔ)，疲勞設(shè)計是壓力容器分析設(shè)計的重要組成部分。目前各主要工業(yè)國家都吸收asme2的方法制訂了疲勞設(shè)計規(guī)范。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (三)防脆斷設(shè)計規(guī)范的建立 l低應(yīng)力脆斷是壓力容器的主要失效形式之

29、一，特別是由高強(qiáng)度材料制成的厚壁焊接容器中容易發(fā)生。在斷裂力學(xué)取得重要成就的基礎(chǔ)上，引入容器設(shè)計中構(gòu)成了“防脆斷設(shè)計”這一內(nèi)容。l美國于1971年在asme第卷的附錄g中列入了核容器設(shè)計時應(yīng)考慮的防止因裂紋性缺陷導(dǎo)致壓力容器發(fā)生低應(yīng)力脆斷的“防脆斷設(shè)計”內(nèi)容。在lasme規(guī)范第卷附錄a中引入了核容器在役檢驗時如何用斷裂力學(xué)方法對裂紋缺陷進(jìn)行安全評定的內(nèi)容。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (四)高溫容器蠕變設(shè)計的發(fā)展 l高溫容器常規(guī)的設(shè)計方法僅體現(xiàn)在許用應(yīng)力按高溫蠕變強(qiáng)度或持久強(qiáng)度選取，不足以體現(xiàn)高溫容器的壽命設(shè)計問題。l高溫蠕變失效問題的深入研究，將高溫下蠕變

30、的變形速率及變形量作為高溫容器壽命設(shè)計的主要內(nèi)容，形成了近代高溫容器設(shè)計的新準(zhǔn)則。l由于高溫問題的復(fù)雜性，這一設(shè)計方法目前尚未進(jìn)入規(guī)范。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五)歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 l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(jì)的重大影響。l歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織(cen)制訂的en 13445非直接火壓力容器標(biāo)準(zhǔn)已于2002年問世，涵蓋了0.05mpa以上壓力容器的常規(guī)設(shè)計方法、應(yīng)力分類法、分析設(shè)計法與疲勞設(shè)計法，而且提出了許多設(shè)計的新概念及新設(shè)計方法。l針對防止密封失效所提出的限定各種泄漏率的密封設(shè)計方法是非常有特色的。以致在世界

31、壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五)歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 len13445適用于設(shè)計壓力大于0.5巴，材料為鐵素體或奧氏體鋼的非直接接觸火焰壓力容器，設(shè)計溫度低于鋼材蠕變控制許用應(yīng)力的相應(yīng)溫度。該標(biāo)準(zhǔn)不適用于以下承壓設(shè)備：移動式壓力容器；失效后導(dǎo)致輻射影響的核設(shè)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(qiáng)處理（包括

32、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) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五) 歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 主要內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)共分七篇： l (1) en13445-1 總則，介紹標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的主要基本原理，并提出適用于標(biāo)準(zhǔn)的一些定義、物理量、符號以及單位。在這一部分中還要求制造廠商編制完備的設(shè)計說明書和相關(guān)技術(shù)文件。 l (2) en13445-2 材料，詳細(xì)說明了標(biāo)準(zhǔn)支持的用于非直接接觸火焰壓力容器的金屬材料種類以及材料的選擇、審查、檢測和標(biāo)志。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五) 歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 主要內(nèi)容標(biāo)

33、準(zhǔn)共分七篇： l (3) en13445-3 設(shè)計，提供了內(nèi)、外壓容器和承壓元件的設(shè)計原理與計算方法。主要包括各種形狀的殼體、矩形截面容器、換熱器管板以及開孔補(bǔ)強(qiáng)等的設(shè)計方法。同時也給出受局部載荷或非壓力載荷作用下容器各個部件的設(shè)計方法。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五) 歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 主要內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)共分七篇： l (4) en13445-4 制造，詳細(xì)說明了各個部件制造過程中的要求，即材料的制造和分包，加工過程中監(jiān)測、加工公差、焊接要求、成形加工要求、產(chǎn)品試驗、熱處理、修理和最后完成的工序等。這一部分的要求不適用采用分析設(shè)計直接法的壓力容器

34、。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五) 歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 主要內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)共分七篇： l (5) en13445-5 檢測與試驗，按照該標(biāo)準(zhǔn)對壓力容器的要求，介紹了各種檢測和試驗程序，其中包括對設(shè)計資料和技術(shù)文件的審查。無損檢測是這一部分的主要內(nèi)容，包括檢測文件、材料跟蹤報告、焊縫兩側(cè)的修整以及焊縫檢測程序等。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五) 歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 主要內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)共分七篇： l (6) en13445-6 球墨鑄鐵材料壓力容器及部件的設(shè)計、制造要求，指出了球墨鑄鐵壓力容器的設(shè)計與檢測方法的

35、特殊要求，如最大許用壓力、壁厚和無損檢測、外觀檢測等都需要有其專門的規(guī)定。l (7) en13445-7 標(biāo)準(zhǔn)使用指南，按照該指南的方法，使en13445的評估模式、危險性指標(biāo)和容器分類都符合ped的安全性要求。 (pressure equipment directive 97/23/ec, ped) 承壓設(shè)備法令 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五) 歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 主要內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)共分七篇： l en13445的誕生使世界上有了一套全新的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，它的本意是為了具體體現(xiàn)歐盟承壓設(shè)備法令對于壓力容器的基本安全要求，破除歐盟各成員國因壓力容器標(biāo)

36、準(zhǔn)的不同而形成的貿(mào)易壁壘，促進(jìn)壓力容器設(shè)備在歐盟范圍內(nèi)的自由貿(mào)易及安全運行，同時避免不必要的重復(fù)認(rèn)證和檢驗而造成的浪費。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 (五) 歐盟en13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 主要內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)共分七篇： l 它的許多創(chuàng)新成果對于我國壓力容器技術(shù)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)制定都有重要的參考價值，比如它在分析設(shè)計方面的直接法、在開孔補(bǔ)強(qiáng)方面的壓力面積法、在疲勞設(shè)計方面的簡單疲勞壽命評定法及正在完善中的高溫 (蠕變)設(shè)計、試驗設(shè)計方法等等，都是值得我們借鑒的，它的疲勞設(shè)計也在進(jìn)一步的發(fā)展中。 。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 一

37、、容器的失效模式 二、化工容器設(shè)計準(zhǔn)則的發(fā)展 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進(jìn)展 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 (一)數(shù)值分析法 l現(xiàn)代壓力容器的分析設(shè)計、疲勞設(shè)計等，涉及到對容器特殊部位的詳細(xì)應(yīng)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(jī)來完成。l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(jī)完成計算。l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(yīng)變與應(yīng)力的計算。有限元法可求解靜態(tài)應(yīng)力、熱應(yīng)力以及穩(wěn)定問題和振

38、動問題?？汕蠼鈴椥?、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abaqusstandard更顯優(yōu)越。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 (二)計算機(jī)輔助設(shè)計 l將容器設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)計算方法編制成計算機(jī)程序代替人工設(shè)計并用計算機(jī)完成繪圖，這就是現(xiàn)代的計算機(jī)輔助設(shè)計(cad)。l現(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(shè)計計算全部內(nèi)容的“軟件包”。設(shè)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(jī)完成全部計算，計算結(jié)果

39、可全部打印出來。還可由計算機(jī)完成繪圖工作，大大提高設(shè)計工作的效率。l用計算機(jī)代替人工繪圖是采用編制好的化工容器及化工設(shè)備繪圖軟件，根據(jù)設(shè)計人員的指令進(jìn)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(shè)計院所已正式采用 。第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 (三)優(yōu)化設(shè)計與專家系統(tǒng) l壓力容器的優(yōu)化設(shè)計就是有綜合決策功能的設(shè)計。三方面的參數(shù)需處理：l結(jié)構(gòu)的獨立設(shè)計參數(shù)，如材料性能、設(shè)備尺寸、設(shè)計壓力與溫度等；l結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)(中間變量)，如應(yīng)力、形變、壓力降等，需經(jīng)計算分析后獲得；l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(shè)

40、計追求優(yōu)化的目標(biāo)，因而稱為目標(biāo)函數(shù)。l優(yōu)化設(shè)計是通過優(yōu)化方法反復(fù)迭代演算，得到符合優(yōu)化目標(biāo)的明確的最優(yōu)結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計必須依靠計算機(jī)進(jìn)行，核心問題是選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 (三)優(yōu)化設(shè)計與專家系統(tǒng) l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。l如果建立一計算機(jī)軟件系統(tǒng)，使其擁有像人類專家一樣的分析、推理、學(xué)習(xí)、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)。l一般軟件只是用計算機(jī)直接搜索現(xiàn)存的答案，而專家系統(tǒng)中貯存的是進(jìn)行邏輯推理的能力、必要的知識庫和

41、數(shù)據(jù)庫，容器專家系統(tǒng)可在設(shè)計決策、運行管理、故障分析等方面發(fā)揮特殊作用。 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述 第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展概述第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計方法概述 二、容器的應(yīng)力分類 三、分析設(shè)計法對各類應(yīng)力強(qiáng)度的限制 四、應(yīng)力分析設(shè)計的程序及應(yīng)用 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 一、分析設(shè)計法概述 l以上各章所述的容器設(shè)計方法都基于彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則，將容器中最大應(yīng)力限制在彈性范圍內(nèi)可保證安全。這種“規(guī)則設(shè)計”方法對設(shè)計的容器基本上是安全的，主要著眼于限制容器中的最大薄膜應(yīng)力或其他由機(jī)械載荷直接產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力及剪

42、應(yīng)力等。這種方法仍是現(xiàn)今設(shè)計規(guī)范的主流。l但應(yīng)當(dāng)看到，這種設(shè)計方法對容器中的某些應(yīng)力，例如結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，開孔接管部位的集中應(yīng)力等并不逐一進(jìn)行強(qiáng)度校核，特別是當(dāng)載荷(壓力或溫度)有交變可能引起結(jié)構(gòu)的疲勞失效時也未對這些應(yīng)力進(jìn)行安全性校核。第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 l隨著技術(shù)的發(fā)展，核容器和大型化的高參數(shù)化工容器的廣泛使用，工程師們逐步認(rèn)識到各種不同的應(yīng)力對容器的失效有不同的影響。l應(yīng)從產(chǎn)生應(yīng)力的原因、作用的部位及對失效的影響幾方面將容器中的應(yīng)力進(jìn)行合理的分類，形成了“應(yīng)力分類”的概念和相應(yīng)的工程設(shè)計方法。l按不同類別的應(yīng)力可能引起的失效模式建立起彈性失效、塑性失效、彈

43、塑性失效及疲勞失效的設(shè)計與校核方法，并給出不同的應(yīng)力限制條件。這就是應(yīng)力分析設(shè)計的總體思想。l這套方法的基礎(chǔ)首先要對容器中關(guān)鍵部位逐一進(jìn)行應(yīng)力分析，然后才能進(jìn)行應(yīng)力分類。第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 (一)容器的載荷與應(yīng)力 (1) 由壓力載荷引起的應(yīng)力由壓力載荷引起的應(yīng)力l由內(nèi)外介質(zhì)均布壓力載荷在回轉(zhuǎn)殼體中產(chǎn)生的應(yīng)力。可依靠外載荷與內(nèi)力的平衡關(guān)系求解。在薄壁殼體中這種應(yīng)力即為沿壁厚均勻分布的薄膜應(yīng)力，并在容器的總體范圍內(nèi)存在。第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l厚壁容器中的應(yīng)力是沿壁厚呈非線性分布狀態(tài)，可以分解為均布分量和非均布分量。 一、分析設(shè)計法概述 (一)容器的載荷與

44、應(yīng)力 (2) 由機(jī)械載荷引起的應(yīng)力由機(jī)械載荷引起的應(yīng)力l壓力以外的其他機(jī)械載荷(如重力、支座反力、管道的推力)產(chǎn)生的應(yīng)力。l這種應(yīng)力雖求解復(fù)雜，但也是符合外載荷與內(nèi)力平衡關(guān)系的。l這類載荷引起的應(yīng)力往往僅存在于容器的局部，亦可稱為局部應(yīng)力。l風(fēng)載與地震載荷也是壓力載荷以外的其他機(jī)械載荷，也滿足載荷與內(nèi)力的平衡關(guān)系，但作用范圍不是局部的，而且與時間有關(guān)，作為靜載荷處理時遍及容器整體，是非均布非軸對稱的載荷。 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 (一)容器的載荷與應(yīng)力 (3) 由不連續(xù)效應(yīng)引起的不連續(xù)應(yīng)力由不連續(xù)效應(yīng)引起的不連續(xù)應(yīng)力以下三種情況均會產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力： l幾何不連續(xù)(如

45、曲率半徑有突變)； l載荷不連續(xù)； l材質(zhì)不連續(xù)。 l例如夾套反應(yīng)釜的內(nèi)筒在與夾套相焊接的地方就同時存在幾何不連續(xù)與載荷不連續(xù)(實際上還有軸向溫度的不連續(xù))。l結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力不是由壓力載荷直接引起的，而是由結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)引起的，在殼體上的分布范圍較大，可稱為總體不連續(xù)應(yīng)力。其沿壁厚的分布有的是線性分布有的也呈均布的。 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 (一)容器的載荷與應(yīng)力 (4) 由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力： l殼壁溫度沿經(jīng)向(軸向)或徑向(厚度方向)存在溫差，便引起熱膨脹差，通過變形的約束與協(xié)調(diào)便產(chǎn)生應(yīng)力，這就是溫差應(yīng)力或稱熱應(yīng)力。l引起熱應(yīng)力的“載荷”是溫差，

46、溫差表明該類載荷的強(qiáng)弱，故稱為熱載荷，以區(qū)別于機(jī)械載荷。l熱應(yīng)力在殼體上的分布取決于溫差在殼體上的作用范圍，有的屬于總體范圍，有的是局部范圍。溫差應(yīng)力沿壁厚方向的分布可能是線性的或非線性的，有些則可能是均布的。 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 (一)容器的載荷與應(yīng)力 (5) 由應(yīng)力集中引起的集中應(yīng)力由應(yīng)力集中引起的集中應(yīng)力： l容器上的開孔邊緣、接管根部、小圓角過渡處因應(yīng)力集中而形成的集中應(yīng)力，其峰值可能比基本應(yīng)力高出數(shù)倍。數(shù)值雖大，但分布范圍很小。l應(yīng)力集中問題的求解一般不涉及殼體中性面的總體不連續(xù)問題，主要是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)問題，并依靠彈性力學(xué)方法求解。l實際很難求得理論

47、的彈性解，常用實驗方法測定或采用數(shù)值解求得。 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 (二) 應(yīng)力分析設(shè)計中的術(shù)語： (1) 薄膜應(yīng)力薄膜應(yīng)力(membrane stress) ：是沿截面厚度均勻分布的應(yīng)力成分，其等于沿所考慮截面厚度的應(yīng)力平均值。 (2) 彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力(bending stress) ：是法向應(yīng)力沿截面厚度上的變化分量。沿厚度的變化可以是線性的，也可以不是線性的。最大值發(fā)生在容器的表面處，設(shè)計時取最大值。分析設(shè)計的彎曲應(yīng)力是指線性的。(3) 法向應(yīng)力法向應(yīng)力(normal stress) ：垂直于所考慮截面的應(yīng)力分量，也稱正應(yīng)力。通常法向應(yīng)力沿部件厚度的分布是

48、不均勻的，可將法向應(yīng)力視為由兩種成分組成，一是均勻分布的成分，該截面厚度應(yīng)力的平均值(即為薄膜應(yīng)力)；另一是沿截面厚度各點而變化的成分，可能是線性的，也可能是非線性的。 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 (二) 應(yīng)力分析設(shè)計中的術(shù)語： (4) 切應(yīng)力切應(yīng)力(shear stress) ：是與所考慮截面相切的應(yīng)力成分 。 (5) 應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)力強(qiáng)度(stress intensity) ：某處的應(yīng)力若系三向或二向應(yīng)力時，其組合應(yīng)力基于第三強(qiáng)度理論的當(dāng)量強(qiáng)度。規(guī)定為給定點處最大剪應(yīng)力的兩倍，即給定點處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的代數(shù)值(拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值)之差。(6) 總體結(jié)構(gòu)不

49、連續(xù)總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)(gross structural discontinuity ) ：指幾何形狀或材料不連續(xù)，使結(jié)構(gòu)在較大范圍內(nèi)的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化，對結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布與變形產(chǎn)生顯著影響?？傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)的實例如：封頭、法蘭、接管、支座等與殼體的連接處，不等直徑或不等壁厚、或彈性模量不等的殼體的連接處。 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 (二) 應(yīng)力分析設(shè)計中的術(shù)語： (7) 局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)(local structural discontinuity ) ：指幾何形狀和材料的不連續(xù)，僅使結(jié)構(gòu)在很小范圍內(nèi)的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化，對結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布和變形無顯著影響。

50、例如小的過渡圓角處，殼體與小附件連接處，以及未全熔透的焊縫處。 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計法概述 (三) 各種應(yīng)力對容器失效的影響 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 爆破總發(fā)生在遠(yuǎn)離封頭的圓筒體中部，從中央向兩頭撕裂 封頭與筒體連接處存在較大的不連續(xù)應(yīng)力，但爆破不從這里開始 不同的應(yīng)力引起容器失效的形式不同。 一、分析設(shè)計法概述 (三) 各種應(yīng)力對容器失效的影響 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力使容器在總體范圍內(nèi)發(fā)生彈性失效或塑性失效，即膜應(yīng)力可使筒體屈服變形，以致爆破。外壓引起總體剛性失穩(wěn)，即形狀失穩(wěn)。l其他機(jī)械載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力使容器發(fā)生局部范圍彈性失效或塑

51、性失效。l總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，由于相鄰部位存在相互約束，可能使部分材料屈服進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，可造成彈塑性失效。l總體熱應(yīng)力也會造成容器的彈塑性失效。l應(yīng)力集中(局部結(jié)構(gòu)不連續(xù))及局部熱應(yīng)力使局部材料屈服，雖然可以造成彈塑性失效，但只涉及范圍極小的局部，不會造成容器過度變形。l在交變載荷作用下，這種應(yīng)力再疊加上壓力載荷的應(yīng)力及不連續(xù)應(yīng)力會使容器出現(xiàn)疲勞裂紋，主要危害是導(dǎo)致疲勞失效。 一、分析設(shè)計法概述 (四) 以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l應(yīng)力分析設(shè)計的指導(dǎo)思想應(yīng)力分析設(shè)計的指導(dǎo)思想容器上存在不同載荷及不同的應(yīng)力，而且對容器失效的影響又各不相同，因此就應(yīng)當(dāng)更為科學(xué)地

52、將應(yīng)力進(jìn)行分類，并按不同的失效形式和設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核。l分析設(shè)計法分析設(shè)計法按這種設(shè)計思想進(jìn)行容器設(shè)計時必先進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計算出來，然后進(jìn)行應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效，這就是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 一、分析設(shè)計方法概述 二、容器的應(yīng)力分類 三、分析設(shè)計法對各類應(yīng)力強(qiáng)度的限制 四、應(yīng)力分析設(shè)計的程序及應(yīng)用 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 二、容器的應(yīng)力分類 化工容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類的基本原則是： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l應(yīng)力產(chǎn)生的原因，是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變

53、形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的；l應(yīng)力的分布，是總體范圍還是局部范圍的，沿壁厚的分布是均勻的還是線性的或非線性的；l對失效的影響，即是否會造成結(jié)構(gòu)過度的變形，及是否導(dǎo)致疲勞、韌性失效。 l應(yīng)力分類法將容器中的應(yīng)力分為三大類：一次應(yīng)力；二次應(yīng)力；峰值應(yīng)力。二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力p(primary stress) 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l一次應(yīng)力p也稱基本應(yīng)力，是為平衡壓力和其他機(jī)械載荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，可由與外載荷的平衡關(guān)系求得，由此一次應(yīng)力必然直接隨外載荷的增加而增加。l對于理想塑性材料，載荷達(dá)到極限狀態(tài)時即使載荷不再增加，仍會產(chǎn)生不可限制的塑性流動，直至破壞。l這就是一次

54、應(yīng)力的“非自限性”特征。 二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力p (primary stress)一次應(yīng)力還可以再分為如下三種： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l一次總體薄膜應(yīng)力pm(general primary membrane stress) p這是指在容器總體范圍內(nèi)存在的一次薄膜應(yīng)力，在達(dá)到極限狀態(tài)的塑性流動過程中不會發(fā)生重新分布。沿壁厚(截面)均勻分布的法向應(yīng)力即指薄膜應(yīng)力，或者指沿壁厚截面法向應(yīng)力的平均值。p一次總體薄膜應(yīng)力的實例有：圓筒形殼體及任何回轉(zhuǎn)殼體的封頭在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的由壓力引起的薄膜應(yīng)力、厚壁圓筒由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力以及周向應(yīng)力沿壁厚的平均值。 二、容器的應(yīng)力分

55、類 (一) 一次應(yīng)力p (primary stress)一次應(yīng)力還可以再分為如下三種： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l一次彎曲應(yīng)力pm(primary bending stress) p由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷作用產(chǎn)生的沿壁厚成線性分布的法向應(yīng)力。如：平板封頭遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)的中央部位在壓力作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。p一次彎曲應(yīng)力與一次總體薄膜應(yīng)力的不同之處在于沿壁厚的分布是線性的而不是均布的。p對受彎的板，當(dāng)兩個表面的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時，內(nèi)部材料仍處于彈性狀態(tài)，可以繼續(xù)承載，此時應(yīng)力沿壁厚的分布將重新調(diào)整。因此這種應(yīng)力不像總體薄膜應(yīng)力那樣容易使殼體失效，允許有較高的許用應(yīng)力。對一次彎曲應(yīng)力可以用

56、極限分析方法作強(qiáng)度校核。 二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力p (primary stress)一次應(yīng)力還可以再分為如下三種： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l一次局部薄膜應(yīng)力pl (general local membrane stress) p這是指由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力(一次的)和結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力(二次的)的統(tǒng)稱，從保守考慮將此種應(yīng)力劃為一次局部薄膜應(yīng)力。p例如圓筒中由壓力產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力在遠(yuǎn)離不連續(xù)區(qū)的地方稱一次總體薄膜應(yīng)力(pm)，而在不連續(xù)區(qū)則稱為一次局部薄膜應(yīng)力(pl)。p由總體不連續(xù)效應(yīng)在殼體的邊緣區(qū)域產(chǎn)生的周向薄膜應(yīng)力，雖然具有二次應(yīng)力

57、的性質(zhì)，但從方便和穩(wěn)妥考慮仍保守地視為一次性質(zhì)應(yīng)力。p永久性支座或接管給予殼體的局部力與力矩而產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力也是一次局部薄膜應(yīng)力。 二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力p (primary stress)一次應(yīng)力還可以再分為如下三種： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l一次局部薄膜應(yīng)力pl (general local membrane stress) p“局部”與“總體”是按經(jīng)線方向的作用區(qū)域來劃分的，如果應(yīng)力強(qiáng)度超過1.1的區(qū)域沿經(jīng)線方向的延伸距離小于1.0rt，或者兩個超過1.1的一次局部薄膜應(yīng)力區(qū)在經(jīng)線方向的距離不小于2.5rt，都可以認(rèn)為是局部的，否則劃為總體的。此處r為殼體的第二曲

58、率半徑，t為壁厚；若為兩個相鄰殼體，則r0.5(r1+r2)，t0.5(t1+t2)。p當(dāng)結(jié)構(gòu)局部發(fā)生塑性流動時，這類應(yīng)力將重新分布。若不加限制，則當(dāng)載荷從結(jié)構(gòu)的某一部分(高應(yīng)力區(qū))傳遞到另一部分(低應(yīng)力區(qū))時，會引起過度的塑性變形而失效。 二、容器的應(yīng)力分類 (二) 二次應(yīng)力q (secondary stress)第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l二次應(yīng)力q是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的法向應(yīng)力或切應(yīng)力，基本特征是具有自限性。l筒體與端蓋的連接部位存在“相鄰部件”的約束，厚壁容器內(nèi)外壁存在溫差時就形成“自身約束”。二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，不是為平衡外載荷所必需的，而是在

59、受載時在變形協(xié)調(diào)中產(chǎn)生的。當(dāng)約束部位發(fā)生局部的屈服和小量的塑性流動使變形得到協(xié)調(diào)，產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因(變形差)便得到滿足與緩和。亦即應(yīng)力和變形也受到結(jié)構(gòu)自身的抑制而不發(fā)展，這就是自限性。 二、容器的應(yīng)力分類 (二) 二次應(yīng)力q (secondary stress)第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l二次應(yīng)力的例子有：p總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位，如筒體與封頭、筒體或封頭與法蘭連接處的不連續(xù)應(yīng)力中的彎曲應(yīng)力屬二次應(yīng)力；p總體熱應(yīng)力，如圓筒殼中軸向溫度梯度所引起的熱應(yīng)力，由接管和與之相接殼體間的溫差所引起的熱應(yīng)力，由殼壁徑向溫差引起的熱應(yīng)力的當(dāng)量線性分量以及厚壁容器由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力梯度，這些都屬于二次應(yīng)力。

60、 二、容器的應(yīng)力分類 (三) 峰值應(yīng)力f (peak stress)第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計 l峰值應(yīng)力f是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量。峰值應(yīng)力最主要的特點是高度的局部性，因而不引起任何明顯的變形。其有害性僅是可能引起疲勞裂紋或脆性斷裂。l局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指幾何形狀或材料在很小區(qū)域內(nèi)的不連續(xù)，只在很小范圍內(nèi)引起應(yīng)力和應(yīng)變增大，即應(yīng)力集中，但對結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布和變形沒有重大影響。l結(jié)構(gòu)上的小半徑過渡圓角、部分未焊透及咬邊、裂紋等缺陷處均有應(yīng)力集中，均存在附加在一次與二次應(yīng)力之上的峰值應(yīng)力。l平板開孔為例，均勻拉伸膜應(yīng)力為 ，應(yīng)力集中系數(shù)為kt，則