壓力容器設計

1、1概述設計的基本知識：設計要求設計文件.設計條件壓力容器設計：根據給定的工藝設計條件， 遵循現(xiàn)行的規(guī)范標準 規(guī)定，在確保安全的前提下，經濟正確地選擇材料，并進行結 構、強（剛）度、禾口密封設計。結構設計一一確定合理、經濟的結構形式，滿足制造、檢驗、裝配、運輸和維修等要求。強（剛）度設計 一一確定結構尺寸，滿足強度或剛度及穩(wěn)定性要求，以確保容器安全可靠地運行。密封設計一一選擇合適的密封結構和材料，保證密封性能良好。1.1設計要求安全性與經濟性的統(tǒng)一安全是前提，經濟是目標，在充分保證安全的前提下盡可能做到經濟。安全性主要是指結構完 整性和密封性。經濟性包括高的效率、原材料的節(jié)省、經濟的制造方法、低

2、的操作和維修費用等。1.2設計文件設計文件包括：設計圖樣、技術條件、設計計算書，必要時還應包括設計或安裝、使用說明書 。若按分析設計標準設計，還應提供應力分析報告。設計的表現(xiàn)形式，是設計者的勞動體現(xiàn)設計計算書：包括設計條件、所用規(guī)范和標準、材料、腐蝕裕量、計算厚度、名義厚度、計算結果等。裝設安全泄放裝置的壓力容器，還應計算壓力容器安全泄放量、安全閥排量和爆破片泄放面積。當采用計算機軟件進行計算時，軟件必須經“全國鍋爐壓力容 器標準化技術委員會”評審鑒 定，并在國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局 特種設備局認證備案”，打印結果中應有軟件程序編 號、輸入數據和計算結果等內容。設計圖樣包括總圖和零件圖總圖包括

3、壓力容器名稱、類別、設計條件;必要時應注明壓力容器使用年限；主要受壓元件材料、牌號及材料要求；主要特性參數（如容積、換熱器換熱面積與程數等）；制造要求、熱處理要求、防腐蝕要求、無損檢測要求；耐壓試驗和氣密性試驗要求、安全附件的規(guī)格； 壓力容器銘牌的位置，包裝、運輸、現(xiàn)場組焊和安裝要求，以及其它特殊要求。1.3設計條件工藝設計條件一一原始數據、工藝要求（常用設計條件圖表示）。設計條件圖 包括簡圖、用戶要求、接管表 等簡 圖一一示意性地畫出容器本體、主要內件部分結構尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表達的內容 用戶要求（1）工作介質：介質學名或分子式、主要組分、比重及危害性等；）壓力和溫度：工作壓

4、力、工作溫度、環(huán)境溫度等；）操作方式與要求： 注明連續(xù)操作或間隙操作，以及壓力、溫度是否穩(wěn)定；對壓力、溫度有波動時，應注明 動頻及變化范圍；對開、停車頻繁的容器應注明每年的開車、停車次數；）其它：還應注明容積、材料、腐蝕速率、設計壽命、是否帶安全裝置、是否保溫等。條件圖主要有以下幾種 ：般容器條件圖熱器條件圖：應注明換熱管規(guī)格、管長及根數、排列形式、換熱面積與程數等；器條件圖：應注明塔型（浮閥塔、篩板塔或填料塔）、塔板數量及間距、基本風壓和地震設計烈度和場地土類等； 拌容器條件圖：應注明攪拌器形式、轉速及轉向、軸功率等。2設計準則由失效形式一一 選擇失效判據一一 得到相應設計準則一一 判斷設計

5、是否合理。2.1壓力容器失效定義：壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時間內，因尺寸、形狀或者材料性能變化而危及安全或 者喪失正常功能的現(xiàn)象。失效表現(xiàn)形式：泄漏、過度變形、斷裂 。（1）強度失效一、壓力容器失效形式因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強度失效，包括韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂等。韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產生的應力達到或接近所用材料的強度極限而發(fā)生的斷 裂。特征：斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長伸長率可達1020%斷口處厚度顯著減?。粵]有碎片，或偶爾有碎片；按實測厚度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當接近。原因：壁厚過薄（壁厚未經設計計算和壁厚因腐蝕

6、而減薄）和內壓過高（操作失誤、液體受 熱膨脹、化學反應失控等）。嚴格按照規(guī)范設計、選材，配備相應的安全附件，且運輸、安裝、使用、檢修遵循有關的規(guī) 定，韌性斷裂可以避免。脆性斷裂是指變形量很小、且在殼壁中的應力值遠低于材料的強度極限時發(fā)生的斷裂。這種斷裂是在較低應力狀態(tài)下發(fā)生，故又稱為低應力脆斷。特征：斷裂時容器沒有膨脹，即無明顯的塑性變形；其斷口齊平，并與最大應力方向垂直； 斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片。由于脆性斷裂時容器的實際應力值往往很低，爆破 片、安全閥等安全附件不會動作，其后果要比韌性斷裂嚴重得多。原因：材料脆性和缺陷。材料選用不當、焊接與熱處理不當使材料脆化；低溫、長期在高溫

7、下運行、應變時效等也會使材料脆化；壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴重的原始缺 陷（如原材料的夾渣、分層、折疊等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂紋等）或使用 中產生的缺陷，也會導致脆性斷裂發(fā)生。疲勞斷裂是指在交變載荷作用下，經過一定周期后發(fā)生的斷裂。交變載荷一一指大小和（或）方向都隨時間周期性（或無規(guī)則）變化的載荷。包括運行時的 壓力波動、開車和停車、加熱或冷卻時溫度變化引起的熱應力變化、振動引起的應力變化、 容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷等。需要指出，原材料或制造過程中產生 的裂紋，也會在交變載荷的反復作用下擴展而導致壓力容器疲勞。疲勞破壞包括裂紋萌生、擴展和最后斷裂三個

8、階段。疲勞斷口由裂紋源、裂紋擴展區(qū)和最終 斷裂區(qū)組成。*裂紋源往往位于接管根部、焊接接頭等高應力區(qū)或有缺陷的部位。裂紋擴展區(qū)一一是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域。常呈現(xiàn)貝紋狀，是疲勞裂紋擴展過程中留下的 痕跡。最終斷裂區(qū)一一裂紋擴展到一定程度時的快速斷裂區(qū)。由剩余截面不能再承受施加的載荷造成的失效形式一一“未爆先漏”，破壞需要有一定時間。蠕變斷裂是壓力容器在高溫下長期受載， 隨時間的增加材料不斷發(fā)生蠕變變形， 造成壁厚明顯 減薄與鼓脹變形，最終導致壓力容器斷裂。從變形看具有韌性斷裂特征，從應力看具有脆性斷裂特征腐蝕斷裂 具有韌性斷裂 （均勻腐蝕的減薄和局部腐蝕的凹坑引起的斷裂）特征脆性斷裂（晶 間腐

9、蝕和應力腐蝕引起的斷裂）特征。（ 2）剛度失效 由于壓力容器的變形大到足以影響其正常工作而引起的失效，如塔受風。（ 3）失穩(wěn)失效 在壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。（ 4）泄漏失效 泄漏而引起的失效。 其危害可能引起中毒、 燃燒和爆炸等事故， 造成環(huán)境污 染等。（ 5）交互失效 實際中可能同時發(fā)生多種形式的失效。二、失效判據與設計準則設計思路 ：求得壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學響應（如應力、應變、固有頻率等），根 據壓力容器最可能發(fā)生的失效形式，確定力學響應的限制值以判斷壓力容器能否安全使用是 否獲得滿意的使用效果。失效判據 將力學分析結果與簡單實驗測量結果相

10、比較， 判別壓力容器是否會失效。 這種判 據，稱為失效判據。設計準則 根據失效判據，再考慮各種不確定因素，引入安全系數，得到與失效判據相對應 的設計準則。分類：強度失效設計準則 剛度失效設計準則 失穩(wěn)失效設計準則 泄漏失效設計準則壓力容器設計時先確定最可能的失效形式，然后選擇合適的失效判據和設計準則，確定使用 的設計標準，再按照標準大額要求進行設計、校核。2.2 強度失效設計準則強度失效的兩種主要形式： 屈服、斷裂 。常用的強度失效設計準則 :一、 彈性失效設計準則 （韌性材料）將容器總體部位的初始屈服視為失效。1 、 單向拉伸 最大拉應力準則I大拉應力準則（1）最大切應力準則屈雷斯卡（Tre

11、sca）屈服失效判據一一最大切應力屈服失效判據一一第三強度理論（2）形狀改變比能準則形狀改變比能失效叛據一一第四強度理論%©9尸#© -巧尸+ (巧-帝莖刃-(4-5)、塑性失效設計準則0尸+（巧F'=込3、應力強度或相當應力彈性失效設計準則統(tǒng)一：- H r22"%珂吐（眄_對 +G巧）+（巧苗）_劇服失效的 數學農達試最大拉應力;屈服應力，;許用應力2、任意應力狀態(tài)彈性失效設計準則塑性失效設計準則1、彈性失效準則與塑性失效準則的對比:依據危險點的應力強度達到許用應力整個危險面屈服應用韌性材料各處應力分布均勻，如薄壁容器韌性材料應力分布不均勻，如厚壁圓筒2

12、、塑性失效設計準則理想彈塑性材料，內壓厚壁圓筒由 二，P設計壓力，Pso全屈服壓力/ 全屈服安全系數三、爆破失效設計準則容器爆破作為失效叛據一一壓力容器一般具有應變硬化現(xiàn)象爆破壓力大于全屈服壓力爆破失效設計準則：乩四、彈塑性失效設計準則又稱為安定性準則，認為載荷變化范圍達到安定載荷，容器就失效。應用場合：適用于各種載荷不按同一比例遞增、載荷大小反復變化。初始屈服載荷 最大應力點進入塑性相對應的載荷。安定狀態(tài)一一 容器承受稍大于初始屈服載荷的載荷 一一 少量的局部塑性變形一一 殘余應力場一一 若容 器所受的載荷較小一一 應力疊加后小于屈服點一一 保持彈性行為一一 無新塑性變形一一 “安定”狀 態(tài)

13、；一一 載荷繼續(xù)增大一一 反向屈服，或塑性變形累積 一一 喪失安定一一 漸增塑性變形。安定載荷安定和不安定的臨界狀態(tài)相對應的載荷變化范圍。工程上：由于超過安定載荷后容器并不立即破壞， 安定載荷的安全系數=1.0，最大載荷變化范圍 安定載 荷。五、疲勞失效設計準則低周疲勞一一每次循環(huán)中材料都將產生一定的塑性應變，疲勞破壞時的循環(huán)次數較低，一般在105次以下。低周疲勞設計曲線 由試驗及理論得，虛擬應力幅與許用循環(huán)次數之間的關系曲線。疲勞失效設計準則 最大虛擬應力幅按低周疲勞設計曲線所確定的許用循環(huán)次數大于容器所需的循環(huán)次 數，容器就不會發(fā)生疲勞失效。斷裂力學理論一一帶裂紋的壓力容器疲勞設計準則，即

14、按照疲勞裂紋擴展與斷裂的規(guī)律對循環(huán)載荷作用下的 容器作出安全評定。六、蠕變失效設計準則將應力限制在由蠕變極限和持久強度確定的許用應力以內。七、脆性斷裂失效設計準則脆性斷裂一一屬于斷裂力學的研究范圍，認為材料中存在缺陷，研究缺陷在載荷和環(huán)境作用下的破壞規(guī)律。斷裂力學應用一一（1）指導壓力容器的選材和設計（2）在役壓力容器的安全評定脆性斷裂失效設計準則：（1）破損安全設計一一假設裂紋存在時，結構還能承受工作載荷一一容器裂紋容限問題。（2）先漏后爆設計一一材料具有足夠韌性，快速斷裂前，裂紋已穿透壁厚，導致泄漏發(fā)生，可避免突發(fā)快 速斷裂，減少損失說明：假設裂紋，真實裂紋（漏檢或在使用中產生）防止容器發(fā)生脆性破壞：（1） 材料一一根據受壓元件的厚度、應力水平、最低金屬溫度、載荷性質、介質對材料韌性的影響等因素, 提出材料夏比V缺口沖擊功或斷裂韌性驗收指標。（2）缺陷 盡量減少焊接接頭；提高無損檢測技術。（3）設計一一由無損檢測水平一假設高應力區(qū)存在裂紋一利用斷裂方法一裂紋安全性評估一確保容器不發(fā) 生低應力脆性破壞。2.3剛度失效設計準則在載荷作用下，要求構件的彈性位