第 四 章壓力容器的設計ppt課件

1、 4.1 概述概述 4.2 設計準則設計準則 4.3 常規(guī)設計常規(guī)設計 4.4 分析設計分析設計 4.5 疲勞分析疲勞分析 4.6 壓力容器設計技術(shù)進展壓力容器設計技術(shù)進展 分析設計方法分析設計方法不同失效形式不同失效形式壓力容器壓力容器發(fā)發(fā) 展趨展趨 勢勢大型化大型化選用高強度材料選用高強度材料高參數(shù)高參數(shù)本章著重本章著重 介介 紹紹壓力容器的設計思想壓力容器的設計思想常規(guī)設計方法常規(guī)設計方法彈性失效彈性失效4.1 概概 述述是設計的基本知識是設計的基本知識根據(jù)給定的根據(jù)給定的 ，遵循遵循 規(guī)定，規(guī)定，在確保在確保 的前提下，的前提下，經(jīng)濟、正確地經(jīng)濟、正確地 ，并進行結(jié)構(gòu)、強剛度并進行結(jié)構(gòu)

2、、強剛度 和密封設計。和密封設計。工藝設計條件工藝設計條件現(xiàn)行的規(guī)范標準現(xiàn)行的規(guī)范標準平安平安選擇材料選擇材料結(jié)構(gòu)設計結(jié)構(gòu)設計確定合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，滿足制造、確定合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，滿足制造、 檢驗、裝配、運輸和維修等要求。檢驗、裝配、運輸和維修等要求。強剛度設計強剛度設計確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強度或剛度及確定結(jié)構(gòu)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。穩(wěn)定性要求，以確保容器安全可靠地運行。密封設計密封設計選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性 能良好。能良好。4.1.1 設計要求設計要求安全性指結(jié)構(gòu)完整性和密封安全性指結(jié)構(gòu)完整性和密封

3、性。安全是前提，經(jīng)濟是目性。安全是前提，經(jīng)濟是目標，在充分保證安全的前提標，在充分保證安全的前提下盡可能做到經(jīng)濟。下盡可能做到經(jīng)濟。經(jīng)濟性包括材料的節(jié)約經(jīng)濟性包括材料的節(jié)約,高的效率高的效率, 經(jīng)濟的制造過經(jīng)濟的制造過程程, 低的操作和維修費用低的操作和維修費用等。等。 安全性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一安全性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一設計文件：設計文件：設計圖樣、設計圖樣、技術(shù)條件、技術(shù)條件、強度計算書，強度計算書，必要時還應包括設計或安裝、使用說明書。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。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)設計的

4、表現(xiàn)形式，是設計者的勞動體現(xiàn) 包括設計條件、所用規(guī)范和標準、資料、腐蝕裕量、包括設計條件、所用規(guī)范和標準、資料、腐蝕裕量、 計算厚度、名義厚度、計算應力等。計算厚度、名義厚度、計算應力等。 裝設安全泄放裝置的壓力容器，還應計算壓力容器安全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。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(jīng)當采用計算機軟件進行計算時，軟件必須經(jīng)“全國全國 鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會評審鑒定，并在鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會評審鑒定，并在 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備局認證備案，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫

5、總局特種設備局認證備案， 打印結(jié)果中打印結(jié)果中 應有軟件程序編號、輸入數(shù)據(jù)和計算結(jié)果應有軟件程序編號、輸入數(shù)據(jù)和計算結(jié)果 等內(nèi)容。等內(nèi)容。強度計算書強度計算書:包括壓力容器名稱、類別；設計條件；包括壓力容器名稱、類別；設計條件；必要時應注明壓力容器使用年限；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；主要受壓元件材料牌號及材料要求；主要特性參數(shù)如容積、換熱器換熱面積與程數(shù)等）；主要特性參數(shù)如容積、換熱器換熱面積與程數(shù)等）；制造要求；熱處理要求；防腐蝕要求；無損檢測要求；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；耐壓試驗和氣密性試

6、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；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。以及其它特殊要求。設計圖樣設計圖樣總圖總圖零部件圖零部件圖總圖總圖4.1.3 設計條件設計條件設計的已知條件設計的已知條件設計條件設計條件常用設計條件圖表示。常用設計條件圖表示。工藝設計條件工藝設計條件設計條件圖設計條件圖原始原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)工藝工藝要求要求簡圖簡圖用戶用戶要求要求接收接收表等表等簡圖簡圖示意性地畫出容器本體、主要內(nèi)件部分結(jié)構(gòu)示意性地畫出容器本體、主要內(nèi)件部分結(jié)構(gòu) 尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表達的尺寸、接管位置、支座形式及其它需要

7、表達的 內(nèi)容。內(nèi)容。設計設計用戶要求包括：用戶要求包括：設計條件圖設計條件圖攪拌容器條件圖攪拌容器條件圖塔器條件圖塔器條件圖換熱器條件圖換熱器條件圖一般容器條件圖一般容器條件圖應注明換熱管規(guī)格、應注明換熱管規(guī)格、管長及根數(shù)、排列管長及根數(shù)、排列形式、換熱面積與形式、換熱面積與程數(shù)等；程數(shù)等；應注明塔型浮閥應注明塔型浮閥塔、篩板塔或填料塔、篩板塔或填料塔）、塔板數(shù)量及塔）、塔板數(shù)量及間距、基本風壓和間距、基本風壓和地震設計烈度和場地震設計烈度和場地土類別等；地土類別等；應注明攪拌器形式、轉(zhuǎn)應注明攪拌器形式、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、軸功率等。速及轉(zhuǎn)向、軸功率等。4.1.4 設計的基本步驟設計的基本步驟1. 物

8、料衡算：2. 熱量衡算：3. 設備的類型選擇：4. 設備工藝尺寸確定：5. 設備部件的受力分析：6. 材料的選擇：7. 設備初步設計：8. 施工圖設計：9. 設備附件的選擇：10. 安全附件的配用：10. 制造、驗收與裝配的技術(shù)條件：失效形式失效形式失效判據(jù)失效判據(jù)（選擇）（選擇）設計準則設計準則（相應）（相應）設計是否合理設計是否合理（判別）（判別）失效失效壓力容器在規(guī)定的壓力容器在規(guī)定的 使用環(huán)境和時間內(nèi)，使用環(huán)境和時間內(nèi)， 因尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而完全因尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而完全 失去或不能達到原設計要求包括功能和失去或不能達到原設計要求包括功能和 壽命等的現(xiàn)象。壽命等的

9、現(xiàn)象。失效表現(xiàn)形式失效表現(xiàn)形式 失效原因失效原因多種多樣多種多樣泄漏泄漏過度變形過度變形斷裂斷裂一、壓力容器失效形式一、壓力容器失效形式（1強度失效強度失效（2剛度失效剛度失效（3失穩(wěn)失效失穩(wěn)失效（4泄漏失效泄漏失效失效形式失效形式(一一)、壓力容器基本失效形式、壓力容器基本失效形式a.韌性斷裂韌性斷裂韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產(chǎn)生的韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產(chǎn)生的 應力達到或接近所用材料的強度極限而發(fā)生應力達到或接近所用材料的強度極限而發(fā)生 的斷裂。的斷裂。（1強度失效強度失效因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效， 稱為強度失效，包括稱為強度失效

10、，包括a韌性斷裂、韌性斷裂、 （b脆性斷裂、（脆性斷裂、（c疲勞斷裂、疲勞斷裂、 （d蠕變斷裂、（蠕變斷裂、（e腐蝕斷裂等。腐蝕斷裂等。特征特征原因原因斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長伸長率可達周長伸長率可達1020%，斷口處厚度顯著，斷口處厚度顯著減??；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實測厚減?。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。度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當接近。壁厚過薄和內(nèi)壓過高壁厚過薄和內(nèi)壓過高壁厚未經(jīng)設計壁厚未經(jīng)設計計算和壁厚因計算和壁厚因 腐蝕而減薄腐蝕而減薄操作失誤、液體操作失誤、液體受熱膨脹、化

11、學受熱膨脹、化學反應失控等。反應失控等。嚴格按照規(guī)范設計、選材，嚴格按照規(guī)范設計、選材，配備相應的安全附件，配備相應的安全附件，且運輸、裝置、使用、檢修遵循有關(guān)的規(guī)定且運輸、裝置、使用、檢修遵循有關(guān)的規(guī)定韌性斷裂可以避免韌性斷裂可以避免斷裂時容器沒有膨脹，即無明顯的塑性變形；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；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。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，其后果要比破片、安全閥等安全

12、附件不會動作，其后果要比韌性斷裂嚴重得多。韌性斷裂嚴重得多。特征特征b.脆性斷裂脆性斷裂脆性斷裂是指變形量很小、且在殼壁中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。發(fā)生，故又稱為低應力脆斷。脆性斷脆性斷裂原因裂原因材料脆性和缺陷。材料脆性和缺陷。a. 材料選用不當、焊接與熱處理不當使材料材料選用不當、焊接與熱處理不當使材料 脆化；低溫、長期在高溫下運行、應變脆化；低溫、長期在高溫下運行、應變 時效等也會使材料脆化；時效等也會使材料脆化；

13、b. 壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在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、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(chǎn)生的起的未熔透、裂紋等或使用中產(chǎn)生的 缺陷，也會導致脆性斷裂發(fā)生。缺陷，也會導致脆性斷裂發(fā)生。 交變載荷交變載荷指大小和或方向都隨時間周期性指大小和或方向都隨時間周期性 （或無規(guī)則變化的載荷。（或無規(guī)則變化的載荷。 包括包括壓力波動、開車停車；加熱或冷卻時溫度變壓力波動、開車停車；加熱或冷卻時溫度變 化引起的熱應力變化；振動或容器接管引起化引起的熱應力變化；振動或容

14、器接管引起 的附加載荷的交變而形成的交變載荷。的附加載荷的交變而形成的交變載荷。需要指出需要指出原材料或制造過程中產(chǎn)生的裂紋，原材料或制造過程中產(chǎn)生的裂紋， 也會在交變載荷的反復作用下擴展而導致也會在交變載荷的反復作用下擴展而導致 壓力容器疲勞。壓力容器疲勞。c.疲勞斷裂疲勞斷裂在交變載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生在交變載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生 裂紋或突然發(fā)生斷裂失效的過程。裂紋或突然發(fā)生斷裂失效的過程。失效形式失效形式“未爆先漏未爆先漏” ，破壞需要有一定時間。，破壞需要有一定時間。疲勞破壞疲勞破壞包括裂紋萌生、擴展和最后斷裂三個階段。包括裂紋萌生、擴展和最后斷裂三個階段。裂紋源裂

15、紋源往往往往位于接管根部、位于接管根部、焊接接頭等高應焊接接頭等高應力區(qū)或有缺陷的力區(qū)或有缺陷的部位。部位。裂紋擴展區(qū)裂紋擴展區(qū)是是疲勞斷口最重要的疲勞斷口最重要的特征區(qū)域。常呈現(xiàn)特征區(qū)域。常呈現(xiàn)貝紋狀，是疲勞裂貝紋狀，是疲勞裂紋擴展過程中留下紋擴展過程中留下的痕跡。的痕跡。瞬時斷裂區(qū)瞬時斷裂區(qū)裂紋擴展到一定裂紋擴展到一定程度時的快速斷程度時的快速斷裂區(qū)。裂區(qū)。疲勞斷口疲勞斷口裂紋源、裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)組成。裂紋源、裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)組成。特征特征: 疲勞斷裂時容器的總體應力值較低，斷裂往往在疲勞斷裂時容器的總體應力值較低，斷裂往往在容器正常工作條件下發(fā)生，沒有明顯征兆，是突容器正常工

16、作條件下發(fā)生，沒有明顯征兆，是突發(fā)性破壞，接近脆斷，危險性很大。發(fā)性破壞，接近脆斷，危險性很大。從變形看從變形看 具有韌性斷裂特征具有韌性斷裂特征從應力看從應力看具有脆性斷裂特征具有脆性斷裂特征d.蠕變斷裂蠕變斷裂壓力容器在高溫下長期受載，隨時間的增加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。與鼓脹變形，最終導致壓力容器斷裂。均勻腐蝕的減薄和均勻腐蝕的減薄和局部腐蝕的凹坑局部腐蝕的凹坑引起的斷裂引起的斷裂晶間腐蝕和應力腐蝕晶間腐蝕和應力腐蝕引起的斷裂引起的斷裂e.腐蝕斷裂腐蝕斷裂韌性斷

17、裂特征脆性斷裂特征。韌性斷裂特征脆性斷裂特征。（2剛度失效剛度失效 由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效。由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效。 （3失穩(wěn)失效失穩(wěn)失效 在壓應力作用下，壓力容器突然失去其在壓應力作用下，壓力容器突然失去其 原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。 （4泄漏失效泄漏失效泄漏而引起的失效。泄漏而引起的失效。 危害危害: 可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故， 造成環(huán)境污染等。造成環(huán)境污染等。交互失效交互失效多種因素作用下同時發(fā)生多種形式的失效。多種因素作用下同時發(fā)生多種形式的失效。(二二)、交互失效形式、交互失效形式例如：例如：

18、 腐蝕疲勞腐蝕疲勞腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)交變應力交變應力 蠕變疲勞蠕變疲勞 高高 溫溫交變應力交變應力壓力容器最可能發(fā)生的失效形式壓力容器最可能發(fā)生的失效形式二、失效判據(jù)與設計準則二、失效判據(jù)與設計準則設計思路設計思路求得壓力容器在穩(wěn)態(tài)或求得壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學響應瞬態(tài)工況下的力學響應（如應力、應變、固有頻率等）（如應力、應變、固有頻率等）確定力學響應的限制值以確定力學響應的限制值以判斷壓力容器能否安全使用判斷壓力容器能否安全使用是否獲得滿意的使用效果是否獲得滿意的使用效果（根據(jù)）（根據(jù)）(1)失效判據(jù)失效判據(jù)將力學分析將力學分析 結(jié)果與簡單實驗測量結(jié)果結(jié)果與簡單實驗測量結(jié)果 相比較，判

19、別壓力容器是相比較，判別壓力容器是 否會失效。這種判據(jù)，稱否會失效。這種判據(jù)，稱 為失效判據(jù)。為失效判據(jù)。（2設計準則設計準則根據(jù)失效根據(jù)失效 判據(jù)，再考慮各種不確判據(jù)，再考慮各種不確 定因素，引入安全系數(shù)，定因素，引入安全系數(shù)， 得到與失效判據(jù)相對應得到與失效判據(jù)相對應 的設計準則。的設計準則。分類分類強度失效設計準則強度失效設計準則剛度失效設計準則剛度失效設計準則穩(wěn)定失效設計準則穩(wěn)定失效設計準則泄漏失效設計準則泄漏失效設計準則適用的設計標準適用的設計標準壓力容器設計時壓力容器設計時先確定最有可能的失效形式最有可能的失效形式選擇合適的失效叛據(jù)和設計準則合適的失效叛據(jù)和設計準則確定進行設計、校

20、核進行設計、校核再按照標準要求強度失效的兩種主要形式：強度失效的兩種主要形式：屈從屈從斷裂斷裂（在常溫、靜載作用下）（在常溫、靜載作用下）常用的強度失效設計準則：常用的強度失效設計準則：彈性失效設計準則彈性失效設計準則塑性失效設計準則塑性失效設計準則爆破失效設計準則爆破失效設計準則彈塑性失效設計準則彈塑性失效設計準則疲勞失效設計準則疲勞失效設計準則蠕變失效設計準則蠕變失效設計準則脆性斷裂失效設計準則脆性斷裂失效設計準則彈性失效設計準則彈性失效設計準則將容器總體部位的初始屈服視為失效。將容器總體部位的初始屈服視為失效。一、彈性失效設計準則一、彈性失效設計準則 （韌性材料）（韌性材料）1、單向拉伸

21、、單向拉伸最大拉應力準則最大拉應力準則s t失效判據(jù)的失效判據(jù)的數(shù)學表達試數(shù)學表達試相應的設計準則相應的設計準則最大拉應力準則最大拉應力準則屈服應力屈服應力許用應力許用應力最大拉應力最大拉應力s t t11（4-3）式中式中: 2、任意應力狀態(tài)、任意應力狀態(tài)（1最大切應力準則最大切應力準則屈雷斯卡屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判據(jù)屈服失效判據(jù)任意應力任意應力狀態(tài)狀態(tài)（4-4）s31 t31（最大切應力屈服失效判據(jù)）（最大切應力屈服失效判據(jù)）第三強度理論第三強度理論任意應任意應力狀態(tài)力狀態(tài)s)- ()- ()-(212132322212221223311( - )( - )( - ) 2t（4

22、-5） （2形狀改變比能準則形狀改變比能準則形狀改變比能失效判據(jù)：形狀改變比能失效判據(jù)：第四強度理論：第四強度理論：teqi21323222143131eq121eqeq3、應力強度或相當應力、應力強度或相當應力彈性失效設計準則統(tǒng)一：彈性失效設計準則統(tǒng)一：1、彈性失效準則與塑性失效準則的對比、彈性失效準則與塑性失效準則的對比二、塑性失效設計準則二、塑性失效設計準則sopp 2、塑性失效設計準則、塑性失效設計準則理想彈塑性材料，內(nèi)壓厚壁圓筒理想彈塑性材料，內(nèi)壓厚壁圓筒sosonpp （4-6）（4-7） p設計壓力設計壓力全屈服壓力全屈服壓力sopson全屈服安全系數(shù)壓力容器一般具有應變硬化現(xiàn)象

23、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壓力大于全屈服壓力（4-8）三、爆破失效設計準則三、爆破失效設計準則容器爆破作為失效判據(jù)容器爆破作為失效判據(jù)爆破失效設計準則：爆破失效設計準則：bbnpp bpbn爆破壓力爆破壓力爆破安全系數(shù)爆破安全系數(shù) 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：適用于各種載荷應用場合：適用于各種載荷 不按同一比例遞增、不按同一比例遞增、 載荷大小反復變化。載荷大小反復變化。初始屈服載荷初始屈服載荷最大應力最大應力 點進入塑性相對應點進入塑性相對應 的載荷。的載荷。四、彈塑性失效設計準則四、彈塑性失效設計準

24、則 容器承受稍大于初始屈服載荷的載荷容器承受稍大于初始屈服載荷的載荷 少量的局部塑性變形少量的局部塑性變形 殘余應力場殘余應力場 若容器所受的若容器所受的 載荷較小載荷較小 應力疊加后小于屈服點應力疊加后小于屈服點 保持彈性行為保持彈性行為 無新塑性變形無新塑性變形 “安定狀態(tài)。安定狀態(tài)。 載荷繼續(xù)增大載荷繼續(xù)增大 反向屈服，或塑性變形累積反向屈服，或塑性變形累積 喪失安定喪失安定 漸增塑性變形漸增塑性變形 “不安定狀態(tài)。不安定狀態(tài)。安定載荷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。安定和不安定的臨界狀態(tài)相對應的載荷變化范圍。工程上工程上: 由于超過安定載荷后容器并不立即破壞，危險性較小，由于超過安定載荷后容器并不立即破壞，危險性較小，安定載荷的安全系數(shù)安定載荷的安全系數(shù)1.0，最大載荷變化范圍，最大載荷變化范圍 安定載荷。安定載荷。安定狀態(tài)安定狀態(tài)低周疲勞低周疲勞每次循環(huán)中材料都將產(chǎn)生一定的塑性應變，疲勞每次循環(huán)中材料都將產(chǎn)生一定的塑性應變，疲勞 破壞時的循環(huán)次數(shù)較低，一般在破壞時的循環(huán)次數(shù)較低，一般在105次以下。次以下。低周疲勞設計曲線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)由試驗及理論得，虛擬應力幅與許用循環(huán) 次數(shù)之間的關(guān)系曲線。次數(shù)之間的關(guān)系曲線。疲勞