壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)課件

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2022/12/19壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2022/12/13壓力容器應(yīng)力分1一、壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1.壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)一、壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1.壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)壓力容器應(yīng)力2薄壁容器：2.薄壁壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1）基本概念①回轉(zhuǎn)殼體壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)薄壁容器：2.薄壁壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1）基本概念①回3②軸對稱問題：指殼體的幾何形狀?約束條件和所受外力都對稱于回轉(zhuǎn)軸的問題。③中間面指與殼體內(nèi)外表面等距離的曲面。④母線：AB⑤經(jīng)線：AB′、AB〃⑥法線：(n)⑦緯線：CND圓壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)②軸對稱問題：指殼體的幾何形狀?約束條件和所受外力4第一曲率半徑：指中間面上的一點(diǎn)M處經(jīng)線的曲率半徑：R1=MK1第二曲率半徑：通過經(jīng)線上一點(diǎn)M的法線作垂直于經(jīng)線的平面，其與中間面相交形成曲線ME，此曲線在M點(diǎn)處的曲率半徑稱為該點(diǎn)的第二曲率半徑：R2=MK2壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)第一曲率半徑：指中間面上的一點(diǎn)M處經(jīng)線的曲率半徑：R52）薄壁容器變形特點(diǎn)當(dāng)容器內(nèi)部壓力P大于外部壓力P外時(shí)，容器產(chǎn)生兩種變形：拉伸變形和彎曲變形，其中拉伸應(yīng)力σ拉遠(yuǎn)大于彎曲應(yīng)力σ彎。承受內(nèi)壓圓筒中的薄膜應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2）薄壁容器變形特點(diǎn)當(dāng)容器內(nèi)部壓力P大于外部6㈠無力矩理論的基本假設(shè)①直法線假設(shè)②互不擠壓假設(shè)——變形前后殼體厚度不變。——忽略殼壁的法向應(yīng)力。3）薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)㈠無力矩理論的基本假設(shè)①直法線假設(shè)②互不擠壓假設(shè)7

m：經(jīng)向應(yīng)力：環(huán)向應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)m：經(jīng)向應(yīng)力：環(huán)向應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)8

㈡環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)㈡環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)9外力的合力在微元體法線方向的投影：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)外力的合力在微元體法線方向的投影：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)10經(jīng)向應(yīng)力的合力在法線n上的投影：環(huán)向應(yīng)力的合力在法線n上的投影：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)經(jīng)向應(yīng)力的合力在法線n上的投影：環(huán)向應(yīng)力的合力在法線n上的投11根據(jù)法線方向力的平衡條件，得：即因?yàn)椋赫淼茫簤毫θ萜鲬?yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)根據(jù)法線方向力的平衡條件，得：即因?yàn)椋赫淼茫簤毫θ萜鲬?yīng)力分12作用在該部分的外力在z軸方向上合力為Pz作用在該截面上的應(yīng)力在z軸上投影為Nz㈢經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)作用在該部分的外力在z軸方向上合力為Pz作用在該截面上的應(yīng)力13由z軸方向的平衡條件：即壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)由z軸方向的平衡條件：即壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)14(2-1)(2-2)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)(2-1)(2-2)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)15㈣軸對稱回轉(zhuǎn)殼體薄膜理論的應(yīng)用范圍

薄壁無力矩應(yīng)力狀態(tài)的存在，必須滿足殼體是軸對稱的，即幾何形狀、材料、載荷的對稱性和連續(xù)性，同時(shí)需保證殼體應(yīng)具有自由邊緣。當(dāng)這些條件不能全部滿足時(shí)，就不能應(yīng)用無力矩理論去分析發(fā)生彎曲時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。但遠(yuǎn)離局部區(qū)域的情況，無力矩理論仍然有效。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)㈣軸對稱回轉(zhuǎn)殼體薄膜理論的應(yīng)用范圍薄壁無力矩應(yīng)力狀164）受氣體內(nèi)壓的殼體的受力分析

①圓筒形殼體

圓筒殼的第一曲率半徑R1=∞，第二曲率半徑R2=D/2代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2）得：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)4）受氣體內(nèi)壓的殼體的受力分析①圓筒形殼體圓筒殼的第一曲17分析：薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍。問題a：筒體上開橢圓孔，如何開?應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)分析：薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍。應(yīng)使其短軸與筒體18分析：問題b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時(shí)應(yīng)予以注意。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)分析：問題b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？筒19例：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)例：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)20②球形殼體

球殼的R1＝R2=D/2，代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2）得：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)②球形殼體球殼的R1＝R2=D/2，代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公21③橢圓形殼體

橢圓殼的經(jīng)線為一橢圓，設(shè)其經(jīng)線方程為

由此方程可得第一曲率半徑為：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)③橢圓形殼體橢圓殼的經(jīng)線為一橢圓，設(shè)其經(jīng)線方程為由此方程22根據(jù)上圖，第二曲率半徑為：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)根據(jù)上圖，第二曲率半徑為：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)23將所得R1與R2代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2）得：

在頂點(diǎn)（x=0）處

橢圓殼體上的應(yīng)力分布為：

在邊緣（x=a）處

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)將所得R1與R2代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-224橢圓封頭的經(jīng)向應(yīng)力分布壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)橢圓封頭的經(jīng)向應(yīng)力分布壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)25對于化工常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：

邊緣處：

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)對于化工常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：

26④圓錐形殼體右圖所示為一圓錐形殼，半錐角為a，A點(diǎn)處半徑為r，厚度為d，則在A點(diǎn)處：代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2）得A點(diǎn)處的應(yīng)力：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)④圓錐形殼體右圖所示為一圓錐形殼，半錐角為a，A點(diǎn)處半徑為r27可見，在錐頂?shù)慕?jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力都為零；而在錐底r=D/2壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)可見，在錐頂?shù)慕?jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力都為零；而在錐底r=D28二、壓力容器的邊緣問題及特性1.邊緣問題①曲率變化導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)二、壓力容器的邊緣問題及特性1.邊緣問題①曲率變化導(dǎo)致29②聯(lián)接邊緣區(qū)的變形與應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)②聯(lián)接邊緣區(qū)的變形與應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)30壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)312.邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)①局部性——不同性質(zhì)的聯(lián)接邊緣產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，但它們大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨著離開邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅速衰減。②自限性——由于邊緣應(yīng)力是兩聯(lián)接件彈性變形不一致，相互制約而產(chǎn)生的，一旦材料產(chǎn)生了塑性變形，彈性變形的約束就會緩解，邊緣應(yīng)力自動受到限制，這就是邊緣應(yīng)力的自限性。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2.邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)①局部性——不同性質(zhì)的聯(lián)接邊緣產(chǎn)生不同323.對邊緣應(yīng)力的處理若用塑性好的材料制造筒體，可減少容器發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性。正是由于邊緣應(yīng)力的局部性與自限性，設(shè)計(jì)中一般不按局部應(yīng)力來確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。但對于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3.對邊緣應(yīng)力的處理若用塑性好的材料制造筒體，可減少容器發(fā)33第二節(jié)壓力容器的安全設(shè)計(jì)

壓力容器設(shè)計(jì)是保障壓力容器安全的首要環(huán)節(jié)。壓力容器設(shè)計(jì)從安全角度包括強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，兩者都離不開正確選材，不同材料的容器的承載能力與結(jié)構(gòu)可靠程度是不同的。壓力容器的安全設(shè)計(jì)，指在確定的容器結(jié)構(gòu)尺寸下，所選材料在容器壽命期內(nèi)有足夠抵抗各種外來載荷和經(jīng)受周圍環(huán)境條件破壞的能力；而結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)則是設(shè)計(jì)容器的總體或局部結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量避免制造和使用中附加的削弱容器強(qiáng)度的因素。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)第二節(jié)壓力容器的安全設(shè)計(jì)壓力容341.設(shè)計(jì)壓力容器根據(jù)化工生產(chǎn)工藝提出的條件，確定設(shè)計(jì)所需參數(shù)（p，t，D），選定材料和結(jié)構(gòu)型式，通過強(qiáng)度計(jì)算確定容器筒體及封頭壁厚。已經(jīng)制定標(biāo)準(zhǔn)的受壓元件，可直接選取。2.校核在用容器⑴判定在一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)，或在剩余壽命期內(nèi)，容器是否還能在原設(shè)計(jì)條件下安全使用。⑵對于已不能在原設(shè)計(jì)條件下使用的容器，應(yīng)通過強(qiáng)度計(jì)算，為容器提出最高允許工作壓力。⑶如果容器針對某一使用條件需要判廢，應(yīng)為判廢提供依據(jù)。一、壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)一、壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)35二﹑薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式1.理論計(jì)算厚度[s]t—設(shè)計(jì)溫度t℃下，筒體材料的許用應(yīng)力，MPa。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)二﹑薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式1.理論計(jì)算厚度[s]t—設(shè)計(jì)溫度36考慮焊接接頭系數(shù)容器筒體一般由鋼板卷焊而成。由于在焊接加熱過程中，對焊縫金屬組織產(chǎn)生不利影響，同時(shí)在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。因此，鋼板的許用應(yīng)力[s]t應(yīng)該用強(qiáng)度較低的焊縫許用應(yīng)力代替。辦法是把鋼板的許用應(yīng)力乘以焊接接頭系數(shù)f，f≤1。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)考慮焊接接頭系數(shù)容器筒體一般由鋼板卷焊而成。37使用圓筒內(nèi)直徑工藝設(shè)計(jì)中確定的是容器內(nèi)徑Di，在制造過程中測量的也是圓筒的內(nèi)徑，而受力分析中的D指的卻是筒體中面直徑。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)使用圓筒內(nèi)直徑工藝設(shè)計(jì)中確定的是容器內(nèi)徑Di，在制造過程中測382.設(shè)計(jì)厚度與名義厚度（1）鋼板的負(fù)偏差C1。（2）腐蝕裕量C2考慮到介質(zhì)對筒壁的腐蝕作用，在設(shè)計(jì)筒體所需厚度時(shí)，在計(jì)算厚度d的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。由此得到筒體的設(shè)計(jì)厚度為：而筒體的名義厚度為：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)厚度與名義厚度（1）鋼板的負(fù)偏差C1。（2）腐蝕裕393.有效厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3.有效厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)40碳素鋼、低合金鋼容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；最小厚度（δmin）——考慮容器的剛性

——制造、運(yùn)輸、吊裝；

——不包括腐蝕裕量；※不包括腐蝕裕量3.壓力容器的最小厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)碳素鋼、低合金鋼容器：δmin不小于3mm；最小厚度（δmi41三、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)三、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)42四、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度厚度附加量等焊接接頭系數(shù)許用應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)四、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度厚度附加量等431、設(shè)計(jì)壓力——為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值不低于最高工作壓力。設(shè)計(jì)壓力應(yīng)視內(nèi)壓或外壓容器分別取值。容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)壓力——為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值設(shè)計(jì)壓力44外壓：取1.25倍的最大內(nèi)外壓差或0.1MPa內(nèi)壓：裝安全閥——不低于安全閥開啟壓力，1.05～1.10倍最高工作壓力。裝爆破片——爆破片最低標(biāo)定爆破壓力（取所選爆破片制造范圍的上限），1.15～1.3倍的最高工作壓力。盛裝液化氣體容器——根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)外壓：取1.25倍的最大內(nèi)外壓差或0.1MPa內(nèi)壓：壓力容45重錘杠桿式安全閥彈簧式安全閥壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)重錘杠桿式安全閥彈簧式安全閥壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)46爆破片2、正拱開縫型1、正拱普通拉伸型3、反拱型壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)爆破片2、正拱開縫型1、正拱普通拉伸型3、反拱型壓力容器應(yīng)力47計(jì)算壓力——是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件最危險(xiǎn)截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力?！敉ǔＧ闆r下，計(jì)算壓力==設(shè)計(jì)壓力+液柱靜壓力◆當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力<5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)計(jì)算壓力——是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件最危險(xiǎn)截◆通常48注解：設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壓力容器具有不同的操作工況時(shí)，應(yīng)按最苛刻的壓力與溫度的組合設(shè)定容器的設(shè)計(jì)條件，而不能按其在不同工況下各自的最苛刻條件確定設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力。GB150規(guī)定：設(shè)計(jì)溫度等于或低于-20℃的容器屬于低溫容器。金屬溫度不低于0℃——設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度；金屬溫度低于0℃——不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。2、設(shè)計(jì)溫度——為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)注解：設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壓力容器具有GB15493、許用應(yīng)力——容器殼體、封頭等受壓元件的材料許用強(qiáng)度，取材料強(qiáng)度失效判據(jù)的極限值與相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)系數(shù)（又稱安全系數(shù)）之比。屈服點(diǎn)σs（或σ0.2）、抗拉強(qiáng)度σb、持久強(qiáng)度σD、蠕變極限σn等——根據(jù)失效類型確定極限值。

蠕變溫度以下——最低抗拉強(qiáng)度σb、常溫或設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)σs或三者除以各自的材料設(shè)計(jì)系數(shù)后所得的最小值，作為許用應(yīng)力，以抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)同時(shí)來控制許用應(yīng)力。材料強(qiáng)度失效判據(jù)的極限值用不同的方式表示：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3、許用應(yīng)力——容器殼體、封頭等受壓元件的材料許用強(qiáng)屈服點(diǎn)σ50同時(shí)考慮基于高溫蠕變極限或持久強(qiáng)度的許用應(yīng)力即或碳素鋼或低合金鋼>420℃，鉻鉬合金鋼>450℃，奧氏體不銹鋼>550℃時(shí)，鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)同時(shí)考慮基于高溫蠕變極限或持久強(qiáng)度的許用應(yīng)力即或碳素鋼或低51表9-2鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法材料許用應(yīng)力取下列各值中的最小值/MPa碳素鋼、低合金鋼、鐵素體高合金鋼奧氏體高合金鋼

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)表9-2鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法材52接頭形式無損檢測要求及長度比例焊縫缺陷夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大母材強(qiáng)度或塑性降低薄弱環(huán)節(jié)4、焊接接頭系數(shù)——焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值，反映容器強(qiáng)度受削弱的程度。影響因素壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)接頭形式無損檢測要求及長度比例焊縫缺陷夾渣、未熔透、焊縫熱影53焊縫系數(shù)的大小與材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接結(jié)構(gòu)、坡口型式、焊接方法、焊縫無損檢測長度比例以及焊前預(yù)熱處理及焊后熱處理等因素有關(guān)。目前我國《鋼制壓力容器》中的焊縫系數(shù)主要依據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)、坡口型式、無損檢測的要求等確定。焊縫系數(shù)的選擇見下表。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)焊縫系數(shù)的大小與材料的焊接性能54焊接接頭形式無損檢測比例Φ值焊接接頭形式無損檢測比例Φ值雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭100%1.00單面焊對接接頭（沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板）100%0.90局部0.85局部0.80表鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)Φ值壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)焊接接頭形式無損檢測比例Φ值焊接接頭形式無損檢測比例Φ值雙面555、厚度附加量

厚度計(jì)算厚度δ設(shè)計(jì)厚度δd名義厚度δn有效厚度δe成型厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)5、厚度附加量厚度計(jì)算厚度δ設(shè)計(jì)厚度δd名義厚度δn有效56成形后厚度——制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二次向上圓整得到的坯板厚度，再減去實(shí)際加工減薄量后的厚度，也為出廠時(shí)容器的實(shí)際厚度。一般，成形后厚度大于設(shè)計(jì)厚度就可滿足強(qiáng)度要求。加工減薄量——根據(jù)具體制造工藝和板材實(shí)際厚度由制造廠而并非由設(shè)計(jì)人員確定。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)成形后厚度——制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二加工減57計(jì)算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名義厚度δn設(shè)計(jì)厚度δdC1+C2加工減薄量加工減薄量第一次厚度圓整值厚度負(fù)偏差C1腐蝕裕量C2第二次厚度圓整值厚度關(guān)系示意圖壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)計(jì)算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名義厚度δn設(shè)計(jì)厚度58腐蝕裕量＝均勻腐蝕速率×容器設(shè)計(jì)壽命腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕破壞有意義；對于應(yīng)力腐蝕、氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，效果不佳，應(yīng)著重選擇耐腐蝕材料或進(jìn)行適當(dāng)防腐蝕處理。碳素鋼、低合金鋼：C2不小于1mm；不銹鋼：介質(zhì)腐蝕性極微時(shí)，可取C2=0。腐蝕裕量——防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體、封頭、接管等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的腐蝕裕量。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)腐蝕裕量＝均勻腐蝕速率×容器設(shè)計(jì)壽命腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕59五、壓力容器結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)1、要求結(jié)構(gòu)便于制造，以利于保證制造質(zhì)量和避免、減少制造缺陷；2、要求結(jié)構(gòu)便于無損檢驗(yàn)，使制造和使用中產(chǎn)生的缺陷能及時(shí)、準(zhǔn)確地檢查出來；3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮盡量降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)五、壓力容器結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)1、要求結(jié)構(gòu)便于制造，以利于保證制60降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中：（1）結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)平滑過渡。圖2-14（2）引起應(yīng)力集中或削弱強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)應(yīng)相互錯(cuò)開，避免高應(yīng)力疊加。圖2-15（3）避免采用剛性過大的焊接結(jié)構(gòu)。圖2-16（4）受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。圖2-17壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中：（1）結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)平滑過渡。圖61六、材料選擇材料是壓力容器的物質(zhì)基礎(chǔ),正確地選用壓力容器材料是保證壓力容器長期安全使用的一個(gè)基本條件。壓力容器是在承壓狀態(tài)下進(jìn)行工作,有些還要同時(shí)承受高溫、低溫或腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用,由此對構(gòu)成壓力容器的材料提出了更高的要求。目前絕大部分壓力容器都是鋼制的,壓力容器材料的選擇,應(yīng)著重考慮材料的機(jī)械性能、工藝性能和耐腐蝕性能。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)六、材料選擇壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)62

1.材料的機(jī)械性能

(1)強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度是材料抵抗外力作用而避免產(chǎn)生屈服和斷裂破壞的能力,它是決定鋼材許用應(yīng)力值的依據(jù)。其常用強(qiáng)度指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs,高溫工作時(shí),還應(yīng)考慮蠕變極限σbt和持久極限σDt。材料的機(jī)械強(qiáng)度關(guān)系到容器的厚度和總重,選用強(qiáng)度較高的鋼材在高壓容器設(shè)計(jì)和目前壓力容器日趨高參數(shù)(高溫、高壓)及大型化的條件下更有其重要意義。一般而言,鋼材強(qiáng)度級別的提高總伴隨著延塑性和沖擊韌性的下降,從而帶來了制造工藝性的困難和防止脆性破壞性能的下降。高強(qiáng)度鋼對應(yīng)力集中比較敏感,抗低循環(huán)疲勞的能力也較差。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)1.材料的機(jī)械性能壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)63(2)塑性指標(biāo)塑性指標(biāo)反映材料塑性變形的能力,一般以鋼材在斷裂前塑性變形量的大小來衡量。表示鋼材塑性的指標(biāo)主要是延伸率δ以及斷面收縮率ψ。壓力容器在制造過程中的次序、熱加工成型都要求材料具有良好的塑性,塑性好的鋼材在斷裂時(shí)一般都表現(xiàn)出塑性破壞的特征,即在破壞前產(chǎn)生明顯的塑性變形,破壞時(shí)呈剪切撕裂斷口不產(chǎn)生碎片,所以相對脆性破壞而言易于檢查發(fā)現(xiàn)并避免,即使破壞所構(gòu)成的危害性較小。塑性好的材料可使容器某些應(yīng)力集中處產(chǎn)生的高應(yīng)力因屈服而重新分布,使應(yīng)力分布趨于均勻化,避免脆斷的發(fā)生。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)(2)塑性指標(biāo)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)64國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦壓力容器用鋼其延伸率對于碳鋼及錳鋼不小于16%,對于合金鋼不小于14%。材料的冷彎性能也是材料塑性及其抵抗彎曲斷裂能力的一個(gè)標(biāo)志。表示材料塑性的另一個(gè)標(biāo)志是屈強(qiáng)比,σs/σb屈強(qiáng)比越高,σs和σb的差距越小,材料的塑性儲備也越小。高強(qiáng)度鋼的屈強(qiáng)比較大,故塑性較差,相應(yīng)其韌性也較低。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦壓力容65

(3)韌性指標(biāo)韌性是反映鋼材塑性和強(qiáng)度的綜合指標(biāo),反映鋼材在斷裂破壞前吸收能量的能力。材料的韌性是影響壓力容器低應(yīng)力脆斷的重要因素。長期以來人們對壓力容器發(fā)生脆斷的原因及對材料的韌性要求作了大量的研究,防止發(fā)生低應(yīng)力脆斷的主要指標(biāo)是材料的沖擊韌性ακ和材料的斷裂韌性KIc或臨界裂紋張開位移δc。以上指標(biāo)對材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度十分敏感。容器在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí),須對試驗(yàn)介質(zhì)的最低溫度加以控制,這是為了防止材料在低溫下沖擊韌性下降而突然發(fā)生脆斷的措施之一。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)(3)韌性指標(biāo)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)66

2.制造工藝性能低合金強(qiáng)度鋼的廣泛應(yīng)用,對鋼材焊接性的評定提出了新的要求。試驗(yàn)表明,鋼材強(qiáng)度越高,焊接熱影響區(qū)的硬度也越高,出現(xiàn)焊接裂紋的可能性也越大。為了保證鋼材的焊接性,必須對鋼材的含碳量或碳當(dāng)量加以限制。我國“安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”規(guī)定,含碳量大于0.25的鋼材不能用于焊接容器。日本焊接學(xué)會制訂的“焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼板標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定了碳當(dāng)量的計(jì)算式為Ceq=(C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)%控制碳當(dāng)量的目的在于保證鋼材的焊接工藝性。GB150還要求與受壓元件相焊接的非受壓元件用鋼,也必須為可焊性好的材料。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2.制造工藝性能壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)67

3.材料耐腐蝕性能

耐腐蝕性能是材料在使用工藝條件下抵抗介質(zhì)腐蝕的能力。材料遭到腐蝕后,其重量、厚度、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)及電極過程等都可能發(fā)生變化,所以,它直接關(guān)系到容器的強(qiáng)度。在容器斷裂破壞的事例中,腐蝕破壞也占很大比重。防止腐蝕破壞的重要措施之一是正確選材,而正確的結(jié)構(gòu)型式對防止腐蝕破壞也有一定的作用,例如,當(dāng)容器停止操作時(shí),務(wù)使容器的各處不積存任何殘液。腐蝕破壞的形式有均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕等五種。其中最危險(xiǎn)的是晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕,它除了與受壓元件的應(yīng)力有關(guān)外,還與材料的化學(xué)組成、金相組織有關(guān),為了防止晶間腐蝕和應(yīng)力,還應(yīng)保證鋼材化學(xué)成分的控制值和熱處理狀態(tài)。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3.材料耐腐蝕性能壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)68

七、壓力試驗(yàn)

容器制成后必須進(jìn)行壓力試驗(yàn),以檢驗(yàn)壓力容器的宏觀強(qiáng)度和致密性。所謂壓力試驗(yàn)就是用液體或氣體作為加壓介質(zhì),在容器內(nèi)施加比它的最高使用壓力還要高的試驗(yàn)壓力,并檢查容器在試驗(yàn)壓力下是否有滲漏、明顯的塑性變形以及其他的缺陷。壓力試驗(yàn)分為液壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)兩種。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)七、壓力試驗(yàn)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)69壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)70壓力試驗(yàn)壓力與設(shè)計(jì)壓力的比值,與采用的容器設(shè)計(jì)安全系數(shù)有關(guān)。按照我國情況,必須符合下述規(guī)定:PT=1.25p[σ]/[σ]t且不小于(p+0.1)MPa(液壓試驗(yàn))PT=1.15p[σ]/[σ]t且不小于(p+0.1)MPa(氣壓試驗(yàn))式中PT－試驗(yàn)壓力,MPa;p－設(shè)計(jì)壓力,MPa;[σ]－試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;[σ]t－設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa。其中[σ]/[σ]t之比值最高不應(yīng)超過1.8。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)壓力試驗(yàn)壓力與設(shè)計(jì)壓力的比值,與采用的容器設(shè)計(jì)安全系數(shù)有關(guān)。71

為了確保壓力試驗(yàn)時(shí)容器材料處于彈性狀態(tài),圓筒形容器中的薄膜應(yīng)力應(yīng)滿足下述要求σT=PT(Di+δe)/2δe≤0.9σsφMPa(液壓試驗(yàn))σT=PT(Di+δe)/2δe≤0.8σsφMPa(氣壓試驗(yàn))式中δe－圓筒的有效厚度，mm。

φ－焊縫系數(shù)如不能滿足上述要求,應(yīng)增加容器壁厚。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)為了確保壓力試驗(yàn)時(shí)容器材料處于彈性狀72在壓力試驗(yàn)時(shí),為了避免材料的低溫脆性破裂,試驗(yàn)環(huán)境和水溫必須高于材料的無塑性轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)我國目前壓力容器用材的情況,壓力試驗(yàn)時(shí),如用碳素鋼、16MnR制造容器,液體溫度不低于5℃;對于其他低合金鋼(不包含低溫容器),則液體溫度不得低于15℃。如果由于板厚等因素造成材料脆性轉(zhuǎn)變溫度升高,還要相應(yīng)地提高液體的試驗(yàn)溫度。氣壓試驗(yàn)時(shí),氣體溫度不應(yīng)低于15℃。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)在壓力試驗(yàn)時(shí),為了避免材料的低73

液壓試驗(yàn)時(shí),容器的頂部應(yīng)設(shè)排氣口,以排盡容器內(nèi)的空氣,使液體充滿。試驗(yàn)時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升,達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)壓力后,根據(jù)容積大小保持10～30min,然后將壓力降到設(shè)計(jì)壓力至少保持30min,檢查所有焊縫和連接部位有無泄漏和明顯的殘余變形。

氣壓試驗(yàn)時(shí),壓力應(yīng)緩慢升至規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%,保持10min，然后對所有焊縫和連接部位進(jìn)行初次檢查,合格后繼續(xù)升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力的50%。其后按每級為規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%的級差逐級升壓到試驗(yàn)壓力,保持10～30min,然后降到設(shè)計(jì)壓力至少保持30min,同時(shí)進(jìn)行檢查,如有泄漏或明顯缺陷,修補(bǔ)后重新試驗(yàn)。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)液壓試驗(yàn)時(shí),容器的頂部應(yīng)設(shè)排氣74習(xí)題1.計(jì)算下列各種承受氣體均勻內(nèi)壓作用的薄壁回轉(zhuǎn)殼體上諸點(diǎn)的薄膜應(yīng)力和：（1）球殼上任一點(diǎn)。已知p＝2.5MPa，Di＝1000mm，δ＝8mm。（2）圓柱殼上任一點(diǎn)，已知p＝1MPa，Di＝2000mm，δ＝20mm。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)習(xí)題1.計(jì)算下列各種承受氣體均勻內(nèi)壓作用的薄壁回轉(zhuǎn)殼體上75習(xí)題2.計(jì)算下圖中橢球殼上A、B兩點(diǎn)的薄膜應(yīng)力和。已知：p=2MPa，a=1000mm，b=500mm，δ=10mm。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)習(xí)題2.計(jì)算下圖中橢球殼上A、B兩點(diǎn)的薄膜應(yīng)力和。已知：76習(xí)題3、某化工廠反應(yīng)釜，內(nèi)徑為Di＝2000mm，工作溫度為5～105℃，工作壓力為1.5MPa，釜體材料選用0Cr18Ni10Ti，采用雙面焊對接接頭，局部無損探傷，凸形封頭上裝有安全閥，厚度附加量為C=2mm，材料的許用應(yīng)力[σ]t＝137MPa，σs＝253MPa，試設(shè)計(jì)釜體厚度，并作水壓試驗(yàn)校核。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)習(xí)題3、某化工廠反應(yīng)釜，內(nèi)徑為Di＝2000mm，工作溫77知識要點(diǎn)基本概念：1、薄膜應(yīng)力及無力矩理論；2、第一曲率半徑和第二曲率半徑；3、邊緣應(yīng)力及其特性；4、工作壓力與設(shè)計(jì)壓力5、焊接接頭系數(shù)6、厚度附加量、設(shè)計(jì)厚度、名義厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)知識要點(diǎn)基本概念：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)78知識要點(diǎn)7、壓力容器結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)包括哪些注意事項(xiàng)？8、液壓試驗(yàn)的程序?氣壓試驗(yàn)的程序?氣密試驗(yàn)方法壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)知識要點(diǎn)7、壓力容器結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)包括哪些注意事項(xiàng)？壓力容器79知識要點(diǎn)基本公式與計(jì)算1．受內(nèi)壓的圓筒形殼體的應(yīng)力計(jì)算公式

2．受內(nèi)壓的球形殼體的應(yīng)力計(jì)算公式

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)知識要點(diǎn)基本公式與計(jì)算1．受內(nèi)壓的圓筒形殼體的應(yīng)力計(jì)算公式803．受內(nèi)壓的圓錐形殼體應(yīng)力計(jì)算公式

錐頂?shù)慕?jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力都為零；而在錐底r=D/2壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3．受內(nèi)壓的圓錐形殼體應(yīng)力計(jì)算公式錐頂?shù)慕?jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力814、對于化工常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：

邊緣處：

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)4、對于化工常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：825、筒體名義厚度的求取壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)5、筒體名義厚度的求取壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)836、壓力試驗(yàn)的應(yīng)力校核壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)6、壓力試驗(yàn)的應(yīng)力校核壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)84演講完畢，謝謝聽講!再見，seeyouagain2022/12/19壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)演講完畢，謝謝聽講!再見，seeyouagain202285壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2022/12/19壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2022/12/13壓力容器應(yīng)力分86一、壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1.壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)一、壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1.壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)壓力容器應(yīng)力87薄壁容器：2.薄壁壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1）基本概念①回轉(zhuǎn)殼體壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)薄壁容器：2.薄壁壓力容器應(yīng)力和變形特點(diǎn)1）基本概念①回88②軸對稱問題：指殼體的幾何形狀?約束條件和所受外力都對稱于回轉(zhuǎn)軸的問題。③中間面指與殼體內(nèi)外表面等距離的曲面。④母線：AB⑤經(jīng)線：AB′、AB〃⑥法線：(n)⑦緯線：CND圓壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)②軸對稱問題：指殼體的幾何形狀?約束條件和所受外力89第一曲率半徑：指中間面上的一點(diǎn)M處經(jīng)線的曲率半徑：R1=MK1第二曲率半徑：通過經(jīng)線上一點(diǎn)M的法線作垂直于經(jīng)線的平面，其與中間面相交形成曲線ME，此曲線在M點(diǎn)處的曲率半徑稱為該點(diǎn)的第二曲率半徑：R2=MK2壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)第一曲率半徑：指中間面上的一點(diǎn)M處經(jīng)線的曲率半徑：R902）薄壁容器變形特點(diǎn)當(dāng)容器內(nèi)部壓力P大于外部壓力P外時(shí)，容器產(chǎn)生兩種變形：拉伸變形和彎曲變形，其中拉伸應(yīng)力σ拉遠(yuǎn)大于彎曲應(yīng)力σ彎。承受內(nèi)壓圓筒中的薄膜應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2）薄壁容器變形特點(diǎn)當(dāng)容器內(nèi)部壓力P大于外部91㈠無力矩理論的基本假設(shè)①直法線假設(shè)②互不擠壓假設(shè)——變形前后殼體厚度不變?！雎詺け诘姆ㄏ驊?yīng)力。3）薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)㈠無力矩理論的基本假設(shè)①直法線假設(shè)②互不擠壓假設(shè)92

m：經(jīng)向應(yīng)力：環(huán)向應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)m：經(jīng)向應(yīng)力：環(huán)向應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)93

㈡環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)㈡環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)94外力的合力在微元體法線方向的投影：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)外力的合力在微元體法線方向的投影：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)95經(jīng)向應(yīng)力的合力在法線n上的投影：環(huán)向應(yīng)力的合力在法線n上的投影：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)經(jīng)向應(yīng)力的合力在法線n上的投影：環(huán)向應(yīng)力的合力在法線n上的投96根據(jù)法線方向力的平衡條件，得：即因?yàn)椋赫淼茫簤毫θ萜鲬?yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)根據(jù)法線方向力的平衡條件，得：即因?yàn)椋赫淼茫簤毫θ萜鲬?yīng)力分97作用在該部分的外力在z軸方向上合力為Pz作用在該截面上的應(yīng)力在z軸上投影為Nz㈢經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)作用在該部分的外力在z軸方向上合力為Pz作用在該截面上的應(yīng)力98由z軸方向的平衡條件：即壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)由z軸方向的平衡條件：即壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)99(2-1)(2-2)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)(2-1)(2-2)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)100㈣軸對稱回轉(zhuǎn)殼體薄膜理論的應(yīng)用范圍

薄壁無力矩應(yīng)力狀態(tài)的存在，必須滿足殼體是軸對稱的，即幾何形狀、材料、載荷的對稱性和連續(xù)性，同時(shí)需保證殼體應(yīng)具有自由邊緣。當(dāng)這些條件不能全部滿足時(shí)，就不能應(yīng)用無力矩理論去分析發(fā)生彎曲時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。但遠(yuǎn)離局部區(qū)域的情況，無力矩理論仍然有效。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)㈣軸對稱回轉(zhuǎn)殼體薄膜理論的應(yīng)用范圍薄壁無力矩應(yīng)力狀1014）受氣體內(nèi)壓的殼體的受力分析

①圓筒形殼體

圓筒殼的第一曲率半徑R1=∞，第二曲率半徑R2=D/2代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2）得：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)4）受氣體內(nèi)壓的殼體的受力分析①圓筒形殼體圓筒殼的第一曲102分析：薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍。問題a：筒體上開橢圓孔，如何開?應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)分析：薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍。應(yīng)使其短軸與筒體103分析：問題b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時(shí)應(yīng)予以注意。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)分析：問題b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？筒104例：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)例：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)105②球形殼體

球殼的R1＝R2=D/2，代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2）得：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)②球形殼體球殼的R1＝R2=D/2，代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公106③橢圓形殼體

橢圓殼的經(jīng)線為一橢圓，設(shè)其經(jīng)線方程為

由此方程可得第一曲率半徑為：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)③橢圓形殼體橢圓殼的經(jīng)線為一橢圓，設(shè)其經(jīng)線方程為由此方程107根據(jù)上圖，第二曲率半徑為：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)根據(jù)上圖，第二曲率半徑為：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)108將所得R1與R2代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2）得：

在頂點(diǎn)（x=0）處

橢圓殼體上的應(yīng)力分布為：

在邊緣（x=a）處

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)將所得R1與R2代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2109橢圓封頭的經(jīng)向應(yīng)力分布壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)橢圓封頭的經(jīng)向應(yīng)力分布壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)110對于化工常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：

邊緣處：

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)對于化工常用的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：

111④圓錐形殼體右圖所示為一圓錐形殼，半錐角為a，A點(diǎn)處半徑為r，厚度為d，則在A點(diǎn)處：代入薄膜應(yīng)力理論計(jì)算公式（2-1）和（2-2）得A點(diǎn)處的應(yīng)力：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)④圓錐形殼體右圖所示為一圓錐形殼，半錐角為a，A點(diǎn)處半徑為r112可見，在錐頂?shù)慕?jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力都為零；而在錐底r=D/2壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)可見，在錐頂?shù)慕?jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力都為零；而在錐底r=D113二、壓力容器的邊緣問題及特性1.邊緣問題①曲率變化導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)二、壓力容器的邊緣問題及特性1.邊緣問題①曲率變化導(dǎo)致114②聯(lián)接邊緣區(qū)的變形與應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)②聯(lián)接邊緣區(qū)的變形與應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)115壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)1162.邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)①局部性——不同性質(zhì)的聯(lián)接邊緣產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，但它們大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨著離開邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅速衰減。②自限性——由于邊緣應(yīng)力是兩聯(lián)接件彈性變形不一致，相互制約而產(chǎn)生的，一旦材料產(chǎn)生了塑性變形，彈性變形的約束就會緩解，邊緣應(yīng)力自動受到限制，這就是邊緣應(yīng)力的自限性。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2.邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)①局部性——不同性質(zhì)的聯(lián)接邊緣產(chǎn)生不同1173.對邊緣應(yīng)力的處理若用塑性好的材料制造筒體，可減少容器發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性。正是由于邊緣應(yīng)力的局部性與自限性，設(shè)計(jì)中一般不按局部應(yīng)力來確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。但對于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3.對邊緣應(yīng)力的處理若用塑性好的材料制造筒體，可減少容器發(fā)118第二節(jié)壓力容器的安全設(shè)計(jì)

壓力容器設(shè)計(jì)是保障壓力容器安全的首要環(huán)節(jié)。壓力容器設(shè)計(jì)從安全角度包括強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，兩者都離不開正確選材，不同材料的容器的承載能力與結(jié)構(gòu)可靠程度是不同的。壓力容器的安全設(shè)計(jì)，指在確定的容器結(jié)構(gòu)尺寸下，所選材料在容器壽命期內(nèi)有足夠抵抗各種外來載荷和經(jīng)受周圍環(huán)境條件破壞的能力；而結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)則是設(shè)計(jì)容器的總體或局部結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量避免制造和使用中附加的削弱容器強(qiáng)度的因素。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)第二節(jié)壓力容器的安全設(shè)計(jì)壓力容1191.設(shè)計(jì)壓力容器根據(jù)化工生產(chǎn)工藝提出的條件，確定設(shè)計(jì)所需參數(shù)（p，t，D），選定材料和結(jié)構(gòu)型式，通過強(qiáng)度計(jì)算確定容器筒體及封頭壁厚。已經(jīng)制定標(biāo)準(zhǔn)的受壓元件，可直接選取。2.校核在用容器⑴判定在一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)，或在剩余壽命期內(nèi)，容器是否還能在原設(shè)計(jì)條件下安全使用。⑵對于已不能在原設(shè)計(jì)條件下使用的容器，應(yīng)通過強(qiáng)度計(jì)算，為容器提出最高允許工作壓力。⑶如果容器針對某一使用條件需要判廢，應(yīng)為判廢提供依據(jù)。一、壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)一、壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)120二﹑薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式1.理論計(jì)算厚度[s]t—設(shè)計(jì)溫度t℃下，筒體材料的許用應(yīng)力，MPa。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)二﹑薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式1.理論計(jì)算厚度[s]t—設(shè)計(jì)溫度121考慮焊接接頭系數(shù)容器筒體一般由鋼板卷焊而成。由于在焊接加熱過程中，對焊縫金屬組織產(chǎn)生不利影響，同時(shí)在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。因此，鋼板的許用應(yīng)力[s]t應(yīng)該用強(qiáng)度較低的焊縫許用應(yīng)力代替。辦法是把鋼板的許用應(yīng)力乘以焊接接頭系數(shù)f，f≤1。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)考慮焊接接頭系數(shù)容器筒體一般由鋼板卷焊而成。122使用圓筒內(nèi)直徑工藝設(shè)計(jì)中確定的是容器內(nèi)徑Di，在制造過程中測量的也是圓筒的內(nèi)徑，而受力分析中的D指的卻是筒體中面直徑。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)使用圓筒內(nèi)直徑工藝設(shè)計(jì)中確定的是容器內(nèi)徑Di，在制造過程中測1232.設(shè)計(jì)厚度與名義厚度（1）鋼板的負(fù)偏差C1。（2）腐蝕裕量C2考慮到介質(zhì)對筒壁的腐蝕作用，在設(shè)計(jì)筒體所需厚度時(shí)，在計(jì)算厚度d的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。由此得到筒體的設(shè)計(jì)厚度為：而筒體的名義厚度為：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)厚度與名義厚度（1）鋼板的負(fù)偏差C1。（2）腐蝕裕1243.有效厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3.有效厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)125碳素鋼、低合金鋼容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；最小厚度（δmin）——考慮容器的剛性

——制造、運(yùn)輸、吊裝；

——不包括腐蝕裕量；※不包括腐蝕裕量3.壓力容器的最小厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)碳素鋼、低合金鋼容器：δmin不小于3mm；最小厚度（δmi126三、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)三、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)127四、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度厚度附加量等焊接接頭系數(shù)許用應(yīng)力壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)四、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度厚度附加量等1281、設(shè)計(jì)壓力——為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值不低于最高工作壓力。設(shè)計(jì)壓力應(yīng)視內(nèi)壓或外壓容器分別取值。容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)壓力——為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值設(shè)計(jì)壓力129外壓：取1.25倍的最大內(nèi)外壓差或0.1MPa內(nèi)壓：裝安全閥——不低于安全閥開啟壓力，1.05～1.10倍最高工作壓力。裝爆破片——爆破片最低標(biāo)定爆破壓力（取所選爆破片制造范圍的上限），1.15～1.3倍的最高工作壓力。盛裝液化氣體容器——根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)外壓：取1.25倍的最大內(nèi)外壓差或0.1MPa內(nèi)壓：壓力容130重錘杠桿式安全閥彈簧式安全閥壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)重錘杠桿式安全閥彈簧式安全閥壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)131爆破片2、正拱開縫型1、正拱普通拉伸型3、反拱型壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)爆破片2、正拱開縫型1、正拱普通拉伸型3、反拱型壓力容器應(yīng)力132計(jì)算壓力——是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件最危險(xiǎn)截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。◆通常情況下，計(jì)算壓力==設(shè)計(jì)壓力+液柱靜壓力◆當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力<5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)計(jì)算壓力——是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件最危險(xiǎn)截◆通常133注解：設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壓力容器具有不同的操作工況時(shí)，應(yīng)按最苛刻的壓力與溫度的組合設(shè)定容器的設(shè)計(jì)條件，而不能按其在不同工況下各自的最苛刻條件確定設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力。GB150規(guī)定：設(shè)計(jì)溫度等于或低于-20℃的容器屬于低溫容器。金屬溫度不低于0℃——設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度；金屬溫度低于0℃——不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。2、設(shè)計(jì)溫度——為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)注解：設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壓力容器具有GB151343、許用應(yīng)力——容器殼體、封頭等受壓元件的材料許用強(qiáng)度，取材料強(qiáng)度失效判據(jù)的極限值與相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)系數(shù)（又稱安全系數(shù)）之比。屈服點(diǎn)σs（或σ0.2）、抗拉強(qiáng)度σb、持久強(qiáng)度σD、蠕變極限σn等——根據(jù)失效類型確定極限值。

蠕變溫度以下——最低抗拉強(qiáng)度σb、常溫或設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)σs或三者除以各自的材料設(shè)計(jì)系數(shù)后所得的最小值，作為許用應(yīng)力，以抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)同時(shí)來控制許用應(yīng)力。材料強(qiáng)度失效判據(jù)的極限值用不同的方式表示：壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3、許用應(yīng)力——容器殼體、封頭等受壓元件的材料許用強(qiáng)屈服點(diǎn)σ135同時(shí)考慮基于高溫蠕變極限或持久強(qiáng)度的許用應(yīng)力即或碳素鋼或低合金鋼>420℃，鉻鉬合金鋼>450℃，奧氏體不銹鋼>550℃時(shí)，鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)同時(shí)考慮基于高溫蠕變極限或持久強(qiáng)度的許用應(yīng)力即或碳素鋼或低136表9-2鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法材料許用應(yīng)力取下列各值中的最小值/MPa碳素鋼、低合金鋼、鐵素體高合金鋼奧氏體高合金鋼

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)表9-2鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法材137接頭形式無損檢測要求及長度比例焊縫缺陷夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大母材強(qiáng)度或塑性降低薄弱環(huán)節(jié)4、焊接接頭系數(shù)——焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值，反映容器強(qiáng)度受削弱的程度。影響因素壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)接頭形式無損檢測要求及長度比例焊縫缺陷夾渣、未熔透、焊縫熱影138焊縫系數(shù)的大小與材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接結(jié)構(gòu)、坡口型式、焊接方法、焊縫無損檢測長度比例以及焊前預(yù)熱處理及焊后熱處理等因素有關(guān)。目前我國《鋼制壓力容器》中的焊縫系數(shù)主要依據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)、坡口型式、無損檢測的要求等確定。焊縫系數(shù)的選擇見下表。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)焊縫系數(shù)的大小與材料的焊接性能139焊接接頭形式無損檢測比例Φ值焊接接頭形式無損檢測比例Φ值雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭100%1.00單面焊對接接頭（沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板）100%0.90局部0.85局部0.80表鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)Φ值壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)焊接接頭形式無損檢測比例Φ值焊接接頭形式無損檢測比例Φ值雙面1405、厚度附加量

厚度計(jì)算厚度δ設(shè)計(jì)厚度δd名義厚度δn有效厚度δe成型厚度壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)5、厚度附加量厚度計(jì)算厚度δ設(shè)計(jì)厚度δd名義厚度δn有效141成形后厚度——制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二次向上圓整得到的坯板厚度，再減去實(shí)際加工減薄量后的厚度，也為出廠時(shí)容器的實(shí)際厚度。一般，成形后厚度大于設(shè)計(jì)厚度就可滿足強(qiáng)度要求。加工減薄量——根據(jù)具體制造工藝和板材實(shí)際厚度由制造廠而并非由設(shè)計(jì)人員確定。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)成形后厚度——制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二加工減142計(jì)算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名義厚度δn設(shè)計(jì)厚度δdC1+C2加工減薄量加工減薄量第一次厚度圓整值厚度負(fù)偏差C1腐蝕裕量C2第二次厚度圓整值厚度關(guān)系示意圖壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)計(jì)算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名義厚度δn設(shè)計(jì)厚度143腐蝕裕量＝均勻腐蝕速率×容器設(shè)計(jì)壽命腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕破壞有意義；對于應(yīng)力腐蝕、氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，效果不佳，應(yīng)著重選擇耐腐蝕材料或進(jìn)行適當(dāng)防腐蝕處理。碳素鋼、低合金鋼：C2不小于1mm；不銹鋼：介質(zhì)腐蝕性極微時(shí)，可取C2=0。腐蝕裕量——防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體、封頭、接管等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的腐蝕裕量。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)腐蝕裕量＝均勻腐蝕速率×容器設(shè)計(jì)壽命腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕144五、壓力容器結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)1、要求結(jié)構(gòu)便于制造，以利于保證制造質(zhì)量和避免、減少制造缺陷；2、要求結(jié)構(gòu)便于無損檢驗(yàn)，使制造和使用中產(chǎn)生的缺陷能及時(shí)、準(zhǔn)確地檢查出來；3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮盡量降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)五、壓力容器結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)1、要求結(jié)構(gòu)便于制造，以利于保證制145降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中：（1）結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)平滑過渡。圖2-14（2）引起應(yīng)力集中或削弱強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)應(yīng)相互錯(cuò)開，避免高應(yīng)力疊加。圖2-15（3）避免采用剛性過大的焊接結(jié)構(gòu)。圖2-16（4）受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。圖2-17壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中：（1）結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)平滑過渡。圖146六、材料選擇材料是壓力容器的物質(zhì)基礎(chǔ),正確地選用壓力容器材料是保證壓力容器長期安全使用的一個(gè)基本條件。壓力容器是在承壓狀態(tài)下進(jìn)行工作,有些還要同時(shí)承受高溫、低溫或腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用,由此對構(gòu)成壓力容器的材料提出了更高的要求。目前絕大部分壓力容器都是鋼制的,壓力容器材料的選擇,應(yīng)著重考慮材料的機(jī)械性能、工藝性能和耐腐蝕性能。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)六、材料選擇壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)147

1.材料的機(jī)械性能

(1)強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度是材料抵抗外力作用而避免產(chǎn)生屈服和斷裂破壞的能力,它是決定鋼材許用應(yīng)力值的依據(jù)。其常用強(qiáng)度指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs,高溫工作時(shí),還應(yīng)考慮蠕變極限σbt和持久極限σDt。材料的機(jī)械強(qiáng)度關(guān)系到容器的厚度和總重,選用強(qiáng)度較高的鋼材在高壓容器設(shè)計(jì)和目前壓力容器日趨高參數(shù)(高溫、高壓)及大型化的條件下更有其重要意義。一般而言,鋼材強(qiáng)度級別的提高總伴隨著延塑性和沖擊韌性的下降,從而帶來了制造工藝性的困難和防止脆性破壞性能的下降。高強(qiáng)度鋼對應(yīng)力集中比較敏感,抗低循環(huán)疲勞的能力也較差。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)1.材料的機(jī)械性能壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)148(2)塑性指標(biāo)塑性指標(biāo)反映材料塑性變形的能力,一般以鋼材在斷裂前塑性變形量的大小來衡量。表示鋼材塑性的指標(biāo)主要是延伸率δ以及斷面收縮率ψ。壓力容器在制造過程中的次序、熱加工成型都要求材料具有良好的塑性,塑性好的鋼材在斷裂時(shí)一般都表現(xiàn)出塑性破壞的特征,即在破壞前產(chǎn)生明顯的塑性變形,破壞時(shí)呈剪切撕裂斷口不產(chǎn)生碎片,所以相對脆性破壞而言易于檢查發(fā)現(xiàn)并避免,即使破壞所構(gòu)成的危害性較小。塑性好的材料可使容器某些應(yīng)力集中處產(chǎn)生的高應(yīng)力因屈服而重新分布,使應(yīng)力分布趨于均勻化,避免脆斷的發(fā)生。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)(2)塑性指標(biāo)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)149國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦壓力容器用鋼其延伸率對于碳鋼及錳鋼不小于16%,對于合金鋼不小于14%。材料的冷彎性能也是材料塑性及其抵抗彎曲斷裂能力的一個(gè)標(biāo)志。表示材料塑性的另一個(gè)標(biāo)志是屈強(qiáng)比,σs/σb屈強(qiáng)比越高,σs和σb的差距越小,材料的塑性儲備也越小。高強(qiáng)度鋼的屈強(qiáng)比較大,故塑性較差,相應(yīng)其韌性也較低。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦壓力容150

(3)韌性指標(biāo)韌性是反映鋼材塑性和強(qiáng)度的綜合指標(biāo),反映鋼材在斷裂破壞前吸收能量的能力。材料的韌性是影響壓力容器低應(yīng)力脆斷的重要因素。長期以來人們對壓力容器發(fā)生脆斷的原因及對材料的韌性要求作了大量的研究,防止發(fā)生低應(yīng)力脆斷的主要指標(biāo)是材料的沖擊韌性ακ和材料的斷裂韌性KIc或臨界裂紋張開位移δc。以上指標(biāo)對材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度十分敏感。容器在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí),須對試驗(yàn)介質(zhì)的最低溫度加以控制,這是為了防止材料在低溫下沖擊韌性下降而突然發(fā)生脆斷的措施之一。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)(3)韌性指標(biāo)壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)151

2.制造工藝性能低合金強(qiáng)度鋼的廣泛應(yīng)用,對鋼材焊接性的評定提出了新的要求。試驗(yàn)表明,鋼材強(qiáng)度越高,焊接熱影響區(qū)的硬度也越高,出現(xiàn)焊接裂紋的可能性也越大。為了保證鋼材的焊接性,必須對鋼材的含碳量或碳當(dāng)量加以限制。我國“安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”規(guī)定,含碳量大于0.25的鋼材不能用于焊接容器。日本焊接學(xué)會制訂的“焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼板標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定了碳當(dāng)量的計(jì)算式為Ceq=(C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)%控制碳當(dāng)量的目的在于保證鋼材的焊接工藝性。GB150還要求與受壓元件相焊接的非受壓元件用鋼,也必須為可焊性好的材料。壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)2.制造工藝性能壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)152

3.材料耐腐蝕性能

耐腐蝕性能是材料在使用工藝條件下抵抗介質(zhì)腐蝕的能力。材料遭到腐蝕后,其重量、厚度、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)及電極過程等都可能發(fā)生變化,所以,它直接關(guān)系到容器的強(qiáng)度。在容器斷裂破壞的事例中,腐蝕破壞也占很大比重。防止腐蝕破壞的重要措施之一是正確選材,而正確的結(jié)構(gòu)型式對防止腐蝕破壞也有一定的作用,例如,當(dāng)容器停止操作時(shí),務(wù)使容器的各處不積存任何殘液。腐蝕破壞的形式有均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕等五種。其中最危險(xiǎn)的是晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕,它除了與受壓元件的應(yīng)力有關(guān)外,還與材料的化學(xué)組成、金相組織有關(guān),為了防止晶間腐蝕和應(yīng)力,還應(yīng)保證鋼材化學(xué)成分的控制值和熱處理狀態(tài)。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)3.材料耐腐蝕性能壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)153

七、壓力試驗(yàn)

容器制成后必須進(jìn)行壓力試驗(yàn),以檢驗(yàn)壓力容器的宏觀強(qiáng)度和致密性。所謂壓力試驗(yàn)就是用液體或氣體作為加壓介質(zhì),在容器內(nèi)施加比它的最高使用壓力還要高的試驗(yàn)壓力,并檢查容器在試驗(yàn)壓力下是否有滲漏、明顯的塑性變形以及其他的缺陷。壓力試驗(yàn)分為液壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)兩種。

壓力容器應(yīng)力分析與安全設(shè)計(jì)七、