壓力容器設計準則

壓力容器設計準則（課件）壓力容器設計準則失效準則（設計準則）?一個問題的兩個方面，采用何種設計準則就是采用何種失效準則的問題。?一種設計上的共識，且經(jīng)過實踐驗證的。?防止某一（幾）種失效模式發(fā)生，不意味著符合某種失效準則時容器就破壞了。?針對具體的失效模式，選擇不同的設計準則，是設計者應該掌握的技能。2.1彈性失效準則為防止容器總體部位發(fā)生屈服變形，將總體部位的最大應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。1） 規(guī)定屈服極限是容器失效的應力，考慮安全系數(shù)后，容器實際應力處在彈性范圍內(nèi)。2） 主要著眼于限制容器中的最大薄膜應力或其他由機械載荷直接產(chǎn)生的彎曲應力及剪應力等。3） 應用：常規(guī)設計方法準則，如，GB150、ASMEVII1—1：內(nèi)壓圓筒、凸形封頭等元件設計。2.2塑性失效準則容器某處（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。Pyo=叮111財2牛=亍叮MTreaca屈服條件或Mises屈服條件1） 外載荷V極限載荷：結(jié)構(gòu)塑性變形是局部、可控的；2） 將極限載荷作為設計準則的判據(jù)加以限制，防止總體塑性變形，又稱極限分析（設計）。如何求的極限載荷，是該準則的基礎。3） 準則應用：?JB4732、ASMEVffl—2；?GB150:平板、整體法蘭（含按整體法蘭設計的任意式法蘭）連接的圓筒徑部等元件設計或

應力計算公式。4） 適用范圍：材料，載荷5） 極限載荷設計原理的保守性?用矩形截面梁極限狀態(tài)作為依據(jù)，梁只需要一個塑性鉸即到達極限狀態(tài)，而壓力容器可近似看作多個矩形截面梁拼合而成，即需要多個塑性鉸才能塑性失效。是偏安全的。極限載荷設計原理將板、殼看作由若干受拉彎作用下的矩形截面梁，材料為理想彈塑性；當拉伸為0時考察純彎梁應力隨M的變化：Uy=—=±——1）彈性階段；5網(wǎng)MTOC\o"1-5"\h\zCT=a Jia -u2）當上下表面m*卜（Rel或Rp02）時，對應的最大彎矩： 6部 的 虬 有W 1、「％3） 當繼續(xù)增加載荷從彈性層減少，塑性層增加，直到整個截面屈服，此時不增加載荷截面梁變形也無限增大，即形成“塑性鉸”變形也無限增大，即形成“塑性鉸”，此時:“塑性鉸”：梁某截面全部進入塑性狀態(tài)后，該處曲率可以任意增大，稱該點出現(xiàn)了一個塑性鉸。此時M’即為極限載荷，對應的應力：2.3彈塑性失效設計準則1） 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。2） 只有當容器某一局部彈塑性區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)中應力超過了由“安定性原理”確定的許用值（安定載荷）時才認為結(jié)構(gòu)喪失了“安定性”而發(fā)生了彈塑性失效。3） 安定性原理作為彈塑性失效的設計準則，亦稱安定性準則。4） 概念：?安定性一結(jié)構(gòu)除在初始階段少數(shù)幾個載荷循環(huán)中產(chǎn)生一定的塑性變形外，在繼續(xù)施加的循環(huán)外載荷作用下不再發(fā)生新的塑性變形，或者說不出現(xiàn)塑性疲勞或棘輪現(xiàn)象。此時結(jié)構(gòu)處于安定狀態(tài)。?棘輪現(xiàn)象：構(gòu)件受機械載荷、熱應力或二者同時作用的循環(huán)作用，產(chǎn)生遞增的非彈性變形的現(xiàn)象。?安定載荷一安定與不安定的臨界狀態(tài)對應的載荷變化范圍。5） 與極限載荷的區(qū)別：載荷達到安定載荷時，只是損傷累積的開始，到達破壞還有緩慢的過程，因此對“安定”不加安全系數(shù)，只要施加的載荷小于安定載荷。2.4爆破失效設計準則1）非理想塑性材料屈服后還有增強的能力，對于厚壁容器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。4

二奩4

二奩KIiVJuttfIf,

月，(A(BCCCD2） 以容器爆破作為失效狀態(tài)，以爆破壓力作為設計的判據(jù)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。3） 應用：超高壓容器設計。2-^InT22-^InT2.5疲勞失效設計準則1） 定義：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。2） 壓力容器的疲勞屬于高應變（即在屈服點以上的）低周次（循環(huán)次數(shù)小于105次）的疲勞失效，亦稱“低周疲勞”。3） 根據(jù)大量實驗研究和理論分析建立了安全應力幅（Sa）與許用循環(huán)周次（N）的低周疲勞設計曲線，即Sa-N曲線。2.6失穩(wěn)失效設計準則1） 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。2） 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。3） 應用:GB150、JB4732外壓容器設計。2.7其他失效設計準則脆性斷裂失效設計準則1） 艮葉防脆斷失效設計準則”，按斷裂力學概念，以造成容器低應力脆斷的應力或裂紋尺寸作為臨界狀態(tài)的一種計算準則。2） 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。3） 準則應用：安全評定；壽命評估；蠕變失效設計準則1） 定義：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的應力）限制在某一允許的范圍之內(nèi)，以保證高溫容器在規(guī)定的使用期內(nèi)不發(fā)生蠕變失效。2） 應用：GB150JB4732不適用。例：Q245R、Q345R剛度失效設計準則1） 為保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，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)。2） 例：大型板式塔內(nèi)大直徑塔盤法蘭設計泄漏失效設計準則：通過法蘭設計方法和特殊密封結(jié)構(gòu)的設計方法，結(jié)構(gòu)要求以及對密封墊片和螺柱、螺母的要求，防止接頭泄漏的發(fā)生。2.8失效準則的選擇1）我國壓力容器標準涵蓋的失效準則標準GB150，JB/T4735JB4732設計準則彈性、失穩(wěn)失效準則彈性、塑性、彈塑性、失穩(wěn)、疲勞失效準則應力分析方法以材料力學、板殼理論為基礎，引入應力增大系數(shù)和形狀系數(shù)彈性力學、板殼理論公式；彈性有限元法；塑性分析；實驗應力分析2）其他失效準則的應用（設計者需要考慮）?選材;?結(jié)構(gòu)優(yōu)化；?制造要求；?使用控制；例如：低溫容器，“防脆斷失效設計準則”高溫容器，“蠕變失效準則”不銹鋼制壓力容器，“腐蝕失效準則”壓力容器的設計準則發(fā)展?以上設計準則都是近代化工容器中已被采用的，除彈性失效設計準則、塑性失效設計準則、爆破失效設計準則和失穩(wěn)失效設計準則在20世紀60年代以前就逐步成熟運用于容器的工程設計之