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1、1,第 四 章 压力容器的 现代设计技术,2,压力容器的发展简要回顾,James Watt (1736-1819),3,4,传统容器设计方法都基于弹性失效设计准则，将容器中最大应力限制在弹性范围内可保证安全。这种“规则设计”方法对设计的容器基本上是安全的，主要着眼于限制容器中的最大薄膜应力或其他由机械载荷直接产生的弯曲应力及剪应力等。这种方法仍是现今设计规范的主流。 但应当看到，这种设计方法对容器中的某些应力，例如结构不连续应力，开孔接管部位的集中应力等并不逐一进行强度校核，特别是当载荷(压力或温度)有交变可能引起结构的疲劳失效时也未对这些应力进行安全性校核。,化工容器的应力分析设计,压力容器
2、技术进展 现代设计技术,6,一、分析设计法概述 随着技术的发展，核容器和大型化的高参数化工容器的广泛使用，工程师们逐步认识到各种不同的应力对容器的失效有不同的影响。 应从产生应力的原因、作用的部位及对失效的影响几方面将容器中的应力进行合理的分类，形成了“应力分类”的概念和相应的工程设计方法。 按不同类别的应力可能引起的失效模式建立起弹性失效、塑性失效、弹塑性失效及疲劳失效的设计与校核方法，并给出不同的应力限制条件。这就是应力分析设计的总体思想。 这套方法的基础首先要对容器中关键部位逐一进行应力分析，然后才能进行应力分类。,压力容器技术进展 现代设计技术,7,应力分析设计的指导思想容器上存在不同
3、载荷及不同的应力，而且对容器失效的影响又各不相同，因此就应当更为科学地将应力进行分类，并按不同的失效形式和设计准则进行应力强度校核。 分析设计法按这种设计思想进行容器设计时必先进行详细的应力分析，将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进行应力分类，再按不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效，这就是以应力分析为基础的设计方法。,压力容器技术进展 现代设计技术,8,(一)容器的载荷与应力 由压力载荷引起的应力 由机械载荷引起的应力 由不连续效应引起的不连续应力 由温差产生的热应力 由应力集中引起的集中应力,压力容器技术进展 现代设计技术,9,(三) 各种应力对容器
4、失效的影响,爆破总发生在远离封头的圆筒体中部，从中央向两头撕裂,封头与筒体连接处存在较大的不连续应力，但爆破不从这里开始,不同的应力引起容器失效的形式不同。,压力容器技术进展 现代设计技术,10,内压产生的应力使容器在总体范围内发生弹性失效或塑性失效，即膜应力可使筒体屈服变形，以致爆破。外压引起总体刚性失稳，即形状失稳。 其他机械载荷产生的局部应力使容器发生局部范围弹性失效或塑性失效。 总体结构不连续应力，由于相邻部位存在相互约束，可能使部分材料屈服进入弹塑性状态，可造成弹塑性失效。 总体热应力也会造成容器的弹塑性失效。 应力集中(局部结构不连续)及局部热应力使局部材料屈服，虽然可以造成弹塑性
5、失效，但只涉及范围极小的局部，不会造成容器过度变形。 在交变载荷作用下，这种应力再叠加上压力载荷的应力及不连续应力会使容器出现疲劳裂纹，主要危害是导致疲劳失效。,压力容器技术进展 现代设计技术,11,二、容器的应力分类 化工容器中的应力进行分类的基本原则是：,应力产生的原因，是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的； 应力的分布，是总体范围还是局部范围的，沿壁厚的分布是均匀的还是线性的或非线性的； 对失效的影响，即是否会造成结构过度的变形，及是否导致疲劳、韧性失效。 应力分类法将容器中的应力分为三大类：一次应力；二次应力；峰值应力。,压力容器技术进展 现代设计技术,第六章 压力容器设计技术
6、进展,12,二、容器的应力分类 (一) 一次应力P(Primary stress),一次应力P也称基本应力，是为平衡压力和其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力，可由与外载荷的平衡关系求得，由此一次应力必然直接随外载荷的增加而增加。 对于理想塑性材料，载荷达到极限状态时即使载荷不再增加，仍会产生不可限制的塑性流动，直至破坏。 这就是一次应力的“非自限性”特征。,压力容器技术进展 现代设计技术,13,二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种：,一次总体薄膜应力Pm(General primary membrane stress),一次弯曲
7、应力Pb(Primary bending stress),一次局部薄膜应力PL (General local membrane stress),压力容器技术进展 现代设计技术,14,(二) 二次应力Q (Secondary stress),二次应力Q是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应力或切应力，基本特征是具有自限性。 筒体与端盖的连接部位存在“相邻部件”的约束，厚壁容器内外壁存在温差时就形成“自身约束”。二次应力不是由外载荷直接产生的，不是为平衡外载荷所必需的，而是在受载时在变形协调中产生的。当约束部位发生局部的屈服和小量的塑性流动使变形得到协调，产生这种应力的原因(变形差)便
8、得到满足与缓和。亦即应力和变形也受到结构自身的抑制而不发展，这就是自限性。,压力容器技术进展 现代设计技术,15,(二) 二次应力Q (Secondary stress),二次应力的例子有： 总体结构不连续部位，如筒体与封头、筒体或封头与法兰连接处的不连续应力中的弯曲应力属二次应力； 总体热应力，如圆筒壳中轴向温度梯度所引起的热应力，由接管和与之相接壳体间的温差所引起的热应力，由壳壁径向温差引起的热应力的当量线性分量以及厚壁容器由压力产生的应力梯度，这些都属于二次应力。,16,(三) 峰值应力F (Peak stress),峰值应力F是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之
9、上的应力增量。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆性断裂。 局部结构不连续是指几何形状或材料在很小区域内的不连续，只在很小范围内引起应力和应变增大，即应力集中，但对结构总体应力分布和变形没有重大影响。 结构上的小半径过渡圆角、部分未焊透及咬边、裂纹等缺陷处均有应力集中，均存在附加在一次与二次应力之上的峰值应力。 平板开孔为例，均匀拉伸膜应力为，应力集中系数为Kt，则F (Kt-1),压力容器技术进展 现代设计技术,17,压力容器技术进展 现代设计技术,18,三、应力分析设计的程序及应用,(1) 结构分析 详细考虑压力容器结构中有哪些部位
10、需要按分析设计方法进行强度分析，这些部位有哪些应力作用，可能产生什么形式的失效。 (2) 应力分析 分析设计方法是按弹性应力分析方法计算各部位的应力，因此需正确确定各分析部位所受的载荷(压力的、机械的与热的)以及边界力学条件，并明确区别设计条件和实际的操作条件。计算方法可以用解析法，无法解析时可以用数值方法。国内外的分析设计标准都规定可以采用弹性方法进行应力分析。当结构中局部区域的应力超出材料的屈服点时，允许采用弹性虚拟应力概念并可进行叠加。,压力容器技术进展 现代设计技术,19,(3) 应力分类 各部位在各种载荷作用下的应力分析后可将应力按P (Pm、PL、Pb)、Q及F进行分类。注意，这里
11、的P、Q、F所代表的是应力分类的类别符号，不只表示一个量，每类应力各有6个应力分量(其中有的应力分量亦可以为零)，每一校核点的应力均应为三个法向应力(x、z )和三个切应力(x、z、zx)为一组的6个应力分量。而叠加是指同种应力分量的向量叠加。应力分类是针对每组应力分量的，同种应力进行叠加。按容器的r、 、z取向，可将剪应力忽略不计，剩下的三个法向应力即为主应力。 (4) 计算应力强度 将应力按各向叠加和分类后的应力分量求得组合后的最大主应力和最小主应力，按第三强度理论求出各校核部位的最大应力强度，或称组合应力强度(S)，以待进行强度校核。,压力容器技术进展 现代设计技术,20,(5) 应力强
12、度校核 进行各个单项及组合应力强度S的校核， Pm的应力强度SIKSm， PL的SII1.5KSm， PL+Pb的SIII1.5KSm。 PL+Pb+Q的S3Sm， PL+Pb+Q+F的SVSa。 Sm为基本应力强度，Sa为由疲劳设计曲线得到的应力循环下的允许应力幅(若以全幅应力循环计时，则允许的峰值应力强度应为2Sa)。,K为载荷的组合系数，即根据压力、自重、内物料、配件重、风载、地震载荷不同组合情况的组合，按JB4732-95钢制压力容器-分析设计标准，表3-3的方法取K值。,压力容器技术进展 现代设计技术,21,结构在交变载荷下会发生疲劳破坏，这是19世纪末已被重视的问题，早就形成了疲劳
13、设计方法。但由于受压容器的疲劳破坏特别容易发生在接管根部等出现塑性应变的高应变区，破坏的循环周次都很低，称为“低循环疲劳”。低循环疲劳有其特殊的规律，形成了不同于高循环情况的容器防低循环破坏的设计方法。 疲劳设计需进行详细的应力分析，必须采用应力分类的方法进行设计，因此容器的疲劳设计也是分析设计法的一个重要组成部分。,压力容器技术进展 现代设计技术,22,容器的交变载荷来自压力的波动、开停工的压力交流；温度的交变形成温差应力的交变；外加载荷的交变以及强迫振动等。另一方面容器结构上存在局部结构不连续引起应力集中，尤其当形成局部塑性区时，往往是萌生疲劳裂纹和引起容器疲劳破坏的源区。,局部塑性区内的
14、高应变，在交变载荷下将发生交变的塑性应变，因此容器疲劳破坏时的循环周次都很低。循环数在102105次发生破坏的称为低循环疲劳，105次以上的则称为高循环疲劳。,压力容器技术进展 现代设计技术,23,容器不需作疲劳分析的规定 疲劳分析是在应力分析基础上进行的，设计成本较高，不是所有承受交变载荷的容器都需作疲劳分析。ASME-2 (ADl60-2节)及中国疲劳设计规范都从很保守的角度作出具体规定，例如对材料抗拉强度不超过550MPa的容器，若下列四条中的总循环数对于容器整体部分(包括整体补强的接管)不超过1000次，对于非整体结构的部件(例如带补强板的接管)不超过400次时，可以不作疲劳分析。 压
15、力全幅度循环的预期(设计)次数，包括起动和停车。 压力变化幅度超过设计压力的20的循环次数，大气压波动的影响不需考虑。,压力容器技术进展 现代设计技术,24,(二)容器不需作疲劳分析的规定 容器上包括接管的任何相邻两点间温度差的变化的有效次数，这里的有效次数是指金属温度差变化的次数乘以从下表查得相应系数值之积的和。 当构件是由膨胀系数不同的材料焊接而成时，则应计及当温度升高DT的(a1a2)，DT值超过0.00034时的温度循环次数，此条件不适用于复合材料，a1及a2为两种材料在平均温度下的线膨胀系数。,这四种情况的总循环次数不超过1000次(或400次)是绝不会发生疲劳损坏的，这样计算已是很
16、保守的了，例如它是假设结构的应力集中系数Kt6作为分析前提的。,压力容器技术进展 现代设计技术,压力容器的应力分析设计 应用计算机对结构进行应力及强度分析、并进行结构优化设计的程序已经很多，一些大型结构分析程序的应用，如ANSYS、NASTRAN、ADINA、COSMOS，I-DEAS、等，大大提高了设计质量，并且大大降低了设计成本。,压力容器技术进展 现代设计技术,1. 压力容器的主要特点 结构形式 压力容器主要的结构形式为回转壳，当然最典型的是柱壳（常称为筒体）和球壳（球罐和封头等）。常见的结构主要特点是：开孔、支撑、加强构件等；壳体的厚度远小于壳体的曲率半径；结构不规则；异种材料连接等。 根据其结构形式的主要特点和用途还可以进一部分类为：塔式容器、卧式容器、换热器、球罐等。,有限元在压力容器设计中的应用,压力容器技术进展 现代设计技术,载荷形式 1) 压 力：这是最重要的载荷形式，包括内压和外压； 2) 热载荷：主要是由于温度梯度引起来的热应力； 3) 力和
