对容器设计的安全要求

《对容器设计的安全要求》由会员分享，可在线阅读，更多相关《对容器设计的安全要求（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四章第四章 对容器设计的安全要求对容器设计的安全要求4.1 压力容器的设计方法压力容器的设计方法目前，压力容器所采用的设计标准规范有两大类，一一类是常规设计（Design by Rule)，以 美国 ASME第一分篇压力容器建造和中国 GB150150钢制压力容器标准为代表；另一类 是分析设计（Design by Analysis)，以美国 ASME-第二分篇压力容器建造-另一规则 和中国 JB47324732钢制压力容器-分析设计标准为代表。4.1.14.1.1 常规设计常规设计常规设计是以弹性设计准则为基础，只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷 处理，不涉及容器的疲劳问题，不考

2、虑热应力。它是以壳体的薄膜理论或材料力学方法导出容 器及部件的设计计算式，给出了压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系。但这些并不是建 立在对容器及其部件进行详细的应力分析基础之上，例如容器筒体，是根据内压与筒壁上均匀 分布的薄膜应力整体平衡推导而得，采用的是“中径公式“。一般情况它仅考虑筒体中的平均应 力，不考虑其他类型的应力（如弯曲应力，只要将平均应力值限制在以弹性失效设计准则所 确定的许用应力范围之内，则认为设备就是安全的。 实际上，当容器承载以后，在容器上结构不连续区域出现多种应力，常规设计在标准中对 此只是根据经验做出规定，把局部应力粗略地控制在一个安全水平上，并在结构、选材、制造

3、等方面提出要求来保证安全。因此，从本质上讲常规设计是基于经验的设计方法。 压力容器在实际运行中所承受的载荷往往是多种多样的，不但有机械载荷，还有热载荷、 周期性变化的载荷等，这使得无法用常规设计方法进行设计。例如由于在容器中存在开孔、接 管、支座、附件连接等局部不连续，器壁中应力分布很不均匀，局部应力有时比基于薄膜理论 的设计公式算出的应力高出很多倍，许多容器事故都是由这种局部高应力引发的。在设计上， 如果按最大应力点达到屈服极限就算失效，把局部高应力限制在一倍的许用应力以下，那对其 他广大的低应力区来说尚有很大承载潜力，材料没有充分发挥作用，设计是保守的。若不考虑 局部应力，只按薄膜应力进行

4、计算，那又很不安全，应力集中区将会出现塑性变形，在反复载 荷作用下还可能萌生裂纹，进而导致容器失效。又如对具有热应力的容器，热应力对容器失效 的影响是不能通过提高材料设计系数或加大厚度的办法来有效改善的，有时厚度的增加却起了 相反的作用，因为厚壁容器的热应力会随厚度的增加而增大。因此，必须从设计观念和设计方 法上加以改变。4.1.24.1.2 分析设计分析设计“分析设计“放弃了传统的“弹性失效“准则，采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限 的“塑性失效“和“弹塑性失效“准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位 做有限寿命设计。 进行压力容器分析设计时，必须先进行详细的应力分析

5、，即通过解析法或数值方法，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，对各类应力借用塑性理论 的基本概念与结论进行评定，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，简称分析设计。 分析设计可应用于承受各种载荷的任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。 采用“塑性失效“和“弹塑性失效“准则，可以较好地解决常规设计中所述的矛盾，合理地放松了 对计算应力的过严限制，安全系数相对降低，许用应力相对提高。压力容器存在的可能失效模式有：a.过量的弹性变形（包括弹性不稳定性)；b.过量的塑性 变形；c.塑性不稳定渐增性

6、垮塌；d.高应变低循环疲劳；e.脆性断裂；f.蠕变；g.应 力腐蚀；h.腐蚀疲劳。目前，分析设计涉及前 4 4 种失效模式。 4.14.1.2.1.2.1 极限分析极限分析 极限分析认为结构上某一点达到屈服后该结构并没有失效，只有整体屈服达到所谓的极限 状态才算失效。极限分析假定结构所用材料为理想弹塑性材料，在某一载荷下结构进入整体或 局部区域的全域屈服后，变形将无限制地增大，结构达到了它的极限承载能力，这种状态即为 塑性失效的极限状态，使结构达到整体屈服的这一载荷称为极限载荷。下面以纯弯曲梁为例进 行分析说明。设有一矩形截面梁，宽度为 b，高为 h，受弯矩 M 作用，如图 2-3(a)2-3

7、(a)所示。由材料力学可 知，矩形截面梁在弹性情况下，截面应力呈线性分布，即上下表面处应力最大，一边受拉，一边受压。最大应力为。当m=s时，梁的上下表面开始进入屈服图 2-32-3(b)，此26 bhM m时达到了弹性失效状态，对应的载荷为弹性失效载荷，即。但从塑性失效观点看，62bhMse此梁除上下表面材料屈服外，其余材料仍处于弹性状态，还可继续承载。随着载荷增大，梁内 弹性区减少，塑性区增大图 2-3(c2-3(c)。当塑性区扩大到整个截面都达到屈服应力而处于极限状态图 2-3(d)，由平衡关系可得此时极限载荷为。显然Mp=1.5Me，即塑性失效42bhMsp时的极限载荷为弹性失效时的载荷

8、的 1.51.5 倍。若按弹性应力分布计算，则极限载荷下的“虚拟应 力“为sp bhM5 . 162max上式说明，按照极限分析法，当最大弯曲应力达到 1.51.5s时，结构才处于极限状态。计入 安全系数后强度条件为 5 . 15 . 1maxss n这就是一次弯曲应力可以取 1.5 为强度控制值的依据。在受拉伸和弯曲组合应力作用 时，即相当于弯曲应力和薄膜应力叠加时，其破坏应力是变化的，但为简化起见，都规定 1.5为强度控制值。4.14.1.2.2.2.2 安定性分析安定性分析 极限分析是针对一次性加载（静载荷）情况，而安定性分析则是针对反复加载（交变载荷） 情况。 若虚拟应力超过材料屈服点

9、，局部高应力区由塑性区和弹性区两部分组成。塑性区被弹性 区包围，卸载时弹性区力图使塑性区恢复原状，从而在塑性区中出现残余压缩应力。剩余压缩应力的大小与虚拟应力有关。设结构由理想弹塑性材料制造，现根据虚拟应力1的大小简单 分析处于“安定“状态的条件。图 2-4 表示理想弹塑性材料在其虚拟应力超过s后的应力应变关系。由图 2-4(a)可知， 只要局部塑性变形小于屈服应变值s的两倍，或虚拟应力1小于两倍屈服强度 2s，就 只在第一次加载经 OAB 时产生相当于 AB 线段的塑性变形。卸载沿 BC 线，再次加载、卸载就一 直沿 CB 线变化了，一直处于弹性状态，没有塑性应变，只不过加载时应力是由具有残

10、余压应力的 C 点开始，先减至零，然后变为拉应力。如果局部变形大于两倍屈服应变 2 2s或虚拟应力超过 2s 图 2-4(b)，这时加载经 OAHD，卸载沿 DFG，FG 为反向塑性变形。以后的加载、 卸载沿 GH 和 DF，每一循环都有 HD 与 FG 的反复塑性变形。反复塑性变形使材料变脆，不久将 引起断裂，这对结构是不安定的。设容器在总体结构不连续处存在较高的局部应力，其计算值超过材料的屈服极限。如果是理想塑性材料，则当应力达到屈服极限s 后即不再增大，而应变则继续由s,増加至，如图3 - 1 中的OAB线所示。B点的应变为，与此相对应的计箅应力值为=E。当 容器卸压时，应力下降，这段卸

11、载的应力应变线段的斜率与加载线相同，如图3-1中的BC线。在C点处，拉应力巳降至零，但仍存 在残余应变OC,其值等于- s,，要使残余应变消失，则必须施加压应力E (- s),应力应变过程如图中的CD线。所以在容器卸压时， 这一区域内存在残余压应力。此后容器再次加压，则应变即由O至,而应力则由D开始，沿直线DCB达到B点，即残余压应力先减至零， 然后变为拉应力。以后容器在反复的加压和卸载过程中，应力应变过程始终如直线BCD所示，完全呈弹性状态，没有塑性应变。 但是，如果容器的局部应力过大，使应变超过屈服应变s的两倍，如图3-1中的B点， 则当容器卸压时，应力沿BC线下降，当 拉应力为零时，存在

12、的残余应变（图中的OC大于s。这样，即使施加数值等于材料的屈服极限s的压应力，残余应变仍存在，如图中 的DE线。于是容器卸压时，在此区域内产生如DE线所示的压缩屈服变形，称为反向屈服。此后容器在不断的加压和卸压过程中，此一区 域将不断地发生拉伸屈服变形与压缩屈服变形。这种循环的塑性应变，可以在不太多的循环次数下，导致材料的破坏。 因此，要保持应力区域处于完全弹性状态，必须使最大应变保持在屈服应变s的两倍的界限内，即最大计算应力值应不大于材料 屈服极限的两倍。 如果一个结构经过几次反复加载过程，结构元件仅在第一次加载过程中出现一定量的塑性 变形，以后不再出现塑性变形，也不会导致塑性变形的连续循环

13、，构件处于弹性循环状态，即 称为“安定“状态。否则结构会在反复加载、卸载中引起新的塑性变形，那么塑性变形便不断积 累，结构可能因塑性疲劳或大变形而发生破坏，这种状态被称为“不安定“ 状态。可见，保证结构“安定“的条件是12s，由于s1.5Sm(Sm设计应力强度)，分析 设计标准中，将一次加二次应力强度限制在 3Sm以内。在做极限分析时可知，当外载荷一旦达到极限载荷，结构即成为几何可变机构而失去承载 能力。但当载荷达到安定载荷时只是损伤累积的开始，破坏是一个缓慢的过程。因此，对“安 定”不加安全系数，只要求施加的载荷小于安定载荷就可以了。由于实际材料并非理想弹塑性材料，屈服后还有应变强化能力，因

14、此上面由极限分析和安 定性分析导出的应力限制条件是偏于保守的，使结构增加了一定的安全裕度。4.14.1.2.3.2.3 疲劳分析及设计疲劳分析及设计(1）疲劳分析 随着石油化工和其他工业的迅速发展，许多压力容器要承受交变载荷， 如 频繁地开、停车以及压力波动、温度变化等，使得容器中应力随时间呈周期性（或无规则）变 化（即所谓交变应力）。生产规模的大型化和高参数（高压、高温、低温）也使得高强度材料 广泛应用于压力容器。这些因素的组合造成了压力容器发生疲劳失效的事故率增加，根据事故 的统计分析可知，由于疲劳裂纹的扩展而造成疲劳破坏的事例约占压力容器破坏事例的 40%左 右。因此，疲劳问题近年来引起

15、了各国工程界和理论界的关注，许多技术先进的国家均在自己 压力容器设计规范中，增加了相应的疲劳设计条款。在分析设计中，由极限载荷分析可知，当外载荷小于极限载荷时，结构中的塑性变形是局 部的、可控制的。当外载荷大于极限载荷时，结构变成几何可变机构，失去承载能力；由安定 性分析可知，当外载荷小于安定载荷时，结构除在初始载荷循环中出现塑性变形外，在以后的载荷循环中将保持为弹性行为，结构的寿命是无限的。那么，当外载荷大于安定载荷时，可能 会出现如下三种情况。渐增性垮塌。在筒体和封头连接处的边缘效应区，当弹性名义应力超过两倍屈服极限时， 在加压、卸压过程中会出现塑性变形的积累，到一定程度就会出现垮塌现象。

16、这种情况实际上 也属于疲劳范畴，只是这种现象不同于在局部峰值应力部位出现的疲劳现象。在筒体与封头连 接区域二次应力起着重要作用，且作用在整个断面，危险性相对比较大。因此，设计时不允许 像对待峰值应力那样，允许有损伤出现，进行有限寿命设计，而是要求弹性名义应力严格控制 在两倍屈服极限以下，不允许这种渐增性垮塌在容器中发生。低周疲劳。材料在交变载荷作用下的破坏称之为疲劳。压力容器的疲劳属于低循环疲劳 或塑性疲劳。它的特点是：每次加载循环的前半周（加载）和后半周（卸载）在结构同一部位 相继产生方向相反的塑性变形；每次循环总塑性变形接近于零，但每半周的塑性功不为零；拉 伸时塑性功为正，压缩时塑性功也为正。这就是损伤的根源，将导致裂纹萌生、扩展直到贯穿 整个断面，最终出现漏泄或断裂。容器的疲劳寿命由标准中给出的交变应力幅与循环次数之间的关系曲线来预测。棘轮损伤