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1、1惠虎惠虎技术报告技术报告技术报告技术报告压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展华东理工大学机械与动力工程学院华东理工大学机械与动力工程学院2第一节第一节第一节第一节 近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述发展及趋势发展及趋势发展及趋势发展及趋势失效模式失效模式失效模式失效模式设计准则设计准则设计准则设计准则第二节第二节第二节第二节 压力容器分析设计技术压力容器分析设计技术压力容器分析设计技术压力容器分析设计技术第三节第三节第三节第三节 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计第四节第四
2、节第四节第四节 高温压力容器高温压力容器高温压力容器高温压力容器第五节第五节第五节第五节 低温压力容器低温压力容器低温压力容器低温压力容器第六节第六节第六节第六节 防脆断设计防脆断设计防脆断设计防脆断设计( ( ( (时间不够时间不够时间不够时间不够, , , ,仅讲概念仅讲概念仅讲概念仅讲概念) ) ) )3第一节第一节第一节第一节 近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述压力容器的发展及趋势压力容器的发展及趋势压力容器的发展及趋势压力容器的发展及趋势压力容器的失效模式压力容器的失效模式压力容器的失效模式压力容器的失效模
3、式压力容器的设计准则压力容器的设计准则压力容器的设计准则压力容器的设计准则4压力容器的发展简要回顾压力容器的发展简要回顾压力容器的发展简要回顾压力容器的发展简要回顾压力容器的发展简要回顾压力容器的发展简要回顾压力容器的发展简要回顾压力容器的发展简要回顾5近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势- - - -大型化大型化大型化大型化, , , ,高参数高参数高参数高参数化工及石油化化工及石油化化工及石油化化工及石油化 工发展的需求工发展的需求工发展的需求工发展的需求大型化大型化大型化大型化高参数高参数高参数高参数高强材料高强材料高强材料高强材料6近
4、代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势- - - -大型化大型化大型化大型化, , , ,高参数高参数高参数高参数大型化大型化大型化大型化高参数高参数高参数高参数如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为15MPa左右，工作温度为300C左右，容器内直径7800mm，壁厚317 mm，重650吨；如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为20MPa左右，工作温度为500C左右，最大内直径达5000mm，壁厚为400 mm，重2600吨；炼油厂加氢如反应器的直径达4.5mm,厚280mm, 重约1000吨7大型化大型化大型化大型化, , , ,高
5、参数带来的问题？高参数带来的问题？高参数带来的问题？高参数带来的问题？大型化大型化大型化大型化高参数高参数高参数高参数高温蠕变高温蠕变高温蠕变高温蠕变低应力脆断低应力脆断低应力脆断低应力脆断疲劳问题疲劳问题疲劳问题疲劳问题8近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势- - - -核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力 容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步核电的发展核电的发展核电的发展核电的发展推动了压力容器推动了压力容器推动了压力容器推动了压力容器 设计理论的发展设计理论的发展设
6、计理论的发展设计理论的发展9近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势- - - -核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力 容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步10近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势- - - -核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力 容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步核压力容器核压力容器核压力容器核压力容器12近代压力容器的发展趋势近代压
7、力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势- - - -核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力 容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步13近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势- - - -核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力 容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步14近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势- - - -核电发展促进了压力核电
8、发展促进了压力核电发展促进了压力核电发展促进了压力 容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步容器设计技术的进步核电的发展核电的发展核电的发展核电的发展分析设计（分析设计（分析设计（分析设计（DbADbADbADbA）断裂分析断裂分析断裂分析断裂分析高应变疲劳分析高应变疲劳分析高应变疲劳分析高应变疲劳分析15第一节第一节第一节第一节 近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述近代压力容器设计技术进展概述压力容器的失效模式压力容器的失效模式压力容器的失效模式压力容器的失效模式16压力容器设计、制造、使用的核心问题？压力容器设计、制造、使用的核
9、心问题？压力容器设计、制造、使用的核心问题？压力容器设计、制造、使用的核心问题？安全安全17两种最基本的失效模式两种最基本的失效模式韧性破坏韧性破坏韧性破坏韧性破坏脆性破坏脆性破坏脆性破坏脆性破坏18韧性破坏韧性破坏韧性破坏韧性破坏19容器因超压而发生显著塑性变形后破坏破坏前明显发生鼓胀直至破裂爆炸是其主要特征该破坏过程可以用下图的爆破曲线来说明容器因超压而发生显著塑性变形后破坏破坏前明显发生鼓胀直至破裂爆炸是其主要特征该破坏过程可以用下图的爆破曲线来说明韧性破坏韧性破坏韧性破坏韧性破坏压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一20图6.1 容器的爆破曲线
10、韧性破坏韧性破坏韧性破坏韧性破坏o(A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段) (C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)整体屈 服压力整体屈 服压力爆破压爆破压21动脑筋动脑筋动脑筋动脑筋?(A)(B)(C)22韧性破坏韧性破坏韧性破坏韧性破坏- - - -照片照片照片照片23韧性破坏案例韧性破坏案例韧性破坏案例韧性破坏案例- - - -相关实验研究相关实验研究相关实验研究相关实验研究核电站蒸汽 发生器核电站蒸汽 发生器传热管材料为Inconel 690 常温屈服强度为291MPa 抗拉强度为742MPa 外直径19.05mm, 壁厚1.09mm实际的蒸发 器传热管实际的蒸
11、发 器传热管24核电蒸发器传热管实验研究原理图核电蒸发器传热管实验研究原理图核电蒸发器传热管实验研究原理图核电蒸发器传热管实验研究原理图试验测试装置25传热管韧性破裂传热管韧性破裂26传热管其它研究传热管其它研究传热管其它研究传热管其它研究- - - -含缺陷传热管的研究含缺陷传热管的研究含缺陷传热管的研究含缺陷传热管的研究含各种缺陷的传热管含各种缺陷的传热管27含缺陷传热管的爆破照片含缺陷传热管的爆破照片含缺陷传热管的爆破照片含缺陷传热管的爆破照片28含缺陷传热管的爆破照片含缺陷传热管的爆破照片含缺陷传热管的爆破照片含缺陷传热管的爆破照片00.511.522.533.500.20.40.60
12、.81Z/T=0.475 Z/T=0.5 Z/T=0.6RTX /含缺陷传热管一级评定曲线含缺陷传热管二级评定曲线含缺陷传热管一级评定曲线含缺陷传热管二级评定曲线29脆性破坏脆性破坏脆性破坏脆性破坏30图6.1 容器的爆破曲线o脆性破坏脆性破坏脆性破坏脆性破坏压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一31脆性破坏脆性破坏脆性破坏脆性破坏压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一现象：现象：现象：现象：低应力，低应力，低应力，低应力，体积变形很小，体积变形很小，体积变形很小，无明显塑性变形体积变形很小，无明显塑性变形原因
13、原因原因原因：1 1 1 1）材材材材料很脆，料很脆，料很脆，料很脆，2 2 2 2）有严重缺陷）有严重缺陷危害危害危害危害：无征兆、很多产生碎片、带来灾难性后果无征兆、很多产生碎片、带来灾难性后果无征兆、很多产生碎片、带来灾难性后果无征兆、很多产生碎片、带来灾难性后果32脆性破坏脆性破坏脆性破坏脆性破坏- - - -照片照片照片照片压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一33其它其它其它其它失效失效失效失效模式模式模式模式34过度变形失效过度变形失效过度变形失效过度变形失效压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一
14、容器整体或局部发生了过度变形,包括过量的弹性 变形,过量的塑性变形,塑性失稳,便认为容器失效例如:总体上大范围的鼓胀,局部的鼓胀例如:如法兰的设计稍薄,强度上可满足要求, 但刚性不足,可能产生永久变形,导致介质泄漏35疲劳失效疲劳失效疲劳失效疲劳失效压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一由交变载荷导致容器应力集中部位产生疲劳损伤, 萌生疲劳裂纹并进一步扩展而发生破坏两种后果：疲劳后断裂、 疲劳后泄露无明显塑性变形，接近脆断时的宏观状态应指出：交变载荷是发生疲劳失效的必要前提， 应力集中的地方最容器发生疲劳应力集中的地方最容器发生疲劳36蠕变失效蠕变失效
15、蠕变失效蠕变失效压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一原因：高温使材料晶界弱化,发生蠕变空洞一般当温度大于0.3倍的材料熔点温度时,考 虑蠕变化工容器长期在高温下受载,即使载荷是恒定 的和应力低于该温度下的屈服强度,材料也会 随时间而不断发生蠕变变形,造成明显减薄与 鼓胀变形,甚至破断,此即蠕变破坏.37高温承压设备的剩余寿命高温承压设备的剩余寿命3839高温承压设备的剩余寿命高温承压设备的剩余寿命40高温承压设备的剩余寿命高温承压设备的剩余寿命41高温承压设备的剩余寿命高温承压设备的剩余寿命42高温承压设备的剩余寿命高温承压设备的剩余寿命43腐蚀失效
16、腐蚀失效腐蚀失效腐蚀失效压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一根据腐蚀机理：化学腐蚀电化学腐蚀如点状腐蚀而产生密集凹坑;均匀腐蚀而使 容器壁过度减薄;晶间腐蚀致使晶粒间疏松而 失去承载能力;或在拉应力作用下介质使金属 材料腐蚀产生裂纹的应力腐蚀导致容器泄漏 或破断容器壁接触腐蚀性介质，腐蚀到泄露或总体 强度不足或局部强度不足时，而产生的失效44失稳失效失稳失效失稳失效失稳失效压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一容器在压应力作用下丧失稳定性而发生皱折 变形,皱折可以是局部的也可以是总体的这在以前的章节中已讨论过45泄漏失效泄漏失效泄漏失效泄漏失效压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一压力容器失效模式之一密封系统中每一零部件的失效都会引起泄漏 失效如：法兰的刚性不足、螺栓设计不当伸长、 垫片老化缺乏反弹能力密封失效不是一个独立的失效模式，而是综 合的46容器的交互失效模式容
