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1、1,CHAPTER Design of Pressure Vessel,4.压力容器设计,2,4.1 概述4.2 设计准则4.3 常规设计4.4 分析设计4.5 疲劳分析4.6 压力容器设计技术进展,3,压力容器发 展趋 势,大型化,选用高强度材料,高参数,4,4.1 概 述,设计要求设计文件设计条件,4.1 概 述,5,什么是压力容器设计？应综合考虑那些因素？,4.1 概 述,6,压力容器设计：,4.1 概 述,7,结构设计确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求。,强（刚）度设计确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行。,密封设计选择合适的
2、密封结构和材料，保证密封性能良好。,4.1 概 述,8,设计要求设计文件设计条件,4.1 概 述,9,4.1.1 设计要求,安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。安全性主要是指结构完整性和密封性。,经济性包括高的效率、原材料的节省、经济的制造方法、低的操作和维修费用等。,安全性与经济性的统一,4.1 概 述,10,4.1.2 设计文件,设计文件：,包括设计图样、 技术条件、 设计计算书， 必要时还应包括设计或安装、使用说明书。 若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。,设计的表现形式，是设计者的劳动体现,4.1 概 述,11,包括设计条件、所用规范和标准、材料、腐蚀
3、裕量、计算厚度、名义厚度、计算结果等。装设安全泄放装置的压力容器，还应计算压力容器安全 泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积。当采用计算机软件进行计算时，软件必须经“全国锅炉压力容器标准化技术委员会”评审鉴定，并在国家质量监督检验检疫总局特种设备局认证备案”，打印结果中应有软件程序编号、输入数据和计算结果等内容。,设计计算书:,4.1 概 述,12,设计图样,总图,零部件图,4.1 概 述,13,4.1.3 设计条件,工艺设计条件,原始 数据,工艺 要求,简图示意性地画出容器本体、主要内件部分结构尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表达的内容。,设计,4.1 概 述,14,用户要求：,4.1 概
4、述,15,应注明换热管规格、管长及根数、排列形式、换热面积与程数等；,应注明塔型（浮阀塔、筛板塔或填料塔）、塔板数量及间距、基本风压和地震设计烈度和场地土类别等；,应注明搅拌器形式、转速及转向、轴功率等。,4.1 概 述,16,4.2 设计准则,失效形式,4.2 设计准则,17,4.2.1 压力容器失效,定义压力容器在规定的 使用环境和时间内，因尺寸、形状或者材料性能变化而危及安全或者丧失正常功能的现象,失效原因多种多样,4.2 设计准则,18,一、压力容器失效形式,4.2 设计准则,19,a.韧性断裂韧性断裂是压力容器在载荷作用下，产生的 应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。,（1
5、）强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效，包括（a）韧性断裂、（b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。,4.2 设计准则,20,特征,断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀， 周长伸长率可达1020%，断口处厚度显著 减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚 度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。,4.2 设计准则,21,严格按照规范设计、选材， 配备相应的安全附件， 且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定,4.2 设计准则,22,b.脆性断裂脆性断裂是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生，故
6、又称为低应力脆断。,4.2 设计准则,23,4.2 设计准则,脆性断 裂原因,24,需要指出，原材料或制造过程 中产生的裂纹，也会在交变载荷 的反复作用下扩展而导致压力容 器疲劳。,4.2 设计准则,25,失效形式“未爆先漏” ，破坏需要有一定时间。,疲劳断口裂纹源、裂纹扩展区和最终断裂区组成。,裂纹源往往位于接管根部、焊接接头等高应力区或有缺陷的部位。,裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。,最终断裂区裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。由剩余截面不能再承受施加的载荷造成的,4.2 设计准则,26,d.蠕变断裂压力容器在高温下长期受载，随时间的增加
7、材料不断发生蠕变变形，造成壁厚明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。,4.2 设计准则,27,e.腐蚀断裂韧性断裂特征脆性断裂特征。,均匀腐蚀的减薄和 局部腐蚀的凹坑 引起的断裂,晶间腐蚀和应力腐蚀 引起的断裂,4.2 设计准则,28,交互失效实际中可能同时发生多种形式的失效。,4.2 设计准则,29,二、失效判据与设计准则,设计思路,求得压力容器在稳态或 瞬态工况下的力学响应 （如应力、应变、固有频率等）,4.2 设计准则,30,(1)失效判据将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，判别压力容器是否会失效。这种判据，称为失效判据。,4.2 设计准则,31,4.2 设计准则,32,4.2.
8、2 强度失效设计准则,强度失效的两种主要形式：,屈服断裂,（在常温、静载作用下）,4.2 设计准则,33,弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。,一、弹性失效设计准则 （韧性材料）,1、单向拉伸最大拉应力准则,4.2 设计准则,34,2、任意应力状态,（1）最大切应力准则,屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判据最大切应力屈服失效判据第三强度理论,4.2 设计准则,35,（2）形状改变比能准则,2、任意应力状态（续）,形状改变比能失效叛据第四强度理论,4.2 设计准则,36,3、应力强度或相当应力,弹性失效设计准则统一：,4.2 设计准则,37,1、弹性失效准则与塑性失效准则的对比,二
9、、塑性失效设计准则,4.2 设计准则,38,2、塑性失效设计准则,理想弹塑性材料，内压厚壁圆筒,4.2 设计准则,39,压力容器一般具有应变硬化现象爆破压力大于全屈服压力,三、爆破失效设计准则,容器爆破作为失效叛据,4.2 设计准则,40,弹塑性失效设计准则又称为安定性准则，认为载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。,应用场合：适用于各种载荷不按同一比例递增、载荷大小反复变化。,初始屈服载荷与最大应力点进入塑性相对应的载荷。,四、弹塑性失效设计准则,4.2 设计准则,41,4.2 设计准则,42,低周疲劳每次循环中材料都将产生一定的塑性应变，疲劳破坏时的循环次数较低，一般在105次以下。 低周
10、疲劳设计曲线由试验及理论得，虚拟应力幅与许用循环次数之间的关系曲线。 疲劳失效设计准则最大虚拟应力幅按低周疲劳设计曲线所确定的许用循环次数大于容器所需的循环次数，容器就不会发生疲劳失效。 断裂力学理论带裂纹的压力容器疲劳设计准则，即按照疲劳裂纹扩展与断裂的规律对循环载荷作用下的容器作出安全评定。,五、疲劳失效设计准则,4.2 设计准则,43,六、蠕变失效设计准则,将应力限制在由蠕变极限和持久强度确定的许用应力以内。,4.2 设计准则,44,防止容器发生脆性破坏：（1）材料根据受压元件的厚度、应力水平、最低金属温度、载荷性质、介质对材料韧性的影响等因素，提出材料夏比V缺口冲击功或断裂韧性验收指标
11、。 （2）缺陷尽量减少焊接接头；提高无损检测技术。 （3）设计由无损检测水平假设高应力区存在裂纹利用断裂方法裂纹安全性评估确保容器不发生低应力脆性破坏。,4.2 设计准则,45,（1）破损安全设计假设裂纹存在时，结构还能承受工作载荷容器裂纹容限问题。 （2）先漏后爆设计材料具有足够韧性，快速断裂前，裂纹已穿透壁厚，导致泄漏发生，可避免突发快速断裂，减少损失。,脆性断裂失效设计准则,4.2 设计准则,说明：假设裂纹，真实裂纹（漏检或在使用中产生）,46,4.2.3 刚度失效设计准则,在载荷作用下，要求构件的弹性位移 和（或）转角不超过规定的数值,4.2 设计准则,47,4.2 设计准则,48,对于泄漏，常用紧密性（Tightness）这一概念来比较或评价密封的有效性。紧密性用被密封流体在单位时间内通过泄漏通道的体积或质量，即泄漏率来表示。漏与不漏（或零泄漏）是相对于某种泄漏检测仪器的灵敏度范围而言的。,压力容器泄漏失效设计准则是指容器发生的泄漏率(L)不超过允许泄漏率(L)，即LL。,4.2.5 泄漏失效设计准则,
