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1、主要内内容1 基基于失效效模式的的设计理理念2 压压力容器器设计准准则3 容容器设计计的基本本概念4 常见结结构的设设计计算算方法5 分析设设计一应应力分类类法1 基于于失效模模式的设设计理念念11.1 容器的的失效1.2 失失效模式式分类1.3 我我国标准准考虑的的失效模模式1.44 失效效模式1.5 失失效判据据1 基于失失效模式式的设计计理念压力力容器的的设计步步骤针对失失效模式式的设计计理念成成为压力力容器设设计标准准的发展展方向。压力容器的一般设计步骤为：确定容器最有可能发生的失效模式；选择适当的失效判据和设计准则；确定适用的设计规范标准；按规范标准要求进行设计和校核。1.1 容容器
2、的失失效1）定定义：压压力容器器在规定定的使用用环境和和时间内内，因尺尺寸、形形状或材材料性能能发生改改变而完完全失去去或不能能达到包包括功能能和设计计寿命等等的现象象，称为为压力容容器失效效。2）表表现形式式：破裂裂、过度度变形、泄泄漏3）引引起原因因：工艺艺条件、载载荷、介介质1.2 失失效模式式分类1）IIS01165228归为为三大类类、144种失效效模式。第一大类：短期失效模式：第二大类：长期失效模式：第三大类：循环失效模式：2）承压设备损伤模式识别（GB/T305792014）第1类：腐蚀减薄（25种）第2类：环境开裂（13种）第3类：材质劣化（15种）第4类：机械损伤（11种）第
3、5类：其他损伤（9种）1.3 我我国标准准所考虑虑的失效效模式1）GGB 1150 基于失失效模式式设计的的考虑脆脆性断裂裂（Brritttle fraactuure）韧性断裂（Ductile rupture）蠕变断裂（Creep rupture）接头泄露（Leakage at joints）弹性或塑性失稳（Elastic or plastic instability）2）JB/T4732基于失效模式设计的考虑脆性断裂（Brittle fracture）韧性断裂（Ductile rupture）螺变断裂（Creep rupture）疲劳（Patigue rupture）接头泄漏（Leakage
4、 at joints）弹性或塑性失稳（Elastic or plastic instability）1.4 失失效模式式11）过度度变形容器器的总体体或局部部发生过过度变形形，包括括过量的的弹性变变形，过过量的塑塑性变形形，塑性性失稳（增增量垮坍坍），例例如总体体上大范范围鼓胀胀，或局局部鼓胀胀，应认认为容器器已失效效，不能能保障使使用安全全。过度度变形说说明容器器在总体体上或局局部区域域发生了了塑性失失效，处处于十分分危险的的状态。例例如法兰兰的设计计稍薄，强强度上尚尚可满足足要求，但但由于刚刚度不足足产生永永久变形形，导致致介质泄泄漏，这这是由于于塑性失失效的过过度变形形而导致致的失效效。
5、2）韧韧性断裂裂容容器发生生了塑性性大变形形的破裂裂失效，相相当于图图中曲线线BCDD阶段情情况下的的破裂，这这属于超超载下的的爆破，一一种可能能是超压压，另一一种可能能是本身身大面积积的壁厚厚较薄。这这是一种种经过塑塑性大变变形的塑塑性失效效之后再再发展为为爆破的的失效，亦亦称为“塑塑性失稳稳”（PPlassticc coollaapsee），爆爆破后易易引起灾灾难性的的后果。3）脆脆性断裂裂这这是一种种没有经经过充分分塑性大大变形的的容器破破裂失效效。材料料的脆性性和严重重的超标标缺陷均均会导致致这种破破裂，或或者两种种原因兼兼有。脆脆性爆破破时容器器可能裂裂成碎片片飞出，也也可能仅仅沿纵
6、向向裂开一一条缝；材料愈愈脆，特特别是总总体上愈愈脆则愈愈易形成成碎片。如如果仅是是焊缝或或热影响响较脆，则则易裂开开一条缝缝。形成成碎片的的脆性爆爆破特别别容易引引起灾难难性后果果。4）疲疲劳失效效交交变载荷荷容易使使容器的的应力集集中部位位材料发发生疲劳劳损伤，萌萌生疲劳劳裂纹并并扩展导导致疲劳劳失效。疲疲劳失效效包括材材料的疲疲劳损伤伤（形成成宏观裂裂纹）并并疲劳扩扩展和结结构的疲疲劳断裂裂等情况况。容器器疲劳断断裂的最最终失效效方式一一种是发发生泄漏漏，称为为“未爆爆先漏”（LLBB，LLeakk Beeforre BBreaak），另另一种是是爆破，可可称为“未未漏先爆爆”。爆爆裂的
7、方方式取决决于结构构的厚度度、材料料的韧性性，并与与缺陷的的大小有有关。疲疲劳裂纹纹的断口口上一般般会留下下肉眼可可见的贝贝壳状的的疲劳条条纹。5）蠕蠕变失效效容容器长期期在高温温下运行行和受载载，金属属材料会会随时间间不断发发生蠕变变损伤，逐逐步出现现明显的的鼓胀与与减薄，破破裂而成成事故。即即使载荷荷恒定和和应力低低于屈服服点也会会发生蠕蠕变失效效，不同同材料在在高温下下的蠕变变行为有有所不同同。材料料高温下下的蠕变变损伤是是晶界的的弱化和和在应力力作用下下的沿晶晶界的滑滑移，晶晶界上形形成蠕变变空洞。时时间愈长长空洞则则愈多愈愈大，宏宏观上出出现蠕变变变形。当空洞连成片并扩展时即形成蠕变
8、裂纹，最终发生蠕变断裂的事故。材料经受蠕变损伤后在性能上表现出强度下降和韧性降低，即蠕变脆化。蠕变失效的宏观表现是过度变形（蠕胀），最终是由蠕变裂纹扩展而断裂（爆破或泄漏）。6）失失稳失效效容容器在外外压（包包括真空空）的压压应力作作用下丧丧失稳定定性而发发生的皱皱折变形形称为失失稳失效效。皱折折可以是是局部的的也可以以是总体体的。高高塔在过过大的轴轴向压力力（风载载、地震震载荷）作作用下也也会皱折折而引起起倒塌。7）泄泄漏失效效容容器及管管道可拆拆密封部部位的密密封系统统中每一一个零部部件的失失效都会会引起泄泄漏失效效。例如如法兰的的刚性不不足导致致法兰的的过度变变形而影影响对垫垫片的压压紧
9、，紧紧固螺栓栓因设计计不当或或锈蚀而而过度伸伸长也会会导致泄泄漏，垫垫片的密密封比压压不足、垫垫片老化化缺少反反弹能力力都会引引起泄漏漏失效。系系统中每每一零部部件均会会导致泄泄漏失效效，所以以密封失失效不是是一个独独立的失失效模式式，而是是综合性性的。8）多多模式交交互作用用失效（11）腐蚀蚀疲劳在在交变载载荷和腐腐蚀介质质交互作作用下形形成裂纹纹并扩展展的交互互失效。（2）蠕变疲劳这是指高温容器既出现了蠕变变形又同时承受交变载荷作用而在应力集中的局部区域出现过度膨胀以至形成裂纹直至破裂。1.5 失效判判据失效判判据一般般不能直直接用于于压力容容器的设设计计算算。（因因为压力力容器在在材料、
10、制制造、检检验、操操作等环环节中都都存在许许多不确确定因素素。这些些不确定定因素在在失效判判据中并并未考虑虑进去）在实际的工程设计中，常在失效判据的基础上引入安全系数以考虑上述不确定因素对实际失效的影响，从而得到与失效判据相对应的设计准则。2 压力力容器设设计准则则失失效准则则（设计计准则）一个问题的两个方面，采用何种设计准则就是采用何种失效准则的问题。一种设计上的共识，且经过实践验证的。防止某一（几）种失效模式发生，不意味着符合某种失效准则时容器就破坏了。针对具体的失效模式，选择不同的设计准则，是设计者应该掌握的技能。2.1 弹弹性失效效准则为防防止容器器总体部部位发生生屈服变变形，将将总体
11、部部位的最最大应力力限制在在材料的的屈服点点以下，保保证容器器的总体体部位始始终处于于弹性状状态而不不会发生生弹性失失效。1）规规定屈服服极限是是容器失失效的应应力，考考虑安全全系数后后，容器器实际应应力处在在弹性范范围内。2）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。3）应用：常规设计方法准则，如，GB150、ASME VI I 11：内压圆筒、凸形封头等元件设计。2.2 塑塑性失效效准则容器器某处（如如厚壁筒筒的内壁壁）弹性性失效后后并不意意味着容容器失去去承载能能力。将将容器总总体部位位进入整整体屈服服时的状状态或局局部区域域沿整个个壁厚进进入全屈屈
12、服状态态称为塑塑性失效效状态，若若材料符符合理想想塑性假假设，载载荷不需需继续增增加，变变形会无无限制发发展下去去，称此此载荷为为极限载载荷。Trreacca屈服服条件或或MMisees屈服服条件1）外外载荷极限载载荷：结结构塑性性变形是是局部、可可控的；22）将极极限载荷荷作为设设计准则则的判据据加以限限制，防防止总 体塑性性变形，又又称极限限分析（设设计）。如何求的极限载荷，是该准则的基础。3）准则应用：JB 4732、ASME Vffl2；GB 150：平板、整体法兰（含按整体法兰设计的任意式 法兰）连接的圆筒径部等元件设计或应力计算公式。4）适用范围：材料，载荷5）极限载荷设计原理的保
13、守性用矩形截面梁极限状态作为依据，梁只需要一个塑性铰即到达极限状态，而压力容器可近似看作多个矩形截面梁拼合而 成，即需要多个塑性铰才能塑性失效。是偏安全的。极限限载荷设设计原理理将将板、壳壳看作由由若干受受拉弯作作用下的的矩形截截面梁，材材料为理理想弹塑塑性；当当拉伸为为0时考考察纯弯弯梁应力力随M的的变化：11）弹性性阶段；2）当当上下表表面（RReL或RRp0.2）时时，对应应的最大大弯矩：33）当继继续增加加载荷从从弹性层层减少，塑塑性层增增加，直直到整个个截面屈屈服，此此时不增增加载荷荷截面梁梁变形也也无限増増大，即即形成“塑塑性铰”，此此时：“塑塑性铰”：梁某截截面全部部进入塑塑性状
14、态态后，该该处曲率率可以任任意増大大，称该该点出现现了一个个塑性铰铰。此时MM即为为极限载载荷，对对应的应应力：2.3 弹弹塑性失失效设计计准则1）如如果容器器的某一一局部区区域，一一部分材材料发生生了屈服服，而其其他大部部分区域域仍为弹弹性状态态，而弹弹性部分分又能约约束着塑塑性区的的塑性流流动变形形，结构构处于这这种弹塑塑性状态态可以认认为并不不一定意意味着失失效。2）只只有当容容器某一一局部弹弹塑性区区域内的的塑性区区中应力力超过了了由“安安定性原原理”确确定的许许用值（安安定载荷荷）时才才认为结结构丧失失了 “安安定性”而而发生了了弹塑性性失效。3）安定性原理作为弹塑性失效的设计准则，亦称安定性准则。4）概概念：安安定性一一结构除除在初始始阶段少少数几个个载荷循循环中产产生一定定的塑性性变形外外，在继继续施加加的循环环外载荷荷作用下下不再发发生新的的塑性变变形，或或者说不不出现塑塑性疲劳劳或棘轮轮现象。此此时结构构处于安安定状态态。棘轮轮现象：构件受受机械载载荷、热热应力或或二者同同时作用用的循环环作用，产产生递増増的非弹弹性变形形的现象象。安定定载荷安定与与不安定定的临界界状态对对应的载载荷变化化范围。5）与极限载荷的区别：载荷达到安定载荷时，只是损伤累积的开始，到达破坏
