压力容器设计技术全

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1、压力容器设计技术 1压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述第二节 化工容器的应力分析设计 2压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的应用 压力容器设计技术进展 3压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 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James Watt (1736-1819)4压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 化工及石油化工化工及石油化工化工及石油化工化工及石

2、油化工发展的需求发展的需求发展的需求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 5压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 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大型化大型化大型化大型化高参数高参数高参数高参数l核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为15MPa，工作温度为300C，容器内直径7800mm，壁厚317 mm，重650吨；l煤气化液化装置中的压力容器工作压力为20MPa，工作温度为50

3、0C，最大内直径达5000mm，壁厚为400 mm，重2600吨；l炼 油 厂 加 氢 反 应 器 的 直 径 达 4.5mm,厚280mm, 重约1000吨。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 6压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式l容器设计的核心问题是安全。l化工容器设计技术的近代进展时基本的出发点也是安全。l容器的安全就是防止容器发生失效。容器的传统设计思想实质上就是防止容器发生“弹性失效”。两种最基本的失效模式两种最基本的失效模式韧性破坏脆性破坏脆性破坏l随着技术的发展，遇

4、到的容器失效有各种类型，针对不同的失效形式进而出现了不同的设计准则。在讨论这些设计技术进展之前有必要首先弄清容器的各种形式的失效，尤其最基本的爆破失效过程更需要弄清楚。下面就容器的韧性爆破和脆性爆破过程先作一些阐述：7压力容器设计技术(全)(一) 容器的超压爆破过程 1容器的韧性爆破过程 一台受压容器，如果材料塑性韧性正常，设计正确，制造中未留下严重的缺陷，加压直至爆破的全过程一般属于韧性爆破过程。韧性爆破的全过程可以用图示容器液压爆破曲线OABCD来说明，加压的几个阶段如下： 整体屈服压力爆破压力(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(

5、CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 8压力容器设计技术(全)(一) 容器的超压爆破过程(1)弹性变形阶段 见OA，随着进液量(即体积膨胀量)的增加，容器的变形增大，内压随之上升。这一阶段的基本特征是内压与容器变形量成正比，呈现出弹性行为。 A点表示内壁应力开始屈服，或表示容器的局部区域出现屈服，整个容器的整体弹性行为到此终止。 (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)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 9压力容器设计技术(全)(一) 容器的超压爆破过程 (2)屈服变形阶段 AB段，容器从局部屈服到整体屈服的阶段，以内壁

6、屈服到外壁也进入屈服的阶段。B点表示容器已进入整体屈服状态。如果容器的钢材具有屈服平台，这阶段包含塑性变形越过屈服平台的阶段，这是一个包含复杂过程的阶段，不同的容器、不同的材料，这一阶段的形状与长短不同。 (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)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 10压力容器设计技术(全)(一) 容器的超压爆破过程 (3)变形强化阶段 BC段，材料发生塑性变形不断强化，容器承载能力不断提高。但体积膨胀使壁厚减薄，承载能力下降。两者中强化影响大于减薄影响，强化提高承载能力的行为变成主要因素。强化的变化率逐渐降低，

7、到C点时两种影响相等，达到总体“塑性失稳”状态，承载能力达到最大即将爆破，此时容器已充分膨胀。 (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)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 11压力容器设计技术(全)(一) 容器的超压爆破过程(4)爆破阶段 在CD段，减薄的影响大于强化的影响，容器的承载能力随着容器的大量膨胀而明显下降，壁厚迅速减薄，直至D点而爆裂。 (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)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 12压力容器设计技术(全)(一) 容器的

8、超压爆破过程 C点的内压力为爆破压力，正常韧性爆破的容器，爆破的体积膨胀量(即进液量)在容器体积的10以上，该值越高，容器的韧性越好，材料的塑性韧性和制造质量都很好，该容器在设计压力下很安全。承受的压力，爆破压力越高，爆破压力与设计压力的比值越大则越安全。 (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)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 爆破压力13压力容器设计技术(全)(一) 容器的超压爆破过程 A点是开始屈服的压力，B点是容器进入屈服的压力。容器屈服压力指B点对应的压力整体屈服压力。从实验爆破曲线上判定A点及B点很困难。ASME1

9、实验应力分析给出确定容器屈服压力的方法，按弹性线(OA)斜率增大一倍画一条通过坐标原点的斜线，与爆破曲线拐弯处的交点，即为屈服压力(整体屈服压力)。简称为二倍斜率法，工程上很有用。 (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)整体屈服压力第一节 近代化工容器设计技术进展概述 14压力容器设计技术(全)(一) 容器的超压爆破过程韧性破坏韧性破坏- -照片照片第一节 近代化工容器设计技术进展概述 15压力容器设计技术(全)2容器的脆性爆破过程现象：现象：低应力，低应力，体积变形很小，体积变形很小，无明显塑性变形原因原因：1 1）材料很脆，

10、）材料很脆，2 2）有严重缺陷危害危害危害危害：无征兆、很多产生碎片、带来无征兆、很多产生碎片、带来无征兆、很多产生碎片、带来无征兆、很多产生碎片、带来灾难性后果灾难性后果灾难性后果灾难性后果第一节 近代化工容器设计技术进展概述 16压力容器设计技术(全)2容器的脆性爆破过程 容器的脆性爆破过程如图中OA，(或OA”)曲线。这种爆破指容器在加压过程中没有发生充分的塑性变形鼓胀，甚至尚未达到屈服的时候就发生爆破。爆破时容器尚在弹性变形阶段至多是少量屈服变形阶段。 (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)第一节 近代化工容器设计技术进

11、展概述 17压力容器设计技术(全)2容器的脆性爆破过程 脆性爆破的容器是由材料的脆性(例如低温下的脆性)，或是由于有严重的焊接缺陷(例如裂纹)引起。也可能两者同时起作用，既有严重缺陷又遇材料变脆(如焊接热影响区的脆化或容器长期在中高温度下服役致使材料显著脆化)从而引起脆断。(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)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 18压力容器设计技术(全)2容器的脆性爆破过程 脆性爆破的容器由于体积变形量很小，其安全裕量很少，应竭力防止。发生脆断，容器爆裂出碎片飞出，产生极大的危害，带来灾难性的后果。 容器的韧

12、性爆破和脆性爆破是容器爆破的两种基本典型的形式。实际容器的失效不一定是爆破，而有更多的原因和模式，下面将讨论容器的失效模式问题和容器设计应采用的相应的准则 (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)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 19压力容器设计技术(全)一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (1) 过度变形 容器的总体或局部发生过度变形，包括过量的弹性变形，过量的塑性变形，塑性失稳(增量垮坍)，例如总体上大范围鼓胀，或局部鼓胀，应认为容器已失效，不能保障使用安全。过度变形说明容器在总体上或局部区域发生了塑性失效，处于十分

13、危险的状态。例如法兰的设计稍薄，强度上尚可满足要求，但由于刚度不足产生永久变形，导致介质泄漏，这是由于塑性失效的过度变形而导致的失效。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 20压力容器设计技术(全)一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (2) 韧性爆破 容器发生了塑性大变形的破裂失效，相当于图中曲线BCD阶段情况下的破裂，这属于超载下的爆破，一种可能是超压，另一种可能是本身大面积的壁厚较薄。这是一种经过塑性大变形的塑性失效之后再发展为爆破的失效，亦称为“塑性失稳”(Plastic collapse)，爆破后易引起灾难性的后果。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 21压力容器设计技术(

14、全)一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (3) 脆性爆破 这是一种没有经过充分塑性大变形的容器破裂失效。材料的脆性和严重的超标缺陷均会导致这种破裂，或者两种原因兼有。脆性爆破时容器可能裂成碎片飞出，也可能仅沿纵向裂开一条缝；材料愈脆，特别是总体上愈脆则愈易形成碎片。如果仅是焊缝或热影响较脆，则易裂开一条缝。形成碎片的脆性爆破特别容易引起灾难性后果。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 22压力容器设计技术(全)一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (4) 疲劳失效 交变载荷容易使容器的应力集中部位材料发生疲劳损伤，萌生疲劳裂纹并扩展导致疲劳失效。疲劳失效包括材料的疲劳损伤(形成宏观

15、裂纹)并疲劳扩展和结构的疲劳断裂等情况。容器疲劳断裂的最终失效方式一种是发生泄漏，称为“未爆先漏”(LBB, Leak Before Break)，另一种是爆破，可称为“未漏先爆”。爆裂的方式取决于结构的厚度、材料的韧性，并与缺陷的大小有关。疲劳裂纹的断口上一般会留下肉眼可见的贝壳状的疲劳条纹。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 23压力容器设计技术(全)一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (5) 蠕变失效 容器长期在高温下运行和受载，金属材料会随时间不断发生蠕变损伤，逐步出现明显的鼓胀与减薄，破裂而成事故。即使载荷恒定和应力低于屈服点也会发生蠕变失效，不同材料在高温下的蠕变行为有所

16、不同。l 材料高温下的蠕变损伤是晶界的弱化和在应力作用下的沿晶界的滑移，晶界上形成蠕变空洞。时间愈长空洞则愈多愈大，宏观上出现蠕变变形。l 当空洞连成片并扩展时即形成蠕变裂纹，最终发生蠕变断裂的事故。l 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。l 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)。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 24压力容器设计技术(全)一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (6) 腐蚀失效 这是与环境介质有关的失效形式。化工容器接触的腐蚀性介质十分复杂，腐蚀机理属于两大类：化学腐蚀与电化学腐蚀。区别在于形成腐蚀

17、化合物过程中是否在原子间有电荷的转移。就腐蚀失效的形态可分为如下几种典型情况： 全面腐蚀(亦称均匀腐蚀)；局部腐蚀；集中腐蚀(即点腐蚀)；晶间腐蚀；应力腐蚀；缝隙腐蚀；氢腐蚀；选择性腐蚀。 腐蚀发展到总体强度不足(由全面腐蚀、晶间腐蚀或氢腐蚀引起)或局部强度不足时，可认为已腐蚀失效。腐蚀发展轻者造成泄漏、局部塑性失稳或总体塑性失稳，严重时可导致爆破。由应力腐蚀形成宏观裂纹，扩展后也会导致泄漏或低应力脆断。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 25压力容器设计技术(全)一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (7) 失稳失效 容器在外压(包括真空)的压应力作用下丧失稳定性而发生的皱折变形称为

18、失稳失效。皱折可以是局部的也可以是总体的。高塔在过大的轴向压力(风载、地震载荷)作用下也会皱折而引起倒塌。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 26压力容器设计技术(全)一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (8) 泄漏失效 容器及管道可拆密封部位的密封系统中每一个零部件的失效都会引起泄漏失效。例如法兰的刚性不足导致法兰的过度变形而影响对垫片的压紧，紧固螺栓因设计不当或锈蚀而过度伸长也会导致泄漏，垫片的密封比压不足、垫片老化缺少反弹能力都会引起泄漏失效。系统中每一零部件均会导致泄漏失效，所以密封失效不是一个独立的失效模式，而是综合性的。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 27压力容器

19、设计技术(全)一、容器的失效模式 2容器的交互失效模式 (1) 腐蚀疲劳 在交变载荷和腐蚀介质交互作用下形成裂纹并扩展的交互失效。由于腐蚀介质的作用而引起抗疲劳性能的降低，在交变载荷作用下首先在表面有应力集中的地方发生疲劳损伤，在连续的腐蚀环境作用下发展为裂纹，最终发生泄漏或断裂。对应力腐蚀敏感与不敏感的材料都可能发生腐蚀疲劳，交变应力和腐蚀介质均加速了这一损伤过程的进程，使容器寿命大为降低。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 28压力容器设计技术(全)一、容器的失效模式 2容器的交互失效模式 (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

20、度膨胀以至形成裂纹直至破裂。蠕变导致过度变形，载荷的交变导致萌生疲劳裂纹和裂纹扩展。因蠕变和疲劳交互作用失效的容器既有明显宏观变形的特点又有疲劳断口光整的特点。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 29压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的应用 压力容器设计技术进展 30压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (1) 弹性失效设计准则 这是为防止容器总体部位发生屈服变形，将总体部位的最大设计应力限制在材料的屈服点以下，保证容器的总体部位始终处于弹性状态而不会发生弹性失

21、效。这是最传统的设计方法，也正是本书前面各章所介绍的方法，这仍然是现今容器设计首先应遵循的准则。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 31压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (2) 塑性失效设计准则 l容器某处(如厚壁筒的内壁)弹性失效后并不意味着容器失去承载能力。将容器总体部位进入整体屈服时的状态或局部区域沿整个壁厚进入全屈服状态称为塑性失效状态，l若材料符合理想塑性假设，载荷不需继续增加，变形会无限制发展下去，称此载荷为极限载荷。l将极限载荷作为设计依据加以限制，防止总体塑性变形，称极限设计。l“极限设计准则即塑性失效设计准则。用塑性力学方法求解结构的极限载荷是这种设计准则

22、的基础。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 Treaca屈服条件或Mises屈服条件32压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (3) 爆破失效设计准则 l非理想塑性材料在屈服后尚有增强的能力，对于容器(主要是厚壁的)在整体屈服后仍有继续增强的承载能力，直到容器达到爆破时的载荷才为最大载荷。l若以容器爆破作为失效状态，以爆破压力作为设计的依据并加以限制，以防止发生爆破，这就是容器的爆破失效设计准则。高压容器章所介绍的Faupel公式就是这一准则的体现。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 33压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (4) 弹塑性失效设计准则 l如果容器

23、的某一局部区域，一部分材料发生了屈服，而其他大部分区域仍为弹性状态，而弹性部分又能约束着塑性区的塑性流动变形，结构处于这种弹塑性状态可以认为并不一定意味着失效。l只有当容器某一局部弹塑性区域内的塑性区中的应力超过了由“安定性原理”确定的许用值时才认为结构丧失了“安定”而发生了弹塑性失效。l安定性原理作为弹塑性失效的设计准则，亦称为安定性准则。本章第二节将具体介绍这一准则。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 34压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (5) 疲劳失效设计准则 l为防止容器发生疲劳失效，将容器应力集中部位的最大交变应力的应力幅限制在由低周疲劳设计曲线确定的许用应力幅

24、之内时才能保证在规定的循环周次内不发生疲劳失效，这就是疲劳失效设计准则。这是20世纪60年代由美国发展起来的。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 35压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (6) 断裂失效设计准则 l实际难于避免裂纹，包括制造裂纹(焊接裂纹)和使用中产生或扩展的裂纹(疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹)，为防止缺陷导致低应力脆断，可按断裂力学限制缺陷的尺寸或对材料提出必须达到的韧性指标，这是防脆断设计。l防脆断设计并不意味着允许新制造的容器可以存在裂纹，而是对容器使用若干年后的一种安全性估计。l新制造的容器，设计时是假定容器内产生了可以检测到的裂纹，通过断裂力学方法对材料的

25、韧性(主要是指断裂韧性)提出必须保证达到的要求以使容器不会发生低应力脆断。l在役容器检测出裂纹，可用断裂力学评价是否安全，即压力容器的缺陷评定。这是基于断裂失效设计准则(或称防脆断失效设计准则)的方法。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 36压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (7) 蠕变失效设计准则 l将高温容器筒体的蠕变变形量(或按蠕变方程计算出的相应的应力)限制在某一允许的范围之内，便可保证高温容器在规定的使用期内不发生蠕变失效，这就是蠕变失效设计准则。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 (8) 失稳失效设计准则 l外压容器的失稳皱折需按照稳定性理论进行稳定性校核，

26、这就是失稳失效的设计准则。大型直立设备(如塔设备)在风载与地震载荷下的纵向稳定性校核也属此类。 37压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (9) 刚度失效设计准则 l通过对结构的变形分析，将结构中特定点的线位移及角位移限制在允许的范围内，即保证结构有足够的刚度。l例如大型板式塔内大直径塔盘很薄，就应限制塔盘板的挠度，不致使液层厚薄不一而引起穿过塔盘气体分布不均和降低板效率。l又如法兰设计时除应保证强度外还应采用刚度校核法以限制法兰的偏转变形 。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 38压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 (10) 泄漏失效设计准则 l法兰的密封设计及

27、转轴密封设计中合理的设计方法应限制介质的泄漏率不得超过允许的泄漏率。l由于介质的泄漏率与结构设计、密封材料的性能和紧固件所施加的载荷密切有关，非常复杂，所以泄漏失效设计准则很难建立。l大多数国家的设计规范中尚未采用。但欧盟承压设备规范中已在大量研究与试验的基础上建立了泄漏失效的设计准则与方法。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 39压力容器设计技术(全)二、化工容器的设计准则发展 l以上设计准则都是近代化工容器中已被采用的，除弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则和失稳失效设计准则在20世纪60年代以前就逐步成熟运用于容器的工程设计之外，弹塑性失效设计准则、疲劳失效设计准则、

28、断裂失效设计准则以及蠕变失效设计准则均是这个年代及以后逐步出现并成熟起来的，反映出设计理论的进展与突破。l腐蚀失效所对应的设计准则比较复杂，它所涉及的不是一个独立的准则。 l各种不同的腐蚀失效形态所对应的设计准则是多种多样的，有些还没有相应的设计准则。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 40压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的应用 压力容器设计技术进展 41压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (一)分析设计规范的出现和应用 l大型高参数及高强材料的容器如何设计

29、得更安全而又合理，一方面依靠详细的应力分析，另一方面更重要的是要正确估计各种应力对容器失效的不同影响。将不同类型的应力分别按不同的强度设计准则进行限制。lASME在1955年设立了“评述规范应力基准特别委员会”，对许用应力的基准进行研究，制订对不同类型的应力采用不同设计准则的规范。 l1965年形成了ASME规范的第卷第一版，在核电站的核容器设计中采用了以应力分析为基础的设计方法。l对容器的危险点进行详细的应力分析，根据原因和性质对应力进行分类，按各类应力对容器失效的危害性的差异采用不同的准则加以限制。即“以应力分析为基础的设计”，简称“分析设计”(Design by Analysis)。 第

30、一节 近代化工容器设计技术进展概述 42压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (一)分析设计规范的出现和应用 l1968年ASME规范第卷“压力容器”正式分为两册，第一册(ASME1)为传统的规则设计(Design by Rules)规范，l第二册(ASME2)即为“分析设计”规范 (Design by Analysis) 。l分析设计法是建立在更为科学的基础上的设计方法，更为合理可靠。 l英国从1976年开始在BS 5500规范中列入了压力容器分析设计的内容。l日本的JIS 8250规范(即“压力容器构造另一标准”)在1983年生效。1993年调整为JIS 8281即“压力容器的

31、应力分析和疲劳分析”。l中国的容器分析设计规范于1995年以行业标准的形式正式公布，称为“JB 4732钢制压力容器分析设计标准”。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 43压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (二)疲劳设计规范的制订 l在交变载荷作用下容器应力集中区域特别容易发生疲劳失效，压力容器的疲劳不同于一般疲劳问题，属于高应变(即在屈服点以上的)低周次的疲劳失效，亦称“低周疲劳”。l根据大量实验研究和理论分析建立了安全应力幅(Sa)与许用循环周次(N)的低周疲劳设计曲线，即SaN曲线。成了压力容器疲劳设计的基础。由于疲劳设计必须以应力分析和应力分类为基础，疲劳设计是压力容

32、器分析设计的重要组成部分。目前各主要工业国家都吸收ASME2的方法制订了疲劳设计规范。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 44压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (三)防脆断设计规范的建立 l低应力脆断是压力容器的主要失效形式之一，特别是由高强度材料制成的厚壁焊接容器中容易发生。在断裂力学取得重要成就的基础上，引入容器设计中构成了“防脆断设计”这一内容。l美国于1971年在ASME第卷的附录G中列入了核容器设计时应考虑的防止因裂纹性缺陷导致压力容器发生低应力脆断的“防脆断设计”内容。在lASME规范第卷附录A中引入了核容器在役检验时如何用断裂力学方法对裂纹缺陷进行安全评定的内容

33、。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 45压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (四)高温容器蠕变设计的发展 l高温容器常规的设计方法仅体现在许用应力按高温蠕变强度或持久强度选取，不足以体现高温容器的寿命设计问题。l高温蠕变失效问题的深入研究，将高温下蠕变的变形速率及变形量作为高温容器寿命设计的主要内容，形成了近代高温容器设计的新准则。l由于高温问题的复杂性，这一设计方法目前尚未进入规范。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 46压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五)欧盟EN13445标准的问世 l美国ASME锅炉压力容器规范在世界各国产生了近一个世纪的重大影

34、响。l欧洲标准化组织(CEN)制订的EN 13445非直接火压力容器标准已于2002年问世，涵盖了0.05MPa以上压力容器的常规设计方法、应力分类法、分析设计法与疲劳设计法，而且提出了许多设计的新概念及新设计方法。l针对防止密封失效所提出的限定各种泄漏率的密封设计方法是非常有特色的。以致在世界压力容器技术标准方面形成了美国ASME和欧盟13445两大体系的新格局。这些都非常值得重视和深入研究。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 47压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五)欧盟EN13445标准的问世 lEN13445适用于设计压力大于0.5巴，材料为铁素体或奥氏体钢的非直

35、接接触火焰压力容器，设计温度低于钢材蠕变控制许用应力的相应温度。该标准不适用于以下承压设备：移动式压力容器；失效后导致辐射影响的核设施上的压力容器；能产生110以上过热水蒸气的压力容器；采用铆接结构的压力容器；灰口铸铁和其他EN13445-2和EN13445-6中没有包括的材料制造的压力容器；多层容器和经自增强处理（包括内表面挤压处理）的容器；长输管道和工业管道。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 48压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： l (1) EN13445-1 总则，介绍标准应用的主要基本原理，并提出适用于

36、标准的一些定义、物理量、符号以及单位。在这一部分中还要求制造厂商编制完备的设计说明书和相关技术文件。 l (2) EN13445-2 材料，详细说明了标准支持的用于非直接接触火焰压力容器的金属材料种类以及材料的选择、审查、检测和标志。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 49压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： l (3) EN13445-3 设计，提供了内、外压容器和承压元件的设计原理与计算方法。主要包括各种形状的壳体、矩形截面容器、换热器管板以及开孔补强等的设计方法。同时也给出受局部载荷或非压力载荷作用下容器各个部件

37、的设计方法。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 50压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： l (4) EN13445-4 制造，详细说明了各个部件制造过程中的要求，即材料的制造和分包，加工过程中监测、加工公差、焊接要求、成形加工要求、产品试验、热处理、修理和最后完成的工序等。这一部分的要求不适用采用分析设计直接法的压力容器。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 51压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： l(5) EN13445-5 检测与试验，按

38、照该标准对压力容器的要求，介绍了各种检测和试验程序，其中包括对设计资料和技术文件的审查。无损检测是这一部分的主要内容，包括检测文件、材料跟踪报告、焊缝两侧的修整以及焊缝检测程序等。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 52压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： l (6) EN13445-6 球墨铸铁材料压力容器及部件的设计、制造要求，指出了球墨铸铁压力容器的设计与检测方法的特殊要求，如最大许用压力、壁厚和无损检测、外观检测等都需要有其专门的规定。l (7) EN13445-7 标准使用指南，按照该指南的方法，使EN134

39、45的评估模式、危险性指标和容器分类都符合PED的安全性要求。 (Pressure Equipment Directive 97/23/EC, PED) 承压设备法令 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 53压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： l EN13445的诞生使世界上有了一套全新的压力容器标准，它的本意是为了具体体现欧盟承压设备法令对于压力容器的基本安全要求，破除欧盟各成员国因压力容器标准的不同而形成的贸易壁垒，促进压力容器设备在欧盟范围内的自由贸易及安全运行，同时避免不必要的重复认证和检验而造成的浪费。第一

40、节 近代化工容器设计技术进展概述 54压力容器设计技术(全)三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： l 它的许多创新成果对于我国压力容器技术发展和标准制定都有重要的参考价值，比如它在分析设计方面的直接法、在开孔补强方面的压力面积法、在疲劳设计方面的简单疲劳寿命评定法及正在完善中的高温 (蠕变)设计、试验设计方法等等，都是值得我们借鉴的，它的疲劳设计也在进一步的发展中。 。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 55压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、容器设计规范的主要进展

41、 四、近代设计方法的应用 压力容器设计技术进展 56压力容器设计技术(全)四、近代设计方法的应用 (一)数值分析法 l现代压力容器的分析设计、疲劳设计等，涉及到对容器特殊部位的详细应力分析，大部分情况将必须依靠数值计算方法借助电子计算机来完成。l常用的数值计算方法是有限元素法。将连续的结构体离散为有限个单元，单元间靠节点相连，有限数量的单元组合体来代替原有的连续体。建立外载荷作用下的方程，这是个大型联立方程组，由计算机完成计算。l可用来解决杆系、板、壳、轴对称与非轴对称结构的节点位移、应变与应力的计算。有限元法可求解静态应力、热应力以及稳定问题和振动问题。可求解弹性、弹塑性、蠕变和大挠度问题，

42、还可求解结构发生塑性失效的极限载荷。国际上有许多著名的结构分析的有限元程序，如ANSYS等。涉及结构型性大变形等非线性问题时，用ABAQUSStandard更显优越。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 57压力容器设计技术(全)四、近代设计方法的应用 (二)计算机辅助设计 l将容器设计的标准计算方法编制成计算机程序代替人工设计并用计算机完成绘图，这就是现代的计算机辅助设计(CAD)。l现将容器计算规范的全部内容编制成一个大型程序，便成为可包罗容器设计计算全部内容的“软件包”。设计时只需输入必要的信息和指令，可自动调用软件包中的任意一章或数章，由计算机完成全部计算，计算结果可全部打印出来。还可

43、由计算机完成绘图工作，大大提高设计工作的效率。l用计算机代替人工绘图是采用编制好的化工容器及化工设备绘图软件，根据设计人员的指令进行总图与零部件图的绘制。中国已具有这方面的较为成熟的商品软件，许多专业设计院所已正式采用 。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 58压力容器设计技术(全)四、近代设计方法的应用 (三)优化设计与专家系统 l压力容器的优化设计就是有综合决策功能的设计。三方面的参数需处理：l结构的独立设计参数，如材料性能、设备尺寸、设计压力与温度等；l结构状态参数(中间变量)，如应力、形变、压力降等，需经计算分析后获得；l结构性能参数，如成本、利润、重量、容积、效率、功率或精度等，这

44、些是设计追求优化的目标，因而称为目标函数。l优化设计是通过优化方法反复迭代演算，得到符合优化目标的明确的最优结果。优化设计必须依靠计算机进行，核心问题是选择适当的优化方法。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 59压力容器设计技术(全)四、近代设计方法的应用 (三)优化设计与专家系统 l压力容器领域中的许多问题需要由拥有这一领域知识、熟知其规律和方法的专家才能解决。l如果建立一计算机软件系统，使其拥有像人类专家一样的分析、推理、学习、综合判断与决策的能力，可以得到和专家相同的结论，起到专家的作用，这就是人工智能技术中的专家系统。l一般软件只是用计算机直接搜索现存的答案，而专家系统中贮存的是进

45、行逻辑推理的能力、必要的知识库和数据库，容器专家系统可在设计决策、运行管理、故障分析等方面发挥特殊作用。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 60压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述第二节 化工容器的应力分析设计 压力容器设计技术进展 61压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计方法概述 二、容器的应力分类 三、分析设计法对各类应力强度的限制 四、应力分析设计的程序及应用 压力容器设计技术进展 62压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 l以上各章所述的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

46、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。l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。第二节 化工容器的应力分析设计 63压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 l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。l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

47、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。l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。l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。第二节 化工容器的应力分析设计 64压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (1) 由压力载荷引起的应力由压力载荷引起的应力l由内外介质均布压力载荷在回转壳体中产生的应力。可依靠外载荷与内力的平衡关系求解。在薄壁壳体中这种应力即为沿壁厚均匀分布的薄膜应力，并在容器的总

48、体范围内存在。第二节 化工容器的应力分析设计 l厚壁容器中的应力是沿壁厚呈非线性分布状态，可以分解为均布分量和非均布分量。 65压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (2) 由机械载荷引起的应力由机械载荷引起的应力l压力以外的其他机械载荷(如重力、支座反力、管道的推力)产生的应力。l这种应力虽求解复杂，但也是符合外载荷与内力平衡关系的。l这类载荷引起的应力往往仅存在于容器的局部，亦可称为局部应力。l风载与地震载荷也是压力载荷以外的其他机械载荷，也满足载荷与内力的平衡关系，但作用范围不是局部的，而且与时间有关，作为静载荷处理时遍及容器整体，是非均布非轴对称的载荷。 第

49、二节 化工容器的应力分析设计 66压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (3) 由不连续效应引起的不连续应力由不连续效应引起的不连续应力以下三种情况均会产生不连续应力： l几何不连续(如曲率半径有突变)； l载荷不连续； l材质不连续。 l例如夹套反应釜的内筒在与夹套相焊接的地方就同时存在几何不连续与载荷不连续(实际上还有轴向温度的不连续)。l结构不连续应力不是由压力载荷直接引起的，而是由结构的变形协调引起的，在壳体上的分布范围较大，可称为总体不连续应力。其沿壁厚的分布有的是线性分布有的也呈均布的。 第二节 化工容器的应力分析设计 67压力容器设计技术(全)一、分析

50、设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (4) 由温差产生的热应力由温差产生的热应力： l壳壁温度沿经向(轴向)或径向(厚度方向)存在温差，便引起热膨胀差，通过变形的约束与协调便产生应力，这就是温差应力或称热应力。l引起热应力的“载荷”是温差，温差表明该类载荷的强弱，故称为热载荷，以区别于机械载荷。l热应力在壳体上的分布取决于温差在壳体上的作用范围，有的属于总体范围，有的是局部范围。温差应力沿壁厚方向的分布可能是线性的或非线性的，有些则可能是均布的。 第二节 化工容器的应力分析设计 68压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (5) 由应力集中引起的集中应力由应力集中引起

51、的集中应力： l容器上的开孔边缘、接管根部、小圆角过渡处因应力集中而形成的集中应力，其峰值可能比基本应力高出数倍。数值虽大，但分布范围很小。l应力集中问题的求解一般不涉及壳体中性面的总体不连续问题，主要是局部结构不连续问题，并依靠弹性力学方法求解。l实际很难求得理论的弹性解，常用实验方法测定或采用数值解求得。 第二节 化工容器的应力分析设计 69压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (1) 薄膜应力薄膜应力(Membrane stress) ：是沿截面厚度均匀分布的应力成分，其等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。 (2) 弯曲应力弯曲应力(Bending st

52、ress) ：是法向应力沿截面厚度上的变化分量。沿厚度的变化可以是线性的，也可以不是线性的。最大值发生在容器的表面处，设计时取最大值。分析设计的弯曲应力是指线性的。(3) 法向应力法向应力(Normal stress) ：垂直于所考虑截面的应力分量，也称正应力。通常法向应力沿部件厚度的分布是不均匀的，可将法向应力视为由两种成分组成，一是均匀分布的成分，该截面厚度应力的平均值(即为薄膜应力)；另一是沿截面厚度各点而变化的成分，可能是线性的，也可能是非线性的。 第二节 化工容器的应力分析设计 70压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (4) 切应力切应力(She

53、ar stress) ：是与所考虑截面相切的应力成分 。 (5) 应力强度应力强度(Stress intensity) ：某处的应力若系三向或二向应力时，其组合应力基于第三强度理论的当量强度。规定为给定点处最大剪应力的两倍，即给定点处最大主应力与最小主应力的代数值(拉应力为正值，压应力为负值)之差。(6) 总体结构不连续总体结构不连续(Gross structural discontinuity ) ：指几何形状或材料不连续，使结构在较大范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布与变形产生显著影响。总体结构不连续的实例如：封头、法兰、接管、支座等与壳体的连接处，不等直径或不等壁厚、或弹性模

54、量不等的壳体的连接处。 第二节 化工容器的应力分析设计 71压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (7) 局部结构不连续局部结构不连续(Local structural discontinuity ) ：指几何形状和材料的不连续，仅使结构在很小范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布和变形无显著影响。例如小的过渡圆角处，壳体与小附件连接处，以及未全熔透的焊缝处。 第二节 化工容器的应力分析设计 72压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (三) 各种应力对容器失效的影响 第二节 化工容器的应力分析设计 爆破总发生在远离封头的圆筒体中部，从中央向两头撕

55、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。 73压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (三) 各种应力对容器失效的影响 第二节 化工容器的应力分析设计 l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。l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。l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。l总体热应力也会造成容器的弹塑性失效。l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

56、然可以造成弹塑性失效，但只涉及范围极小的局部，不会造成容器过度变形。l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。 74压力容器设计技术(全)一、分析设计法概述 (四) 以应力分析为基础的设计方法 第二节 化工容器的应力分析设计 l应力分析设计的指导思想应力分析设计的指导思想容器上存在不同载荷及不同的应力，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。l分析设计法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

57、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。 75压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计方法概述 二、容器的应力分类 三、分析设计法对各类应力强度的限制 四、应力分析设计的程序及应用 压力容器设计技术进展 76压力容器设计技术(全)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： 第二节 化工容器的应力分析设计 l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；l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；l对失效的影响，即是否会

58、造成结构过度的变形，及是否导致疲劳、韧性失效。 l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。77压力容器设计技术(全)二、容器的应力分类 (一) 一次应力P(Primary stress) 第二节 化工容器的应力分析设计 l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。l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。l这就是一次应力的“非自限性”特征。 78压力容器设计技术(全)二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Pri

59、mary stress)一次应力还可以再分为如下三种： 第二节 化工容器的应力分析设计 l一次总体薄膜应力Pm(General primary membrane stress) p这是指在容器总体范围内存在的一次薄膜应力，在达到极限状态的塑性流动过程中不会发生重新分布。沿壁厚(截面)均匀分布的法向应力即指薄膜应力，或者指沿壁厚截面法向应力的平均值。p一次总体薄膜应力的实例有：圆筒形壳体及任何回转壳体的封头在远离结构不连续部位的由压力引起的薄膜应力、厚壁圆筒由内压产生的轴向应力以及周向应力沿壁厚的平均值。 79压力容器设计技术(全)二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary str

60、ess)一次应力还可以再分为如下三种： 第二节 化工容器的应力分析设计 l一次弯曲应力Pm(Primary bending stress) p由内压或其他机械载荷作用产生的沿壁厚成线性分布的法向应力。如：平板封头远离结构不连续区的中央部位在压力作用下产生的弯曲应力。p一次弯曲应力与一次总体薄膜应力的不同之处在于沿壁厚的分布是线性的而不是均布的。p对受弯的板，当两个表面的应力达到屈服强度时，内部材料仍处于弹性状态，可以继续承载，此时应力沿壁厚的分布将重新调整。因此这种应力不像总体薄膜应力那样容易使壳体失效，允许有较高的许用应力。对一次弯曲应力可以用极限分析方法作强度校核。 80压力容器设计技术(

61、全)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： 第二节 化工容器的应力分析设计 l一次局部薄膜应力PL (General local membrane stress) p这是指由内压或其他机械载荷在结构不连续区产生的薄膜应力(一次的)和结构不连续效应产生的薄膜应力(二次的)的统称，从保守考虑将此种应力划为一次局部薄膜应力。p例如圆筒中由压力产生的薄膜应力在远离不连续区的地方称一次总体薄膜应力(Pm)，而在不连续区则称为一次局部薄膜应力(PL)。p由总体不连续效应在壳体的边缘区域产生的周向薄膜应力，虽然具有二次应力的性质，但从方便和稳妥

62、考虑仍保守地视为一次性质应力。p永久性支座或接管给予壳体的局部力与力矩而产生的薄膜应力也是一次局部薄膜应力。 81压力容器设计技术(全)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： 第二节 化工容器的应力分析设计 l一次局部薄膜应力PL (General local membrane stress) p“局部”与“总体”是按经线方向的作用区域来划分的，如果应力强度超过1.1的区域沿经线方向的延伸距离小于1.0Rt，或者两个超过1.1的一次局部薄膜应力区在经线方向的距离不小于2.5Rt，都可以认为是局部的，否则划为总体的。此处R为壳体的第

63、二曲率半径，t为壁厚；若为两个相邻壳体，则R0.5(R1+R2)，t0.5(t1+t2)。p当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布。若不加限制，则当载荷从结构的某一部分(高应力区)传递到另一部分(低应力区)时，会引起过度的塑性变形而失效。 82压力容器设计技术(全)二、容器的应力分类 (二) 二次应力Q (Secondary stress)第二节 化工容器的应力分析设计 l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。l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

64、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。 83压力容器设计技术(全)二、容器的应力分类 (二) 二次应力Q (Secondary stress)第二节 化工容器的应力分析设计 l二次应力的例子有：p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；p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

65、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。 84压力容器设计技术(全)二、容器的应力分类 (三) 峰值应力F (Peak stress)第二节 化工容器的应力分析设计 l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。l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。l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

66、二次应力之上的峰值应力。l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) 85压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 二、容器的应力分类 JB 473286压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 二、容器的应力分类 87压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 二、容器的应力分类 l(1) 部位A 属远离结构不连续的区域，受内压及径向温差载荷。由内压产生的应力分两种情况：当筒体尚属薄壁容器时其应力为一次总体薄膜应力(Pm)；当属厚壁容器时，内外壁应力的平均值为一次总体薄膜应力(Pm)，而沿壁厚的应力梯度划为二次应力(Q)。88压

67、力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 二、容器的应力分类 l(1) 部位A p由径向温差引起的温差应力沿壁厚呈非线性分布，近壁面(例如内壁)温差应力的梯度很大，局部区域虽有应力陡增但不会引起壳体发生显著变形。p将非线性分布的温差应力作等效的线性化处理，即按对Or线净弯矩等效的原则作处理可得到等效的线性分布的温差应力，分类为二次应力Q。线性与非线性间的差值分类为峰值应力F，图中标出的F就是这种应力。 89压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 二、容器的应力分类 l(2) 部位B 包括Bl、B2及B3等3个几何不连续部位 。p均存在由内压产生的应力，但因处于不连续区，

68、该应力沿壁厚的平均值应划为一次局部薄膜应力(PL)，p应力沿壁厚的梯度为二次应力(Q)。p由总体不连续效应产生的弯曲应力也为二次应力(Q)，而不连续效应的周向薄膜应力应偏保守地划为一次局部薄膜应力(PL) 。p另外由径向温差产生的温差应力已如部位A所述，作线性化处理后分为二次应力和峰值应力(Q+F)。因此Bl、B2和B3各部位的应力分类为(PL+Q+F)。 90压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 二、容器的应力分类 l(3) 部位Cp内压在球壳与接管中产生的应力(PL+Q)；p球壳与接管总体不连续效应产生的应力(PL+Q)；p径向温差产生的温差应力(Q+F)；p因小圆角(局部

69、不连续)应力集中产生的峰值应力(F)。p总计应为(PL+Q十F)。p由于部位C未涉及管端的外加弯矩，管子横截面中的一次弯曲应力Pb便不存在。p又由于部位C为拐角处，内压引起的薄膜应力不应划分总体薄膜应力Pm，应分类为一次局部薄膜应力PL。 91压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计方法概述 二、容器的应力分类 三、分析设计法对各类应力强度的限制 四、应力分析设计的程序及应用 压力容器设计技术进展 92压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (一)应力强度及基本许用应力强度 1应力强度SSm基本许用应力强度93压力容器

70、设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (一)应力强度及基本许用应力强度 2基本许用应力强度Sm 94压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (一)应力强度及基本许用应力强度 3应力强度的限制条件 95压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (一)应力强度及基本许用应力强度 3应力强度的限制条件 Sa应力强度幅值96压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (二) 极限载荷设计准则 1纯弯曲的矩形截面梁 9

71、7压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (二) 极限载荷设计准则 1纯弯曲的矩形截面梁 98压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (二) 极限载荷设计准则 2拉弯组合的矩形截面梁 99压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (二) 极限载荷设计准则 2拉弯组合的矩形截面梁 100压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (三) 安定性准则 l含二次应力(Q)的组合应力强度若仍采用由极限载荷准则导

72、出的1.5Sm来限制则显得很保守。这是由于二次应力具有自限性，l只要首先满足对一次应力强度的限制条件(PmSm及PL+Pb1.5Sm)，则二次应力的高低对结构承载能力并无很显著的影响。l在初始几次加载卸载循环中产生少量塑性变形，在以后的加载卸载循环中即可呈现弹性行为，即结构呈安定状态。l但若载荷过大，在多次循环加载时可能导致结构失去安定。丧失安定后的结构并不立即破坏，而是在反复加载卸载中引起塑性交变变形，材料遭致塑性损伤而引起塑性疲劳。l此时结构在循环应力作用下会产生逐次递增的非弹性变形，称为“棘轮现象”(Ratcheting)。 101压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三

73、、分析设计法对各类应力强度的限制 (三) 安定性准则 l“安定性”(Shakedown)的含义是，结构在初始阶段少数几个载荷循环中产生一定的塑性变形外，继续施加循环载荷作用不再发生新的塑性变形，即不会发生塑性疲劳，此时结构处于安定状态。 l(1) y 12 y 塑性区内的虚拟弹性应力超过两倍屈服强度值后，卸载时从B点沿BC线下降，由于约束而产生反向压缩屈服而达到D点。于是第二次加载卸载循环则沿DEBCD回线变化。如此多次循环则反复出现拉伸屈服和压缩屈服，则可能引起塑性疲劳，结构便处于不安定状态。 103压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (

74、三) 安定性准则 l(3) 1=2 y 这是安定与不安定的界限。第一次加载卸载的应力应变回线为OABC，这是不出现反向屈服的最大回线，以后的加载卸载的应力应变循环均沿一条最长的BC线变化，不再出现新的塑性变形，表现出最大的弹性行为，即达到安定状态。与此对应的虚拟应力 1正好为2 y，因此 12 y 即为出现安定的条件。 104压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 三、分析设计法对各类应力强度的限制 (三) 安定性准则 105压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计方法概述 二、容器的应力分类 三、分析设计法对各类应力强度的限制 四、应力分析设计的程序及

75、应用 压力容器设计技术进展 106压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 四、应力分析设计的程序及应用 (一)应力分析的一般程序 l(1) 结构分析结构分析 详细考虑压力容器结构中有哪些部位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。l(2) 应力分析应力分析 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

76、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。 107压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 四、应力分析设计的程序及应用 (一)应力分析的一般程序 l(3) 应力分类应力分类 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。

77、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。l(4) 计算计算应力强度应力强度 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。 108压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 四、应力分析设计的程序及应用 (一)应力分析的一般程序 l(5) 应力强度校核应力强度校核 进行各个单项及组合应力强度S的校核，p Pm的应力强度SIKSm，p PL的SII1.5KSm，p PL+Pb的SIII1.5KSm。p PL+Pb+Q的S3Sm，p PL+Pb+

78、Q+F的SVSa。p 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。109压力容器设计技术(全)第二节 化工容器的应力分析设计 四、应力分析设计的程序及应用 (二)应力强度的校核程序及限制值110压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第二节 化工容器的应力分析设计第三节 容器的疲劳设计第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定 压力容器设计技术进

79、展 111压力容器设计技术(全) 压力容器设计技术进展 第三节 容器的疲劳设计 一、容器的低循环疲劳破坏 二、低循环设计疲劳曲线的确定方法 三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正 四、容器疲劳设计中的应力分析 五、疲劳强度减弱系数 六、变幅载荷与疲劳积累损伤 七、对疲劳设计有关规则的说明112压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计 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

80、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。 113压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计 本节主要讨论：l容器低循环疲劳破坏的规律；l容器疲劳设计的依据低周疲劳曲线及影响寿命的因素；l容器疲劳设计方法。 114压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计一、容器的低循环疲劳破坏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。

81、局部塑性区内的高应变，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。 115压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计一、容器的低循环疲劳破坏交变应力的特征参量有：l 最大应力值： l 最小应力值： l 平均应力值： l 交变应力幅： 116压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计一、容器的低循环疲劳破坏(一)高循环疲劳曲线 采用标准圆截面光滑试样作疲劳试验，当交变应力max低于屈服强度y时，对称循环(mo)试验可得到一系列不同a-Nf(破坏循环数)数据，可绘出a-Nf曲线，即一般的高

82、循环疲劳曲线。 当应力幅a低到一定数值时曲线趋向于一水平线，表示该应力幅下经无限次循环(107次以上)不会发生疲劳破坏。将此渐近值称为材料的疲劳持久极限-1材料经无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。s-1值一般为材料抗拉强度b的一半左右。一般回转机械或往复机械将最大的应力幅值a限制在-1以内则可获得近于无限寿命，这类机械的疲劳问题称为高循环疲劳问题(或称高周疲劳)。 117压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计一、容器的低循环疲劳破坏(二)低循环疲劳曲线 低循环破坏时的应力值一般大于材料屈服强度，实验证明，只有采用应变值作为疲劳试验的控制变量代替高循环疲劳试验中的应力变量，才能得到有规

83、律的结果。用光滑的圆棒试样模拟局部高应变区的应变作应变控制的低周疲劳试验，为在整理数据时与高循环疲劳曲线相一致，仍可将总应变范围et按弹性规律换算成“虚拟应力幅”a，即 对奥氏体不锈钢的低周疲劳试验曲线如图。试验是在平均应力m0的情况下得到的。其他材料的试验曲线均相似，反映了疲劳寿命随虚拟应力幅增加而降低。 118压力容器设计技术(全) 压力容器设计技术进展 第三节 容器的疲劳设计 一、容器的低循环疲劳破坏 二、低循环设计疲劳曲线的确定方法 三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正 四、容器疲劳设计中的应力分析 五、疲劳强度减弱系数 六、变幅载荷与疲劳积累损伤 七、对疲劳设计有关规则的说明119压力

84、容器设计技术(全) 将图中的低循环疲劳试验曲线给以适当的安全系数便可得到低循环疲劳设计曲线。按ASME2的方法将应力幅a改为应力强度幅值Sa，若对应力幅取安全系数2，对寿命取安全系数为20，由各点的最小值连线所构成的曲线即为设计低循环疲劳曲线，亦称Sa-Nf曲线。当已知应力幅(包括一次加二次加峰值应力)时由曲线可求出安全寿命，或已知所需寿命便可求出安全的应力幅。设计曲线形状如图所示。第三节 容器的疲劳设计二、低循环设计疲劳曲线的确定方法 由于疲劳试验数据分散，寿命安全系数一般都取得较大(1520)。 (一)试验法的设计疲劳曲线 120压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计二、低循环设计疲

85、劳曲线的确定方法 (二)用计算法获得疲劳设计曲线 疲劳试验费时耗资，也可设法用计算法推导出近似的估算方程。 在应变控制的低循环疲劳试验中，Coffin对许多材料总结出塑性应变量ep和疲劳寿命Nf有如下经验关系： 常数c一般为材料拉伸试验中断裂时的真应变之半，即 利用塑性变形时体积不变的规律可以推出ef与断裂时的断面收缩率的关系为： 疲劳试验中的总应变et应为塑性应变ep与弹性应变ee之和，即 当有塑性应变时应力可用虚拟应力表示，即 。此时虚拟应力幅(或虚拟应力强度的幅值为：121压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计 (二)用计算法获得疲劳设计曲线 从上式可推断，当Nf时，Sae，即只有

86、当应力幅很低时才会有无穷寿命，成为高循环疲劳问题，此时Sa-1(持久限)。于是上式改为：二、低循环设计疲劳曲线的确定方法对应于弹性应变的交变应力幅 按此方程所绘制的Sa-Nf曲线即为低循环疲劳的计算曲线，与试验曲线很接近。一般情况下疲劳设计曲线仍由试验曲线得到。122压力容器设计技术(全) 压力容器设计技术进展 第三节 容器的疲劳设计 一、容器的低循环疲劳破坏 二、低循环设计疲劳曲线的确定方法 三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正 四、容器疲劳设计中的应力分析 五、疲劳强度减弱系数 六、变幅载荷与疲劳积累损伤 七、对疲劳设计有关规则的说明123压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计 疲劳试

87、验曲线或计算曲线均是以平均应力为零的对称循环得到的。实际容器应力集中区的应力应变变化不可能对称，若平均应力为正值，采用以m0为依据的设计曲线来估算容器的低循环疲劳寿命将不安全，那时实际寿命将下降。需研究在考虑平均应力影响，如何对SaNf设计曲线作修正。 三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正124压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计 当最大应力max=a+m大于或小于屈服强度时平均应力是否发生自行调整，可分下述三种情况分析。分析中当最大应力超过屈服强度时采用“虚拟应力”来阐述。 三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(一) 平均应力的调整过程 l(1) a+my 此时不论平均应力多大，只要符合

88、最大值低于y，应力循环中各种参量，包括m、a等不发生任何变化，此时m越大，寿命越低。 125压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(一) 平均应力的调整过程 l(2) a+m2y 此时经几次初始循环后应力应变仍不能呈线性响应状态，每次循环中均不断发生拉伸与压缩屈服。各种参量的变化如下： 这说明2y 时，平均应力自行调整为零，即可不计平均应力的影响了。127压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(一) 平均应力的调整过程 综上所述，相对于R-1的对称循环来说，平均应力的调整变化及对疲劳寿命的影响为： l(1) 当a+

89、my 时，平均应力不发生变化，此时随着平均应力的增加，疲劳寿命将下降。 l(2) 当ya+m 2y时，(实际上ay)，平均应力调整后下降为mya，而且随着a增加，越接近y。平均应力就越小，即平均应力对疲劳寿命的影响越趋减少。 l(3) a+m2y时，平均应力调整到m=0，平均应力对疲劳寿命的影响就不复存在。因此平均应力的影响应重点研究第、第种情况。 128压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(二) 平均应力影响的修正方法 l上述第、第两种情况平均应力均会对疲劳寿命发生影响，如果仍用平均应力为零的Sa-Nf曲线来作工程设计和确定寿命，就应当将交变应力幅加

90、大到某一程度，把平均应力不等于零的交变应力折算到相当于平均应力为零的一个当量交变应力eq。l折算的原则是使疲劳寿命相同。Langer l962年提出的修正的Goodman直线方法是现今疲劳设计规范所采用的方法。 129压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(二) 平均应力影响的修正方法 l下图是等寿命线图，以交变应力幅a为纵坐标，以平均应力m为横坐标，在图中作ED及AB两条线。 lED线右端是材料的抗拉强度b，左端为平均应力为0的材料持久强度-l。ED线表示随平均应力增加而疲劳持久强度下降的近似关系，即高循环下的Goodman线。 AB线上(即m+a=s

91、y)，故AB线是可保持不屈服的上限线。 lAB线的两端均为y值。当交变应力的两个分量之和m+a等于屈服强度时就位于130压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(二) 平均应力影响的修正方法 l在ED线以下可以不发生疲劳破坏，在AB线以下可以不屈服。现讨论用该图求解平均应力不为零时当量交变应力eq的方法。 l(1) a+my 时，在AB线以下的任一点均符合此情况。如C点的平均应力为mc，应力幅为ac，由于mc+acy，平均应力不会自行调整。按Langer提出的方法，mc不等于零时将交变循环应力幅ac，放大到平均应力幅为零的当量应力幅eq(即OF)就可获得相

92、当的疲劳寿命。由此按几何相似关系： 131压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(二) 平均应力影响的修正方法 这种情况针对高循环疲劳，即应力水平在材料的屈服强度以下。 l(2) ym+a 2y，在AB线以上。图上点G(mG,aG)，平均应力调整为m , G点调整到G点。myaG=m， gB=Gg=aG，所以Og=y-aG=m。连接DG并延长至F， 得eq。按几何相似关系得： 见上页图132压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(二) 平均应力影响的修正方法 l(2)同样，若需修正的点落在AB线及ED线之外，也可用

93、上式修正。例如点H，只要它的（m+a)2y，实际平均应力也而会自动调整到AB线上的H点，连接DH，延长到与a轴相交，也可求出当量的交变应力幅。 l(3) m+a2y，实际平均应力将自动调整为零，不再需要修正。133压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(三) 低循环疲劳设计曲线的修正l利用低循环疲劳设计曲线估算安全寿命并作平均应力修正时，对应于每一个应力幅Sa可能有无数个平均应力m，若对每一m，分别修正非常麻烦。l如果可以找到无论a多大，只有一个对寿命有最大影响的平均应力，则按此平均应力来修正，工程上将既方便又安全。 134压力容器设计技术(全)第三节

94、容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(三) 低循环疲劳设计曲线的修正l对疲劳寿命有最大影响的平均应力：以GG线为例，在GG线及其延长线上有任意个交变应力状态(a，m)，处于G点左侧时，不论平均应力多大，总不会引起屈服，最大的平均应力必然是AB线上G点的横坐标；l在G点右侧时，总会在初始的几次循环后自动地调整而移至AB线上的G点。 GG延长线以外的其他应力循环时也是如此。lAB线上代表着对疲劳寿命有最大影响的平均应力。所以，对低循环疲劳设计曲线的修正方法如下。 135压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(三) 低循环疲劳设计曲线的修正l图中A

95、B线代表对疲劳的最大影响线。若在m0的纵轴上有一点C，在R一1的Sa-Nf设计曲线上有一对应的寿命Nfc。lCD代表不同平均应力下有等同寿命的线(即Goodman线)。与AB的交点E，在CE上所有的交变应力状态中以E点的平均应力mE最大，E点的应力幅aeq最小。l可以推断在有平均应力时，与C点有相同疲劳寿命的交变应力幅(可为虚拟的)不可能再低于E点的应力幅aeq。136压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(三) 低循环疲劳设计曲线的修正l因此在R一1的Sa-Nf曲线上考虑平均应力最大影响应这样修正：对某一个寿命下，其应力幅均应降为由AB线决定的最低应力

96、幅eq。由OCD可知： 137压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(三) 低循环疲劳设计曲线的修正l由此，对称循环的Sa-Nf设计曲线上，对每一寿命下的许用应力幅均应按上式从ac降为eq。此式只对Say适用，当Say时，亦即2Sa2y时平均应力会自行调整而降低为零，便不存在平均应力修正的问题，即R一1的Sa-Nf曲线上Say的纵坐标经逐点修正后的SaNf曲线如下图所示。 由试验曲线的修正线所决定的疲劳设计曲线使用时是方便而又偏安全的。 138压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(四)压力容器的设计疲劳曲线 13

97、9压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正(四)压力容器的设计疲劳曲线 lASME的设计疲劳曲线是用精加工的母材的光滑试样(无应力集中的)得到的，而压力容器为焊接件，焊接接头处易出现疲劳损伤以致失效。l焊接区的各种缺陷往往是疲劳失效源，它不像光滑试样那样需要很长的萌生疲劳裂纹阶段，其疲劳寿命无疑要短于光滑试样的。l英国BS 5500不采用光滑的母材试样而是采用四周磨去因施焊加强部分的焊接接头试样，这样更符合压力容器实际。l而设计疲劳曲线的应力幅安全系数取2.2，寿命安全系数取15。l但BS 5500没有按钢材的强度级别提供不同的设计曲线。与ASME的曲线相

98、比，BS 5500的曲线略低，它反映了容器焊接缺陷的影响。 140压力容器设计技术(全) 压力容器设计技术进展 第三节 容器的疲劳设计 一、容器的低循环疲劳破坏 二、低循环设计疲劳曲线的确定方法 三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正 四、容器疲劳设计中的应力分析 五、疲劳强度减弱系数 六、变幅载荷与疲劳积累损伤 七、对疲劳设计有关规则的说明141压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析l容器应力集中部位(如接管根部)是影响疲劳寿命的关键部位，因而是作疲劳寿命分析的重点部位。适当地估算这些指定点的包括峰值应力(F)在内的应力以确定循环应力幅则是疲劳设计的重要内容。l

99、应力集中点的应力分析除少数情况可采用理论的解析法之外一般有以下几种方法: 142压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析l这是疲劳设计中对复杂结构进行应力分析的最常用的方法，可以得出比较符合实际和较为可靠的应力分析结果。l计算的可靠程度首先取决于对载荷的正确分析，包括确定外载的形式、量级、作用区域和波动范围。l将操作条件下的载荷谱(即载荷随时间的变化曲线)作为基本依据，此外还应包括压力、温度、外载荷的载荷谱。l其次是所拟定的结构力学模型的合理程度，即根据结构的几何参数、载荷类型与分析部位来建立合理的简化计算模型。l模型的合理与否除几何、载荷因素之外正确地设定边界

100、约束条件是很关键的。 (一)有限元计算法 143压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析l有限元计算可采用弹性分析程序，因为疲劳设计可以采用弹性虚拟应力概念，即按应力集中区可能产生的应变e (可包括塑性应变)按弹性方法确定出虚拟应力(Ee)。l有限元计算的精度取决于结构离散化的程度，必须有足够小的单元网格，特别是应力集中点的网格。网格越小，单元数就多，要求计算机的容量和速度均应能满足要求。l对有限元计算出的应力分量必须按应力分类原理进行合理的应力分类，才能作为进一步计算相应的应力强度、应力强度幅值以及分类进行强度校核的依据。 (一)有限元计算法 144压力容器设

101、计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析l应力指数法源于ASME2规定性附录46节。其定义是： (二)应力指数法 应力指数的概念在第三章中已述及，它与通常的应力集中系数Kt的概念十分相似。其区别在于在计算Kt时的分子部分仅指某一存在最大应力的点，不包括其他任意的指定点，因此Kt具有表征该结构的力学特征参量的含义。而I 的分子部分可以是多个指定点，而不局限于该结构中应力值最大的惟一特定点。145压力容器设计技术(全)l分母部分的So实质上是按第三强度理论计算的应力强度，对一般薄壁容器就是周向薄膜应力，l对圆筒体 l对球壳。l更严格地计算应将内径Di改为中径(即内外壁的平均直

102、径)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析l应力指数法源于ASME2规定性附录46节。其定义是： (二)应力指数法 146压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析 (二)应力指数法 147压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析(二)应力指数法 用应力指数法求指定点的最大应力及最大应力幅(或应力强度)很适合于工程设计中作疲劳分析用，但应注意下列问题：l仅适合于单个的、孤立的开孔与接管。l由压力以外的载荷，如温度差、外力矩等引起的应力可以与压力引起的应力相叠加，但必须注意所在部位和应力的方向。l该法不得用于接管区非整体补

103、强及异种钢组成的补强结构。l内角半径r1和外角半径r2等不得小于规范中规定的范围。148压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析(三)实验应力分析法 lASME2及中国JB4732的附录B均提出，当理论应力分析不适当或无可用的设计公式与数据时可以采用实验应力分析的方法来确定指定点的控制应力，这一方法对整个以应力分析为基础的设计(包括疲劳设计)均适用。实验方法需采用相似的模型，用应变片电测或光弹性试验来进行。149压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析(四)疲劳设计中应力分析的注意事项 应力分析主要是确定交变应力强度的幅值(Sa)

104、，以便对容器的疲劳强度或疲劳寿命用设计疲劳曲线来校核。应注意以下几个问题。l疲劳设计中的应力分析应包含各种对疲劳寿命有影响的应力，即整个应力循环中与时间相对应的总体结构不连续应力、局部结构不连续应力和热应力。按上一节应力分类法概念就是包含了一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb、二次应力Q及峰值应力F。在计算Salt幅值时应是它们的总和而不是只计算峰值应力F。值得提出，只是在作疲劳强度校核之前需要应力分类并按分析设计的程序先逐项作强度校核，最后一步才是用PL+Pb+Q+F作疲劳强度校核。 150压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计四、容器疲劳设计中的应力分析(四)疲劳设计中应力分析的注

105、意事项 应力分析主要是确定交变应力强度的幅值(Sa)，以便对容器的疲劳强度或疲劳寿命用设计疲劳曲线来校核。应注意以下几个问题。l在载荷循环中应区分主应力方向不变和有变化两种情况。后一种情况是指如压力循环和温度循环所造成的主应力方向可能不一致，或者外加弯矩造成的主应力与压力、温差的主应力方向不一致。因此当主应力方向有变化时所有应力分析应该计及六个应力分量(t、n、r、tn、 nr、rt)。具体如何应用这些分量计算出主应力和波动范围，可参见JB 4732的附录C。151压力容器设计技术(全) 压力容器设计技术进展 第三节 容器的疲劳设计 一、容器的低循环疲劳破坏 二、低循环设计疲劳曲线的确定方法

106、三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正 四、容器疲劳设计中的应力分析 五、疲劳强度减弱系数 六、变幅载荷与疲劳积累损伤 七、对疲劳设计有关规则的说明152压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计l从设计疲劳曲线来看，在规定的疲劳寿命期内容器所能承受的最大交变应力幅就是疲劳强度。结构的疲劳强度又与结构本身的应力集中程度密切有关。设计疲劳曲线是用光滑试件做疲劳试验获得的，如果不是光滑试样，例如含缺口的有应力集中的试样，疲劳强度就会明显下降。l化工容器接管根部的结构对疲劳强度有明显的影响，例如采用补强圈补强的接管，其疲劳强度明显低于整体补强的接管。接管根部未焊透的疲劳强度低于根部焊透的结构。平齐式接

107、管的疲劳强度低于内插式的，切向接管与斜交接管的疲劳强度低于正交式(径向式)接管的，凡此种种都说明结构对疲劳强度的影响。五、疲劳强度减弱系数153压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计五、疲劳强度减弱系数除采用应力指数法之外疲劳设计规范中也推荐采用“疲劳强度减弱系数”(Kf)来表示结构抗疲劳失效的能力。Kf的定义如下： 154压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计五、疲劳强度减弱系数l这实际上是指具有同样疲劳寿命(Nf)的光滑试样与缺口试样(包括带接管的压力容器)两者的疲劳强度之比。l试验表明光滑试样与缺口试样(若干相同缺口的试样)在不同Nf时获得的名义应力幅的比值(Kf)几乎是恒定

108、的，因此Kf可以视为是一种反映结构疲劳特性的参量，对于容器而言Kf系数正是表征了容器局部应力集中导致疲劳承载能力降低的程度。l在无法获得结构应力指数(I )的情况下也可以用Kf系数进行疲劳设计，此时只要从设计疲劳曲线上由设计的寿命获得容许的交变应力幅之后，再将该应力幅除以疲劳强度减弱系数Kf，所得到的即为该结构的容许应力幅。155压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计五、疲劳强度减弱系数lKf是不大于5的数值(除裂纹类缺陷情况外)，角焊缝的Kf可取4.0，螺纹的Kf在计算时不得小于4.0(但也无需取大于5的值)。在没有可参考的Kf值时，如有必要也可用实验方法求出所需结构的疲劳强度减弱系数

109、，这在ASME2中的及中国JB 4732附录C7中均有详细的试验规定。156压力容器设计技术(全) 压力容器设计技术进展 第三节 容器的疲劳设计 一、容器的低循环疲劳破坏 二、低循环设计疲劳曲线的确定方法 三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正 四、容器疲劳设计中的应力分析 五、疲劳强度减弱系数 六、变幅载荷与疲劳积累损伤 七、对疲劳设计有关规则的说明157压力容器设计技术(全)l压力容器的交变载荷幅度有时是不恒定的，若总按最大幅值来计算交变应力幅就太保守，一种近似的工程处理方法就是用线性疲劳积累损伤准则。l若一容器前后所受的各种应力幅为Sa1、Sa2、Sa3对应的交变循环次数为nl、n2、n3但

110、其中Sa1单独作用时的疲劳寿命为N1，其他应力幅下相应的寿命为N2、N3，Sa1作用了n1次，对结构所造成的损伤程度为n1N1，其他应力幅所造成的损伤程度为n2N2、n3N3 l线性疲劳积累损伤准则认为各应力幅造成的损伤程度累计叠加不应超过1，即 第三节 容器的疲劳设计六、变幅载荷与疲劳积累损伤158压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计六、变幅载荷与疲劳积累损伤l不同应力幅作用的顺序对损伤程度有明显影响，例如高应力幅作用在前，造成缺口局部屈服，这时卸载半周造成一定的残余压应力和屈服硬化，将使以后的低应力幅的交变循环损伤程度下降。该因素在线性积累损伤准则中没有考虑。反之低应力幅在前，高应

111、力幅在后，积累损伤度实际上可以超过1，这在上式中也未考虑。l实际上很难事先准确预测压力容器交变应力幅的作用顺序，鉴于线性积累损伤准则计算方便，工程上仍大量采用。如果考虑作用顺序及其他因素的影响，问题则复杂得多，目前尚无成熟的理论和方法。159压力容器设计技术(全) 压力容器设计技术进展 第三节 容器的疲劳设计 一、容器的低循环疲劳破坏 二、低循环设计疲劳曲线的确定方法 三、疲劳设计曲线的平均应力影响修正 四、容器疲劳设计中的应力分析 五、疲劳强度减弱系数 六、变幅载荷与疲劳积累损伤 七、对疲劳设计有关规则的说明160压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计 (一)设计疲劳曲线的应用l提供的

112、设计疲劳曲线均注明该曲线是在特定弹性模量E的前提下获得的，因此在设计时必须按所用材料在使用温度下的弹性模量作校正。方法是将计算得到的交变应力幅乘以曲线中给定材料的弹性模量与所用材料在使用工况下的弹性模量之比。l疲劳强度校核实际做法是，将计算得到的应力强度幅值在选定的设计疲劳曲线纵坐标上取该值，过此点作水平线与疲劳曲线相交，交点的横坐标值即为对应的容许循环周次，即安全寿命。如果该周次不能满足所需设计寿命的要求，则必须重新调整所设计的结构，或加大厚度，或增大过渡圆弧半径，或作更为有利于减少应力集中峰值应力的结构调整，然后再作应力分析和疲劳强度校核，直到满足寿命要求为止。七、对疲劳设计有关规则的说明

113、161压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计 (一)设计疲劳曲线的应用l应当注意，在应力循环中那些应力不变量不应计人应力幅之中，因为那些不变量应划为平均应力，而设计疲劳曲线中已计人最大平均应力的影响。l由于疲劳曲线坐标精度较差，规范上还常提供曲线的数据表格，可用内插法得到相应的循环次数，规范也给出了按对数坐标的内插计算式，当应力幅为变值时则应按积累损伤准则进行验算。七、对疲劳设计有关规则的说明162压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明(二)容器不需作疲劳分析的规定l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

114、。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。l压力全幅度循环的预期(设计)次数，包括起动和停车。l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。163压力容器设计技术(全) (二)容器不需作疲劳分析的规定l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。l当构

115、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。l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。第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明164压力容器设计技术(全) (三)疲劳分析的其他问题l(1)棘轮效应 平均应力和交变载荷联合作用时，每次循环可能使容器产生一个不可逆的塑性应变增量，当塑性应变值递增至材料塑性被耗尽时，就会发生断裂。这种断裂与

116、一般的疲劳破坏不同，一般的疲劳虽也伴有局部的反复塑性变形，但不引起容器外形尺寸有宏观变化。棘轮效应却伴有应变的单向增量，引起容器直径逐步增大鼓胀。压力过大的波动会引起机械棘轮效应，热应力波动循环过大会引起热应力棘轮效应。在疲劳分析规范中给出了防止发生热应力棘轮效应的许可的最大循环热应力极限值计算方法。第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明165压力容器设计技术(全) (三)疲劳分析的其他问题l(2)容器的高循环疲劳问题 一般认为容器的疲劳问题是高应变下的低循环疲劳问题，但近代容器设计已意识到容器同样存在低应力的高循环疲劳破坏问题。例如高速气流及运动装置引起的振动，往往会引起高频率的

117、高循环周次的疲劳破坏。现行规范仅能提供奥氏体不锈钢的106一1011次循环内的疲劳设计曲线。l(3)疲劳裂纹扩展问题 现有的压力容器疲劳分析方法是以无缺陷的光滑试样疲劳试验为基础，总寿命包括裂纹萌生和扩展至断裂的各个阶段。实际构件很可能已存在初始微小裂纹或宏观裂纹，其寿命仅指疲劳裂纹扩展部分，原有的疲劳曲线方法就不适用。断裂力学在疲劳裂纹扩展中的应用提供了有效的方法，其寿命主要取决于疲劳裂纹扩展速率da/dN(a为裂纹尺寸)和断裂的临界裂纹尺寸ac。 第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明166压力容器设计技术(全) (三)疲劳分析的其他问题l(4)复杂的疲劳问题 热疲劳是很复杂的

118、疲劳问题，过大的热应力交变会使容器从表面开始发生龟裂。蠕变疲劳是在高温下蠕变和交变应力相互作用时发生的，蠕变与应变疲劳都是一种非弹性的应变，这两者交织在一起就更为复杂。此外还有腐蚀疲劳与中子辐射下的疲劳问题，都比较复杂，而且都未形成规范的设计方法。 第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明167压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明 (四)容器疲劳设计中需考虑的问题 l容器作疲劳设计时绝不仅仅是个计算问题，同时还涉及到结构设计、材料和制造、检验的问题，因为要防止疲劳失效最要紧的是降低局部结构不连续效应所带来的应力集中，应减少峰值应力在交变状态下的破坏

119、性作用，因此必须注意以下几个方面的问题。l(1)材料要求需作疲劳分析的容器，其材料的要求应有别于规则设计中的材料要求，可参见本章前面所述的应力分析设计法的材料要求。l(2)容器在结构设计方面的要求针对防止疲劳失效，结构设计的总要求是避免过大的应力集中以降低峰值应力。因此应尽量避免采用以下结构，使其不会成为疲劳裂纹源区： 168压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明 (四)容器疲劳设计中需考虑的问题 l(2)容器在结构设计方面的要求针对防止疲劳失效，结构设计的总要求是避免过大的应力集中以降低峰值应力。因此应尽量避免采用以下结构，使其不会成为疲劳裂纹源区：l用补强

120、板补强的非整体连接件；l管螺纹连接件，特别是直径超过70mm的接管；l部分熔透的焊缝，如垫板不拆除的焊缝，以及一些角焊缝；l相邻元件厚度差过大的结构；l接管及开孔补强处易造成未焊透缺陷的焊接结构。169压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明 (四)容器疲劳设计中需考虑的问题 l(3)制造方面的要求l焊缝余高要予以打磨平滑，以减小应力集中；l几何不连续处尽可能采用圆滑过渡，填角焊缝处需打磨至所要求的过渡圆弧，并经磁粉检测合格。 170压力容器设计技术(全)第三节 容器的疲劳设计七、对疲劳设计有关规则的说明 (四)容器疲劳设计中需考虑的问题 l(4)检验方面的要求

121、l焊缝均需作100的无损检测，结构设计时应避免采用非对接的焊接接头；l容器组装焊后，应进行适当温度下的消除焊接残余应力热处理；l用高强度低合金钢制作的容器，宜在焊后立即进行200300Co的消氢热处理，避免产生延迟裂纹；l不允许强力组装，检验时应严格控制错边量；l钢板边缘、开孔边缘及坡口面在焊前应作渗透液检测；l不得采用硬印作材料和焊工标记。 171压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第二节 化工容器的应力分析设计第三节 容器的疲劳设计第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定 压力容器设计技术进展 172压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定 一、容器的低应

122、力脆断问题 二、断裂力学的基本理论 三、压力容器的防脆断设计方法 四、在役容器的缺陷评定 压力容器设计技术进展 173压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定一、容器的低应力脆断问题l不少容器，在制造厂水压试验时就发生破坏，或者在投入运行若干年后在工作压力下发生破坏，而检查其设计则完全符合规范要求。这些容器的破坏大体具有如下一些特点。l一般在工作压力附近破坏，破坏压力基本上低于容器的整体屈服压力，更明显低于理论计算的爆破压力，因此属低应力破坏；破坏前容器未发生明显的塑性变形，也就是在容器尚未加压到发生整体屈服变形的情况下就破坏，破坏时可能只沿焊缝裂开一条不太宽的缝，也可能裂成一

123、些碎片飞出，因此从爆破性态(即断裂前宏观变形量的大小)上说呈现脆性破坏的特征，因此习惯上将这种破坏称为“低应力脆断”。 174压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定一、容器的低应力脆断问题l压力容器发生低应力脆断的原因主要是因为焊缝中存在明显的宏观缺陷，缺陷的来源一般有以下几种情况。l制造中形成的焊接缺陷，特别是裂纹性缺陷。包括焊接中因预热不当而产生的裂纹、氢致裂纹、或因拘束过大由焊接残余应力影响而形成的裂纹。材料强度级别越高，或厚度越厚，越易产生焊接裂纹。l使用中形成的裂纹，包括腐蚀裂纹，特别是应力腐蚀裂纹，由交变载荷导致出现的疲劳裂纹等。虽然疲劳问题是属于另一范畴的问题，

124、但疲劳裂纹发展到一定尺寸时就会发生低应力脆断。l由此可见，裂纹是导致压力容器发生低应力脆断的重要原因。未焊透缺陷是一种裂纹性缺陷，也会引起低应力脆断。 175压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定一、容器的低应力脆断问题l低应力脆断不仅在压力容器上发生，在船只、桥梁及其他焊接结构上也大量发生低应力脆断事故，引起工程界与科学界的重视。20世纪50年代开始逐渐形成了一个新的学科，即专门研究裂纹与断裂的断裂学科。这个新学科的最重要的分支便是断裂力学。它可很好地解释含裂纹结构发生断裂的条件，可建立裂纹尺寸载荷材料韧性三者之间的关联式，能很好地用于低应力脆断问题的分析。这是传统强度设计

125、理论所无法解决的，传统强度设计理论总是以材料连续性为前提，无法考虑裂纹的存在。 176压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定一、容器的低应力脆断问题l20世纪70年代开始，一些主要工业国家已将断裂力学方法引进到压力容器的断裂分析中来，相继出现了许多规范。这种规范大体上有两种情况：一是在设计时就考虑有可能出现的裂纹，从而制定出“防脆断设计”规范；二是针对在役容器的缺陷如何作安全性评价的“缺陷评定”。显然这两种方法都涉及到断裂力学的基本理论，这里首先介绍断裂力学中的几种主要理论，即线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学，然后介绍如何应用这些理论来解决压力容器的防脆断设计和缺陷评定问题。1

126、77压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 l常规强度设计中要求设计的应力低于用材料的屈服强度或拉伸强度所决定的许用应力，就可保证结构的安全。而含裂纹的结构因在裂纹尖端附近存在严重的应力集中，常规强度设计方法是无法被采用的。断裂力学首先是研究裂纹尖端附近的高度集中的应力场和应变场，从而导出裂纹体在受载条件下裂纹尖端附近应力应变场的特征量，同时与材料某种性能参量相关联，建立裂纹体断裂的判别条件。这就是断裂学科所要解决的主要问题。下面将对线弹性断裂理论和弹塑性断裂理论作一介绍。178压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理

127、论 (一)线弹性断裂理论l带裂纹的结构根据所受载荷的情况可以区分为三种基本加载形式，如图所示共有I、II、III型三种裂纹类型，即张开型、剪切型和撕开型。最常见的是 I型即张开型裂纹。线弹性断裂理论是假定材料只符合弹性行为(胡克定律)，不会出现屈服现象。其中最重要的是应力强度因子理论。 179压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 l无限板穿透裂纹(长为2a)I型加载下裂纹尖端的应力场。材料符合线性弹性规律。可以求出裂纹尖端附近任意点A(极坐标r, )在双向拉伸时的应力分量的近似解： (一)线弹性断裂理论1应力强度因子KI 180压力容器设计技术(全)第

128、四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (一)线弹性断裂理论1应力强度因子KI 该应力场表达式说明，各应力分量均与 有关，其余则与几何坐标有关。该应力场的强弱程度惟一地取决于 参量，因此令： 181压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (一)线弹性断裂理论1应力强度因子KI K因子是表征裂纹尖端附近应力场强度的特征量，是线弹性断裂力学中最重要的参量。常用单位为MPa/m1/2(即MN/m3/2)，1MPa/m1/23.23kgf/mm3/2。外加应力和裂纹尺寸a同时决定着K因子的大小。不同的裂纹体几何形状，其KI也不同。 182压力容器

129、设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (一)线弹性断裂理论2断裂韧性 l裂纹尺寸一定，KI值随载荷应力 的增大而增大。当KI增大到某一程度时，裂纹开裂，进入随应力增大而裂纹继续扩展的稳定扩展阶段。最终发生突然的不可控制的快速断裂，即失稳断裂。l实验证明每一种材料均有自己的发生裂纹失稳断裂的KI最低值称为“临界应力强度因子KIC”，它是材料抗裂纹断裂的韧性的反映，亦称为材料的“断裂韧性”。l材料的KIC值越高说明抗断裂的韧性越好。越不容易发生低应力脆断。断裂韧性便成为衡量材料韧性与脆性的重要力学性能新指标。l注意KI与KIC的区别，前者是裂纹尖端附应力强度参量，

130、与材料无关，而后者是材料的性能。但当KIKIC时意味要发生失稳断裂。 183压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (一)线弹性断裂理论3线弹性的脆断判据 l如果裂纹体的KI值达到材料的KIC值时，说明裂纹体(即带裂纹的结构)达到了断裂的临界状态，断裂判据为：l利用断裂力学建立的-a-KIC的这种关系，可以导出相应的临界应力C或临界裂纹尺寸aC，l这就是利用断裂力学建立的工程上判别带裂纹结构是否发生低应力脆断的依据。结构的安全除了符合常规强度设计中的设计应力)以外，从防脆断的观点还应符合C或aaC的要求。 184压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断

131、设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (一)线弹性断裂理论4线弹性断裂理论的适用范围 l上式只适合裂纹尖端附近很小区域的近似解。由于材料有塑性变形，裂纹尖端附近总会有塑性区。当载荷或裂纹尺寸越大时，塑性区也就越大，实际应力场与上式解的偏差也越大。如果裂尖塑性区的尺寸大到超过近似解适用的区域尺寸时，偏差将会大到工程上不能接受的程度。这个塑性区的尺寸大体上只是裂纹半长a的1/10。符合这个条件称为“小范围屈服”。l线弹性断裂力学的适用范围就是“小范围屈服”条件。中低强度钢的屈服强度低，受载时容易产生较大的塑性区，反之高强度钢受载时塑性区就比较小。可以导出对塑性区尺寸的限制，实质上就是对/y的限制。

132、一般要求塑性区尺寸小于a/10，相当于要求应力水平/y0.5。如果试件的受力状态接近于平面应力时，这时数值还要低些。 185压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (一)线弹性断裂理论4线弹性断裂理论的适用范围 l断裂韧性KIC测试时也应满足小范围屈服的要求。l对于屈服点很低的钢材，要保证满足小范围屈服条件，就必须加大试样的尺寸，以增大试样对裂尖变形的约束使屈服区减小。l试样的尺寸应达到“平面应变”状态的要求。中低强度钢试样要达到这一要求时，其尺寸甚至达到数吨之重，变得无法实现。l但对高强度钢而言，满足平面应变要求时的试样尺寸就很小。l以上情况使得线弹性

133、断裂理论的适用范围变得很小。为了解决这一问题而发展了弹塑性断裂理论。186压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 1裂纹张开位移(COD)理论 l在外载荷作用下裂纹尖端将会屈服钝化，出现了尖端张开位移(如图所示)，符号为d，即COD之值。l(1)D-M模型解 对于无限板中长为2a的穿透裂纹，在单向均匀受拉及平面应力条件下，COD解可借助于下图D-M模型求解。 (1) D-M模型解187压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 1裂纹张开位移(COD)理论 l假设裂纹尖端的塑

134、性区为窄条状，材料符合理想塑性规律(无屈服硬化)；假定条状塑性区挖去而代之以屈服应力y均布作用在塑性区边界，代替塑性区的作用使裂纹闭合。l这样2a的裂纹变成了2c的假定裂纹，将有助于求解COD值d。这就是D-M模型。由D-M模型导出的在 xa处沿y方向裂纹尖端张开位移d为： (1) D-M模型解188压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 1裂纹张开位移(COD)理论 l该式是目前广为应用的COD理论的基本公式，其反映了裂纹张开位移d与裂纹尺寸a(半长)、外加应力，以及材料的弹性模量E与屈服强度y的基本关系。l该式当/y1时的值达到

135、无穷大，显然是不合理的。主要是推导时假定了材料无屈服强化能力而引起的。因此上式的适用范围必须限制在/y 1的条件下，不少研究认为在应力水平/y0.5时该式是适用的，这依然是在小范围屈服条件下适用。l COD理论无法导出埋藏裂纹和表面裂纹的张开位移理论解。 (1) D-M模型解189压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 1裂纹张开位移(COD)理论 (2) COD的临界值dc l实验证实，当裂纹尖端张开位移达到某一数值时裂纹便开始扩展(起裂)。实验还证实，每一种材料的裂纹起裂张开位移值是一个较为稳定的常数，称为临界裂纹张开位移，符号

136、为dc。这是材料的另一种断裂韧性指标，我国已制订了临界COD的测试标准。ldc值以起裂作为临界值时是稳定的，而失稳值是不稳定的。dc测定时不要求试样满足平面应变条件，基本上取与实际结构厚度相等的试样即可，这样常用的中低强度钢就可用小试样完成测试。l16MnR的dc值约0.100.16mm，与板材的热处理状态有关。 190压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 1裂纹张开位移(COD)理论 (3) COD断裂判据 l如果裂纹体裂纹尖端张开位移值达到材料的临界COD值dc时，裂纹就开始断裂。由此建立的断裂判据为： l利用这两个式子即可求

137、出带裂纹结构发生断裂的临界应力或在某应力水平下的临界裂纹尺寸。 191压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 l如果裂纹体处在小范围屈服状态下，裂纹尖端的应力强度因子KI与裂纹张开位移d之间是否存在某种转换关系?l可由上式导出。当 时(也就是符合小范围屈服条件时)，函数sec(x)及lnsec(x)均可用级数展开，当x1时只需取前面12项即可得到足够精确的近似拟合。这样上式便可简化为l严格说，上式只在低应力水平即小范围屈服条件下成立，可用于 d与KI两个参量的换算。 1裂纹张开位移(COD)理论 (4) d与KI的关系 192压力容

138、器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 2J积分方法 l在解决弹塑性断裂问题时，也就是解决从线弹性断裂、小范围屈服断裂以至大范围屈服断裂问题时，还有一种了积分的方法。l裂纹体在受载时每一点都产生应力与应变，由应力与应变可以计算每一处的应变能。如果环绕裂纹沿图所示的任意逆时针回路(G )进行能量的线积分，这个积分值与回路上各点的应变能密度W、回路微段ds上的内力矢量T 及位移矢量u 之间的关系可用下式表达，即线路积分定义式： 193压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 2J积分

139、方法 l该积分称之为J 积分。可以严格证明，裂纹体在某一受载情况下沿任意回路的J 积分值都相等，即与积分路径无关，这就叫J 积分的线路无关性。lJ 积分可以成为裂纹体应力应变场的特征量。在线弹性与小范围屈服的条件下了积分与K因子同样都可以描绘裂纹尖端附近的应力应变场，都是描述这个奇异场的参量。l但J 积分比K因子的应用条件更加广泛，在大范围屈服时(只要符合小应变条件)J 积分都是严格成立的。即使裂纹体达到全面屈服时，虽不能从理论上严格证明，但数值计算及实验分析都验证了J 积分的路线无关性仍近似成立，J 积分仍是有效参量。 194压力容器设计技术(全)lJ 积分还有另一表达式，称为J 积分的形变

140、功率表达式：l式中u 为试件的总形变能(可用实验测出)，a为裂纹尺寸。该式与上式等价。这一定义使了积分通过标准试样进行实验测定成为可能。实验还证实，裂纹发生起裂时的积分临界值对每一材料均为一常数，因此这个临界值JIC，便成为材料的另一种断裂韧性指标。中国已制订了JIC的测试标准。 l裂纹体断裂的J 积分判据即为： J =JIC第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 2J积分方法 195压力容器设计技术(全)l可以证明，在线弹性与小范围屈服条件下，J 与KI以及JIC，与KIC，之间有如下关系：lEE(平面应力)，E 为材料的弹性模量；lEE(1-2)(平

141、面应变时)，为泊松比。 lJ 及JIC，的常用单位为N/mm，(1N/mm0.102 kgf/mm)。 lJ 积分理论定义明确，理论严密，适用范围广泛，比K因子及COD理论更为优越，20世纪70年代末已成为断裂力学发展的主要趋向，在工程应用上有很好的前景。 第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 2J积分方法 196压力容器设计技术(全)l当裂纹处于小范围屈服时，裂纹尖端的塑性区被周围广大的弹性区包围。工程上例如压力容器的接管区由于应力集中而出现局部塑性区，如果在塑性区存在裂纹，则裂纹被塑性区所包围，如图所示。称为全面屈服条件下裂纹的断裂问题。第四节 容

142、器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 3全面屈服条件下的COD表达式 197压力容器设计技术(全)l对这类问题由于理论分析上的困难，目前较多还是应用COD方法进行实验研究。采用如图所示的宽板试验方法可以得出如下的经验方程(称Wells方程)：第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 3全面屈服条件下的COD表达式 198压力容器设计技术(全)l该式已包含了22.5以上的安全系数，当该式的ddc时并不意味着断裂，而表示此时的 e 或 a 是可以接受的应变或裂纹。很多研究认为上式非常保守，经修正后得下式(Burdekin式) 第

143、四节 容器的防脆断设计及缺陷评定二、断裂力学的基本理论 (二)弹塑性断裂理论 3全面屈服条件下的COD表达式 式中，ey为材料屈服点的应变值。该式在工程中获得应用。 199压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定 一、容器的低应力脆断问题 二、断裂力学的基本理论 三、压力容器的防脆断设计方法 四、在役容器的缺陷评定 压力容器设计技术进展 200压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定三、压力容器的防脆断设计方法l1971年ASME“锅炉及压力容器规范”第卷率先将线弹性断裂力学引入核电站压力容器设计规范，在第三卷的附录G中提出了对核容器中可能存在的裂纹如何用应力强

144、度因子理论来进行安全性评定的方法，开创了将断裂力学用于结构防脆断设计的先例。l(1)假设的裂纹 首先假设容器中存在一个深为l/4壁厚,长为1.5倍壁厚的表面裂纹(如果壁厚为300mm时，该假想裂纹深为75mm，长为450mm)，并是纵向的与最大主应力相垂直。 (2)材料的断裂韧性 针对核容器专用材料A533B-1和A508提供了断裂韧性与温度的曲线。由于核容器材料的强度不很高，按KIC测试标准需很大的试样才行，所以直接测KIC是办不到的。因而规范提出了采用参考断裂韧性KIR的方法。 201压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定三、压力容器的防脆断设计方法l图示是KIR与温度的

145、关系。横坐标为(T-RTNDT)，T为工作温度或试验温度；RTNDT是参考温度。l通过夏比冲击试验确定，首先用落锤试验得到无塑性转变温度TNDT。l然后在比TNDT高60oF的温度下作夏比冲击试验。l要求冲击试样的横向膨胀量达0.04in或仅0.035in而吸收能必须大于50ftlb。如果试验达不到这个要求，就应当提高试验温度，直到满足冲击试验要求，此时的温度即为可保证足够韧性的参考温度RT NDT。因此RTNDT温度至少比无塑性转变温度高60oF。 (2)材料的断裂韧性202压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定三、压力容器的防脆断设计方法l将上述核容器钢材的断裂韧性最低值

146、与温度参数建立的曲线，即为KIR(T-RTNDT)曲线。没有任何断裂韧性值落在曲线的下方。因此根据T-RTNDT参量查得的KIR便是很安全的。 (2)材料的断裂韧性203压力容器设计技术(全)l先要求出评定部位截面应力，然后按沿截面的分布，近似地分解为薄膜应力m及弯曲应力b，然后计算表面裂纹的应力强度因子KIm，及KIb。 l式中，Mm，Mb的特定形状表面裂纹的应力强度因子计算系数，它与壁厚及应力水平有关，附录G提供了专门的曲线可查出Mm，而Mb2/3Mm。 l知道壁面温差F，也可按下式计算温差应力的应力强度因子KIt：l对一次应力和二次应力的应力强度因子都可按上式计算。 第四节 容器的防脆断

147、设计及缺陷评定三、压力容器的防脆断设计方法(3)应力分析和应力强度因子计算 204压力容器设计技术(全)l将计算出来的应力强度因子给予一定的安全系数后必须小于该温度下的材料的KlR。一次应力的安全系数为2，二次应力的安全系数为1。这些评定条件是；只有一次薄膜应力和温差应力时：第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定三、压力容器的防脆断设计方法(4)评定 l有一次应力及结构不连续的二次应力时： l水压试验条件下： 205压力容器设计技术(全)l采用防脆断设计方法并不意味着实际结构在设计与制造时就允许有裂纹存在，而是意味着对于重要结构必须考虑到万一有裂纹时(漏检的或使用若干年后产生的)要保证不发生脆断事

148、故。这实质上意味着材料必须保证有足够的断裂韧性，或者当确定对KIR的要求后按图便可确定(T-RTNDT)，从而可确定材料的工作温度，必须在RTNDT以上多少温度下工作，因为当工作温度T比参考温度RTNDT愈高时，材料的韧性KIR值则愈大。 第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定三、压力容器的防脆断设计方法(4)评定 206压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定 一、容器的低应力脆断问题 二、断裂力学的基本理论 三、压力容器的防脆断设计方法 四、在役容器的缺陷评定 压力容器设计技术进展 207压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定l按容器制造

149、标准(即质量控制标准)一般不许存在裂纹，但对在役使用的容器一旦发现了裂纹若均按质量控制标准立即报废或动火修补焊接，往往带来巨大的直接或间接的经济损失，修补不当反而增加新的潜在危险。只有采用断裂力学方法作安全评定既保证安全又可获得很大经济效益。l在役容器的缺陷评定与防脆断设计的基本原理相同，不同的是在役容器的缺陷评定，不是针对假想的裂纹对材料的韧性提出要求，或对无损检测的灵敏度提出要求，而是根据探伤实测到的缺陷形状与尺寸评定是否可继续使用、降压使用、修补后使用、或报废等。 208压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定l用断裂力学方法作安全评定一般是针对裂纹

150、性缺陷的，例如裂纹、未焊透及未熔合等平面型缺陷。 l目前国际上出现了许多在役容器缺陷评定规范，这些规范相对于质量控制标准来说称为“ “合乎使用合乎使用” ”标准。就其理论基础大体上可分为以线弹性断裂力学K因子理论为主的，以COD理论为主的，还有以J 积分理论为主的。 209压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定lASME锅炉压力容器规范第十一卷附录A关于在役核容器缺陷评定的方法是采用线弹性断裂力学K因子的方法，基本内容与第三卷附录G相似。不同的是规定了对检出的任意形状缺陷如何进行规则化处理的方法等。l以COD为基础的缺陷评定规范或指导性文件80年代在国际

151、上是最多的，国际焊接学会(IIW)、英国标准学会(BSl)、日本焊接协会(WES)，前联邦德国焊接协会(DVS)都是先后制订了各自规范，其中以英国“BSI PD6493焊接缺陷验收标准若干方法指南”具有代表性。 210压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定l该方法以COD理论为主要依据，由IIW方法演变而来。该方法将评定分为小范围屈服与大范围及全面屈服两大部分。前者以D-M模型为基础，后者以Burdekin式为基础。(一) BSI PD 6493的评定方法 211压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定l应当注意，B

152、urdekin式原已包含了安全系数(22.5以上)，故由上式求得的即为容许裂纹尺寸am。 (一) BSI PD 6493的评定方法 212压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(一) BSI PD 6493的评定方法 (3) COD设计曲线 在 小于0.5及大于0.5的两个范围有不同的C表达式，从IIW的规范开始直到BSI的PD 6493都将系数C在双对数坐标上绘制成如图示的曲线，称为“COD设计曲线”。两个C曲线的交点即在 0.5处。评定时只要根据应力水平 在曲线上找出C值，然后按 的范围代人计算式。 213压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设

153、计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(一) BSI PD 6493的评定方法 (4)等效裂纹尺寸a l由于D-M式或Burdekin式均以薄平板中心穿透裂纹2a为研究对象，但埋藏裂纹及表面裂纹没有d 表达式，此时采用COD法发生困难。l为此IIW及PD 6493采用了“等K换算”方法。如果内部埋藏的椭圆裂纹的应力强度因子KI值与另一个长度为2a的中心穿透裂纹的KI值相等，那么这个穿透裂纹就是该埋藏裂纹的等效裂纹，因此半长a就是埋藏裂纹的等效尺寸a。对于半椭圆形的表面裂纹也可按等K换算的方法求出等效尺寸a。因此计算式中的am均为等效的穿透裂纹半长。IIW的方法和PD 6493中均给出了进行等效换算

154、的具体方法和曲线。PD 6493中允许在 的情况下也可以用应力强度因子法。 214压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(二) 我国CVDA方法 l我国压力容器学会与化工机械学会于1984年颁发“压力容器缺陷评定规范”，简称“CVDA84”。该方法也是以COD为基础，比PD 6493有了改进，同时在/y1的条件下也允许采用K因子法。(1) COD的脆性断裂评定曲线与方程 (6-23)(6-30)215压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(二) 我国CVDA方法 lPD 6493线在e/ey0.5后是Burdeki

155、n线。普遍认为Burdekin仍较保守，实际的安全系数远大于22.5，且越大越保守。(1) COD的脆性断裂评定曲线与方程 216压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(二) 我国CVDA方法 l国内在制订CVDA规范时所做的许多宽板试验及容器试验表明，PD6493线虽然在e/ey较大时显得保守，却在e/ey0.51.5附近显得不够安全，许多试验的起裂点位置位于PD 6493线之上。(1) COD的脆性断裂评定曲线与方程 (6-41)l为确保评定的安全，以实验为依据将第一段的二次曲线即式(6-41)的第一式延长到e/ey1处；将第二段直线的起始点抬高而斜

156、率降低。217压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(二) 我国CVDA方法 (1) COD的脆性断裂评定曲线与方程 (6-41)l评定时如果评定点落在曲线上方为安全，下方不安全。因为落在上方时表示f 值偏高，也即意味着裂纹的缺陷(a值)较小，可以接受。 CVDA两段曲线评定方程：218压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(二) 我国CVDA方法 (2) K因子评定法 l由于应力强度因子KI的适用范围虽受到小范围屈服条件的限制，但KI有许多现成的解，已汇编成册，工程使用方便。因此CVDA规范中仍保留了K因子法，规

157、定在/y0.7t时应视为穿透裂纹来评定。l规则化处理还包括缺陷群的处理，即共面的或非共面的缺陷相互间的距离小到一定程度时，应将两个互相影响着的缺陷合并而视为一个大缺陷。这在CVDA-84中均有详细而具体的规定。 (5)断裂韧性 l评定中所需要的材料力学性能特别是断裂韧性值KIC及dc，应以实样在最低工作温度条件下测试为准，实际上难以办到。允许采用代用数据，但在选取断裂韧性值时，应结合容器的实际情况，考虑材料化学成分、冶金和工艺状态及常规力学性能、试样几何和试验条件等因素对断裂韧性的影响。 225压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(二) 我国CVDA方

158、法 (6)评定的一般程序 l用无损检测或用其他方法求得缺陷几何和计算尺寸；l确定缺陷部位(在缺陷不存在时)的应力和应变；l确定缺陷部位有关材料性能的数据； l计算最大允许缺陷尺寸； l评定缺陷是否允许或是否需要返修。 l以上均指脆断评定的内容，用断裂力学方法还可对现有裂纹在交变载荷下是否会发生疲劳扩展、尚有多少剩余疲劳寿命进行评定。对其他失效形式，如高韧性材料裂纹情况下的塑性失稳失效、应力腐蚀失效等，CVDA也给出了评定方法或指导性原则。 226压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(三)缺陷评定规范的发展 l20世纪80年代之后，断裂力学的发展出现了显

159、著的变化。J积分以理论的严密性而确立了其地位。美国电力研究院(EPRl)将以线积分表达的J参量通过数值模拟方法近似地表达成幂函数方程，从而实现了J积分计算的工程化，已为工程界接受。 l英国中央电力局(CEGB)在20世纪70年代就倡导发展了失效评定图(FAD)技术，当时是以COD理论的DM模型解为基础导出了失效评定曲线(FAC)，后来将EPRI的J积分工程解再进行简化，导出了以了积分理论为基础的失效评定图(JFAD)，编制成为缺陷评定的新规程，这一成果集中体现在英国伯克莱核电研究所编制的R6第三版规程中，这在国际上被公认为是一种先进的工程规范。227压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设

160、计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(三)缺陷评定规范的发展 纵坐标KrKI/KIC，表示用线弹性的应力强度因子相对于临界值KIC(或Kc)的状态，越接近1则表示越接近发生脆断。横坐标Lr=p/pL，即结构所受载荷P 离开其极限载荷(即含缺陷结构的极限载荷)PL的程度，越接近1则表示已很接近极限载荷。评定点落在评定曲线的下方则不会发生失效。评定点位置离坐标原点越近则越安全。评定点越靠近纵轴则预示越易发生脆断失效。靠横坐标越近，结构越易发生塑性失稳失效。中间地带预示将随载荷增加而发生起裂后的弹塑性撕裂失效。228压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(三)缺

161、陷评定规范的发展 lEPRI的成果和R6第三版的出现迅速引起了我国学术界的重视并进行了大量的研究，在“八五”计划期间劳动部在国家科委立项作为国家重点科技攻关课题，专门组织专家进行研究，确定了中国进行压力容器缺陷评定可以采用的失效评定曲线，并编制了新的缺陷评定规程，2004年批准为国家标准。l近年来在缺陷评定方法与规范方面又有了新的发展，特别是2000年前后颁布了两个全新的规范，即欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP)和美国石油学会的合乎使用实施方法(APl 579)，均在世界上产生了重要影响。 229压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(三)缺陷评

162、定规范的发展 lSINTAP是欧洲国家统一的缺陷评定标准，后来英国R6第4版BS 7910(前身为PD 6493)采用了SINTAP的主要成果，尤其是失效评定曲线的修改和焊缝材料强度不配匹情况下的缺陷评定方法。lAPl 579更多反映了石油化工的需要，不仅包括缺陷的断裂评定和疲劳评定，还首次以规范形式给出了高温评定、点腐蚀评定、氢鼓泡分层评定、火灾烧伤设备的评定及环境导致材料损伤的安全评定等方法。l实际上从20世纪80年代以来已把焊接结的缺陷评定，以及各种损伤问题的评定都称之为“结构完整性评定”(structure integrity assessment)，在学术界和工程界都被广泛应用。23

163、0压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(三)缺陷评定规范的发展 l虽然断裂力学的成就可以用来对裂纹类的缺陷进行安全性评价，但国内外均不允许新设计制造的压力容器存在裂纹性缺陷，一旦发现均应消除。l只有对在役的压力容器进行定期检验中发现的裂纹，而且裂纹又一时难以消除或无法在短期内进行更换的重要容器才允许采用断裂力学的评定规程进行缺陷评定。l评定时还必须遵守两条原则：一是必须向省市级劳动监察部门事先申报；二是必须由国家劳动监察部门认可的研究部门及专家来承担这一评定工作。 231压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(三

164、)缺陷评定规范的发展 l最后还要说明，带裂纹的容器的失效模式并非一定是最终发生脆断。一般有以下三种失效模式：l(1)脆断 是在缺陷较大同时材料韧性又不高的情况下容易发生，这用断裂力学甚至是线弹性断裂力学可以很好地进行评定。l(2)弹塑性撕裂断裂 裂纹在加载时首先起裂，载荷不断增大，裂纹继续稳定扩展，发生撕裂，在裂纹变得很大时容器发生破裂(即失稳断裂)。韧性与塑性较好的材料，缺陷较大的容器容易发生。l(3)塑性失稳 含裂纹的容器材料韧性塑性特别好，缺陷相对不大，加载时裂纹尚未起裂而净截面已发生屈服，即达到极限载荷状态，按理想塑性材料的假设，此时结构的变形将会无限制地沿裂纹所在的净截面发展下去而失

165、效，故称塑性失稳。这一情况显然已不属于断裂力学的范畴，而是极限载荷控制的问题。 232压力容器设计技术(全)第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定四、在役容器的缺陷评定(三)缺陷评定规范的发展 l以上所讨论的三种情况如果采用J积分为基础的失效评定图均可正确地和简便地作出评定。采用FAD技术不需要在评定时计算J积分，但该失效评定曲线却是按J积分工程方法导出的。l采用FAD技术可以作出高级的评定，不仅可以对容器的裂纹作出起裂状态的评定，还可以对起裂后的整个裂纹扩展过程作出定量分析，加载多少其扩展量为多少，直至估算出裂纹最终的失稳载荷。这种高级评定法可用于上述第二种情况即弹塑性撕裂失效的全过程评定。 2

166、33压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第二节 化工容器的应力分析设计第三节 容器的疲劳设计第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定第五节 化工容器的高温蠕变第六节 化工低温压力容器第六章 压力容器设计技术进展 234压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 一、金属材料的高温蠕变 二、化工容器的高温设计 三、高温压力容器的残余寿命第六章 压力容器设计技术进展 235压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变l大量的化工容器是在高于室温的条件下工作的。金属材料的强度随温度而发生变化。l对高温压力容器要区别两种不同的情况。l第一种是工作温度在

167、容器材料的蠕变温度以下，设计时是以该材料在工作温度下的机械强度为基准，按通常的安全系数选取许用应力。l第二种是工作温度在容器材料的蠕变温度以上，此时必须考虑材料的蠕变特性，按照容器的设计寿命来确定许用的应力水平。本节要讨论的是第二种情况。 236压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变l蠕变温度指材料开始呈现蠕变现象的温度，对各种不同材料是不同的。一般金属材料的蠕变温度Tc为： 式中，Tm为金属材料的熔点(K)。实际上，每种具体钢号或金属牌号都有不同的蠕变温度。大体上：碳钢 350oC 低合金钢 400450oC 耐热合金钢 600oC l有色金属及其合金的蠕变温

168、度较低，如铅及钛等在室温时受载就会发生蠕变。l当金属材料在高于蠕变温度的温度下工作时，会产生两种现象：蠕变变形与蠕变断裂。在这里不作金属学的探讨，而从工程应用的观点作现象学的分析。为了叙述简便，下面把“高于蠕变起始温度”简称为“高温”。 237压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变l金属材料在高温与应力的共同作用下，会产生缓慢的不可回复的变形，称为蠕变变形，如以应变表述，即为蠕变应变ec。 (一)蠕变变形 l在光滑试样单向拉伸试验下，在恒定温度与恒定应力作用下，试样的应变时间关系如图所示。l蠕变变形有三个阶段，第一阶段(01)为降速阶段，第二阶段(12)为恒速阶

169、段，第三阶段(23)为加速阶段，到点3发生断裂。 238压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变(一)蠕变变形 l在恒定温度与不同应力下测试时，可以得到一组曲线，如图所示。图中123。应力越小则应变越小，相应地，应变速率越小。 l通常在8个以上的不同应力水平做试验，归纳出蠕变应变与应力、时间的关系式： 如果温度T 恒定，则 l工程上为计算方便，常忽略第一阶段与第三阶段，仅取第二阶段，即恒速阶段。蠕变的应变速率可以用下式表达： 这就是有名的Norton-Bailey公式，沿用了几十年。但应当指出，它是一个粗略的公式，不能满足按分析设计的要求。239压力容器设计技术(

170、全)第五节 化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变l在高温和应力的长时间作用下，金属材料到一定时间就会断裂，从下面两张图可以看出。蠕变断裂寿命2R(小时)随应力的降低而延长。通常用光滑试样在恒定应力和恒定温度下作试验。在一定应力下的蠕变断裂时间称为该应力下的蠕变断裂寿命，反过来，在一定时间下产生蠕变断裂的应力称为该时间内的“持久强度”。(二)蠕变断裂 240压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变l多个试样在不同应力水平下进行试验，得到材料的持久强度与蠕变断裂寿命的关系曲线。l多个试样在不同应力水平下进行试验，得到材料的持久强度与蠕变断裂寿命的关系曲线。(二)蠕

171、变断裂 l多数钢材，应力-寿命曲线有一个转折点F，标志断裂机制的转变。l当应力高于F点时，断裂是穿晶的，断口为韧窝状，纵断面上可观察到晶粒的拉长。l当应力低于F点时，断裂机制为沿晶界面的断裂(沿晶断裂)，晶界上由于孔穴或微裂纹的积聚连贯而最终导致沿晶的宏观裂纹扩展，引向断裂。241压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变l蠕变与持久试验中数据的分散性很大，要在相当多的试样的基础上才能得到一条代表性的平均曲线。如果曲线的两段均可近似地看作直线，则与tR的关系可用下式表述：l式中，指数m为负值。显然，对二段曲线，B与m的值是不同的。(二)蠕变断裂 l工程上，由于设计寿

172、命要求较长，在105h以上，所以较低，此情况，是沿晶断裂，且总应变量比较小，所以失效时呈现“脆性断裂”的特征，但实际上与通常意义上的脆性断裂是有区别的。 tR:断裂寿命242压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变l以上都是在高温下作长时间试验的情况。l高温下短时拉伸试验，仍然可以获得材料在该温度下的屈服点y抗拉强度b与塑性形变曲线。但试验的速度相对要快一些。l若试验速度慢于高应力下的蠕变速度，则会出现应力平台，此时应力上不去而应变不断增加。图示是高温下短时拉伸试验的示意图。l高温短时拉伸曲线(快速拉伸)有时对计算应力集中部位初始加载时的变形量有用。 (二)蠕变断

173、裂 243压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 一、金属材料的高温蠕变 二、化工容器的高温设计 三、高温压力容器的残余寿命第六章 压力容器设计技术进展 244压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计l对于在蠕变温度以上工作的化工容器，失效的判据与一般压力容器不同，通常考虑两种失效形式：l第一种是由于蠕变而产生过大的永久变形，导致部件的失效，对此，应设定在设计寿命范围的允许变形量；l第二种是由于在恒应力作用下，材料达到了蠕变断裂寿命而开裂，对此应根据容器的设计寿命找出相应的持久强度值，并限制工作应力小于持久强度。 245压力容器设计技术(全)第五节 化

174、工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计l(1)变形准则 按照100,000h后应变不超过1(0.01)的限制，从蠕变数据中找到应变速率为： 时的应力，称之为材料的蠕变强度，代号为10-7。蠕变试验数据的温度应与容器工作温度相同。 (一)高温压力容器的常规设计 常规设计的思路是对重要部位的最大主应力加以限制。在我国规范中，针对上述两种失效形式，规定了高温下许用应力的设定方法。 l此时，许用应力为： 式中，安全系数nn1.0。 246压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计(一)高温压力容器的常规设计 l(2)断裂准则 按照100,000h的持久强度为基准，保证材

175、料在工作lO5h后不发生断裂。lO5h的持久强度取代号为105，则许用应力为： 式中，安全系数nD取为1.51.6。实际设计的许用应力取两者之小值。 常规设计的思路是对重要部位的最大主应力加以限制。在我国规范中，针对上述两种失效形式，规定了高温下许用应力的设定方法。 247压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计(一)高温压力容器的常规设计 l可以讨论的是，对压力容器与管道而言，产生一点永久变形并无多少妨碍；再说，l的变形量似乎也限制得太严了一点。l所以近年来的英国规范已取消了按变形准则设计。在有些国家的规范上尚未取消，只是由于保留传统做法而已。l世界各国已普遍

176、认识到，对于高温压力容器，真正危险的是蠕变断裂。 248压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计(一)高温压力容器的常规设计 l再一方面，105h的设计寿命对有些重要装置来说又显得不够。现代的化工、石油、动力等装备趋向大型化，尺寸越来越大，设备成本很高，要求使用寿命长。l不少国家的锅炉行业已经把设计寿命定为20年或2X105h，核电站趋向于更高。这一趋势带来的问题是蠕变数据缺少，因为做蠕变与持久试验是很花钱很费时的，而数据外推的方法的可靠性总还是要一定数量的实时数据来验证。l蠕变数据的积累需要广泛的国际合作，这种合作已进行若干年了。 249压力容器设计技术(全)

177、第五节 化工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计(二)高温压力容器分析设计的思路 l美国规范ASME1是常规设计，它的范围包含了高温压力容器设计，具体的处理就是在给定材料的许用应力时当工作温度超过蠕变温度，就以蠕变极限或持久强度为基准。lASME2是分析设计，它在适用范围中明确规定不涉及有蠕变的压力容器，在给定许用应力时也只限于在蠕变温度以下。lASME与ASME2相同，但是在实际应用时碰到了一个问题，即某些核反应堆是在蠕变温度以上工作的。为此，ASME在20世纪70年代后期编写了一份规范案例N-47)，作为高温压力容器分析设计的依据，并期望在使用若干年后编人ASME的正文。lN-47同样也

178、适用于非核压力容器。在石油化工和煤化工行业中近代的大型加氢反应器严格讲也应属于按分析设计的重大设备，250压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计(二)高温压力容器分析设计的思路 l对高温压力容器进行分析设计，涉及许多理论和实际经验问题，也涉及更周到的材料性能试验问题。这里仅提及一些重要的考虑因素：l(1)蠕变计算方法 必须考虑到容器部件总是处在多向应力状态下，而蠕变的基础数据是在单向拉伸下获得的ec=f(T,t)。 如何选择适当的当量流变应力使之有可能利用基础数据是一个应力分析中首先要解决的问题。 其次，实际构件中的多向应力又往往是沿厚度变化或不均匀分布的，随

179、着时间的进程，各点上的蠕变应变是不一样的，由此就引起了“蠕变应力再分布”。 简言之，不仅要研究初始应力分布，而且要分析应力历史。 251压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计(二)高温压力容器分析设计的思路 l(2)蠕变断裂寿命估算 在多向应力下，如何利用单向拉伸的应力-寿命数据，这是一个在科学研究中尚未解决的问题，设计者须选择一种合理的假设。再者，从上一段所述，应当考虑应力历史对寿命的影响，亦即采用一种合适的累积寿命规律。l(3)蠕变与疲劳交互作用 当高温压力容器要求作疲劳设计时，必须考虑蠕变与疲劳的交互作用。这种作用对不同的材料是不同的，而且与应力水平、应

180、力幅、应变速率等因素都有关系。这时需要有足够的实验数据，并且考虑到单向拉压试件与实际结构的多向应力状态之间如何联系起来。 252压力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 二、化工容器的高温设计(二)高温压力容器分析设计的思路 l(4)松弛问题 对高温容器的螺栓连接，要作松弛分析。在初安装时，应力和应变量是一定的，而这应变是弹性应变。在工作时，总应变量保持不变，由于蠕变的关系，蠕变应变一步步取代弹性应变，这样螺栓中的应力就会下降。应采取措施使密封处保持不漏，或者估算出定期再上紧螺栓的时间间隔。 l以上简要地提了一些应考虑的项目，真正要进行按分析设计需要相当深入的专题学习和研究。 253压

181、力容器设计技术(全)第五节 化工容器的高温蠕变 一、金属材料的高温蠕变 二、化工容器的高温设计 三、高温压力容器的残余寿命第六章 压力容器设计技术进展 254压力容器设计技术(全)l高温压力容器的研究目前还很不充分，而在工业上的应用却已有几十年的历史，以前设计并投产的高温压力容器大多数是保守的，所以现在工业界面对着大量的“超期服役”的高温压力容器，其使用期远超过105h，这些压力容器能否继续安全服役，是工业界普遍关心的问题。另一方面，也有一些较新的容器，虽然设计寿命未到，但在定期检查中发现了裂纹，在此情况下，还能有多少残余寿命，是否需要焊补，也是工程师关心的问题。 l残余寿命问题可分为两类：第

182、一类是未发现宏观裂纹但材料已经过长期使用(高温和应力下)，还能用多久；第二类是发现了宏观裂纹，裂纹的扩展速率如何，还有多少时间会达到临界尺寸。 第五节 化工容器的高温蠕变 三、高温压力容器的残余寿命255压力容器设计技术(全)l对这种材料，无损检测是无能为力的。表面金相也未必能代表整个材料的内部情况，因此，往往必须取样分析。l取样以后，最老实的办法是重做蠕变或持久试验。但这种试验旷日持久，解决不了工程上迫切需要决策的问题，例如，要决定下一次大修中要不要换下。工程上很早就采用加速试验法，即提高试验温度和应力水平，然后外推到工作温度和工作应力水平。最早获得广泛应用的是20世纪50年代Larson-

183、Miller提出的参数外推公式： (一)未发现宏观裂纹的材料 如在较高温度与较高应力下做实验，得到P()与的关系曲线，就可外推到较低温度与较低应力下，计算出JR。 试验温度,K 断裂寿命,h常数，随材料而异，碳钢，低合金钢：C=20 应力有关的参数 第五节 化工容器的高温蠕变 三、高温压力容器的残余寿命256压力容器设计技术(全)l由于Larson-Miller法不尽完善，近三十年来有相当多的学者发展了各种不同的参数外推法，总的目标是要通过加速试验来外推需要长时间试验才能得到的、实际工作温度与工作应力下的寿命数据，对已使用过的材料，这就是残余寿命估计。l除参数外推法外，还有一些其他的估计残余寿

184、命的方法，如“蠕变内应力法”等。 (一)未发现宏观裂纹的材料 第五节 化工容器的高温蠕变 三、高温压力容器的残余寿命257压力容器设计技术(全)l如果在容器或管道的某些部位经探伤发现了宏观裂纹，这时问题的性质已起了变化，进入了高温断裂力学的范畴。l首先是要了解蠕变裂纹的扩展速率，并且把它与一个合适的断裂力学参数联系起来。l最初是在20世纪70年代初，英国针对电站中发生的由蠕变裂纹扩展而造成的事故以及查出大量的裂纹存在，用同样的材料进行了蠕变裂纹扩展的测试。Siverns和Price提出用应力强度因子K来归纳数据，其公式为： (二)发现宏观裂纹的情况 A为常数n为指数，铬钼钢n6当时利用这些研究

185、结果，认定90的裂纹可不必返修。 第五节 化工容器的高温蠕变 三、高温压力容器的残余寿命258压力容器设计技术(全)l其后的研究表明，用K来归纳蠕变裂纹扩展数据，分散带很宽，l指数(n6，常大于6)很高，影响外推的准确性。l从理论上说，在蠕变状态下，材料具有很高的塑性和韧性，用线弹性断裂力学参数K并不合理。 (二)发现宏观裂纹的情况 第五节 化工容器的高温蠕变 三、高温压力容器的残余寿命259压力容器设计技术(全)(二)发现宏观裂纹的情况 l1976年Landes和Begley提出了一个新的参数，命名为C*，数据归纳公式为：lC*的提出有一定的理论背景，十几年来相当多的人通过研究对C*得到较好

186、的评价。从试件结果来看，用C*参数有两个明显的优点，一是数据分散性明显减小，二是指数(约0.8)较低，有利于外推。l然而C*在应用上碰到一个大问题，即实际结构中裂纹的C*值如何算法，这方面研究还刚开始。对比之下，结构裂纹的K值计算却有大量文献可以参考。l目前的状况是，用K不合理、不完善，但工程上可以应付一下急迫的问题；用C*合理，数据归纳较有规律，但工程上应用相当困难，相信在今后几年或十几年中会有新的进展。 指数值对铬钼钢约为0.82 第五节 化工容器的高温蠕变 三、高温压力容器的残余寿命260压力容器设计技术(全)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第二节 化工容器的应力分析设计第三节 容

187、器的疲劳设计第四节 容器的防脆断设计及缺陷评定第五节 化工容器的高温蠕变第六节 化工低温压力容器第六章 压力容器设计技术进展 261压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用二、低温容器设计、制造中需注意的问题第六章 压力容器设计技术进展 262压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l设计温度低于或等于-20oC的碳素钢和低合金钢制造的压力容器属于“低温压力容器”。l化工厂中有不少容器的工作条件处于低温下，例如液化乙烯、液化天然气、液氮等的贮罐，石油化工装置中的低温分离系统等。l有一些容器虽不属于低温操作，但由于环境温度影响，壳体的金属温

188、度可能达到低于或等于-20oC(例如中国北方地区的室外的无保温的容器)，也应当按照低温压力容器处理。l奥氏体高合金钢制低温容器在设计温度高于或等于-196时，可不作为低温压力容器处理。 263压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l钢材随着使用温度的降低，会由延性状态转变为脆性状态，抗冲击性能会有很大的降低。l当存在难以避免的缺陷时，在低于脆性转变温度下受力，会导致脆断，脆断的发源点往往在应力高度集中的部位，因此对低温压力容器在设计时应给予特别的重视。l低温压力容器的强度设计与常温容器相同，但是在选材及其力学性能检验、结构设计和制造要求等方面有更严格的规定。 lG

189、B 150钢制压力容器附录C“低温压力容器”即为现行的低温压力容器设计、制造、检验与验收规程。 264压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l韧性是压力容器钢的重要指标，更是低温压力容器用钢严格控制的指标。材料的韧性是强度与塑性的综合反映，衡量钢材韧性的指标有多种，目前用标准V形缺口夏比试样用冲击试验机测得冲击吸收功值AKv，单位:J(焦耳)。l低温容器用钢对冲击功值有更为严格的要求，因为随着温度的降低一些钢(主要指铁素体钢)的韧性会下降。(一)低温容器材料的韧性 265压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l图为钢材冲击功值随温度变

190、化的示意图，存在一个转变温度Tc(脆性转变温度)。l在此温度以下，冲击功之值突然降低，断裂韧性值KIR也明显降低，标志着钢材进入了脆性状态。l钢材的使用温度须高于脆性转变温度。同时低温冲击功值AKV必须大于某一数值，才能确保足够的韧性，避免发生脆断。 (一)低温容器材料的韧性 266压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用lGB150规定了常用低温容器钢板的最低冲击试验温度。实际上就是钢板允许的最低使用温度。(一)低温容器材料的韧性 267压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用lGB150还给出了不同强度等级钢的低温冲击时最低冲击功的值

191、。低温容器钢板复验时必须做低温冲击试验，冲击试验温度必须低于或等于容器或其受压元件的最低设计温度。(一)低温容器材料的韧性 268压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l值得注意的是，奥氏体钢不像铁素体钢存在有低温下的韧性降低和脆性转变温度的问题。奥氏体钢不仅在常温下有非常优良的韧性，而且随着温度的降低其韧性几乎保持不变。当温度降到一196oC时仍然如此。因此奥氏体不锈钢是优良的低温容器用钢，只是其价格远高于常用铁素体类低温用钢。对到一196oC时奥氏体不锈钢几乎是惟一可以选用的低温容器用钢，任何铁素体类钢无法代替。l有色金属铝和铜也是具有优良低温塑性和韧性的金属

192、材料。近年来大型空气分离装置低温部分的容器大量采用铝材制造，价格也较便宜。铜(紫铜和黄铜)因其资源不多和价格较高，也已逐渐不用于制造低温容器。而且铝、铜等有色金属的强度也较低，不大适合制造大型低温容器。 (一)低温容器材料的韧性 269压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l我国钢制压力容器(GB 150)采用了低温压力容器用低合金钢厚钢板技术条件(GB 3531)中4种铁素体型低温容器用钢：16MnDR、07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09MnNiDR。均属于无镍或节镍的低温用钢。l而对于一20oC的容器推荐采用20R或16MnR，因而构成了上表所

193、列的6种低温用钢。钢号中的DR是汉语拼音“低容”的代号，其中20R是属于抗拉强度b450515MPa的低温用钢。在设计钢种时，-70oC级以下的低温钢所追求的不在于提高强度，而在于保证低温下能达到对韧性的要求。 (二)低温容器用钢 270压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l作为低温容器用钢与普通的压力容器用钢相比，低温容器用钢有其较高的冶炼与检验要求。主要有如下几点。 l在化学成分上，低温容器用钢的含碳量更低，添加少量韧化元素锰和镍，对各元素分析的偏差控制加严，允许的磷、硫含量严于压力容器用钢，GB 3531中规定低温钢的磷、含量不得超过0.025、硫不超过0

194、.015，而GB 6654压力容器用钢要求不超过0.035。l在供货的热处理状态上，低温容器用钢不允许以轧制状态交货，必须是正火状态或调质状态，这都为了确保材料的韧性。l在力学性能上低温钢略微降低了对强度(b、y)的要求，体现了宁可放弃些强度而要确保韧性的思想。 (二)低温容器用钢 271压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l在冲击功值上由于要求在低温下做冲击试验，如果仍以常温的AKV值来要求将显得过于苛求，采用国际上通用的要求：对b450515MPa的低温钢，要求AKV20J，而20R由于强度等级低，要求在18J以上即可。低温容器制造厂必须进行低温冲击功的复验

195、。l用于低温容器壳体钢板的厚度大于20mm时，应逐张进行超声波探伤，剔除分层缺陷超标的钢板。 (二)低温容器用钢 272压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用l我国的低温钢种曾因考虑资源而采用无镍的铁素体钢，而国际上则较多采用含镍的铁素体钢，如2.5镍钢、3.5镍钢，用于-100oC时则采用低碳含镍的马氏体9镍钢，直至采用奥氏体不锈钢。l我国常用的低温压力容器用钢归纳起来可以分为三类。 第一类属铁素体类低温钢，仅用于-40-70oC范围，包括GB 3531中列入的16MnDR、15MnNbDR、09Mn2VDR、09MnNbDR等4种。GBl50标准于2002年7

196、月修改，不再推荐09Mn2VDR，而推荐了06MnNbDR(-90oC)和强度较高的07MnNiCrMoVDR(-40oC)(二)低温容器用钢 273压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 第二类为低碳含镍马氏体钢，如Ni9钢，适用于-100-120oC，常用于建造大型液化天然气贮罐，钢板厚度不超过50mm的焊接时可不预热，焊后可不做热处理。但由于Ni9钢焊接时易形成热裂纹，常用于高镍焊条焊接。 第三类低温钢是低镍奥氏体钢，主要用1Crl8Ni9(一196C)和15Mn26A14(一253C)，一般在固溶化状态使用。 (二)低温容器用钢 274压力容器设计技术(全

197、)第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用二、低温容器设计、制造中需注意的问题第六章 压力容器设计技术进展 275压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器二、低温容器设计、制造中需注意的问题 (一)结构设计与制造中需注意的问题 l在低温压力容器的结构设计方面，原则上应当尽力避免会造成局部高应力的结构因素，GB150指出： (i)结构应尽量简单，减少约束； (ii)避免产生过大的温度梯度； (iii)应尽量避免结构形状的突然变化，以减小局部高应力；接管端部应打磨成圆角，使圆滑过渡； (iv)不应使用不连续的或点焊连接焊缝； (v)容器的支座或支腿需设置垫板，不得直接焊在壳体上。 27

198、6压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器二、低温容器设计、制造中需注意的问题 (一)结构设计与制造中需注意的问题 l对容器的焊接接头的设计亦应特别注意。焊缝应采用对接，即使接管根部的角焊缝也应采用可以全焊透的结构。l在制造和检验方面，特别要注意焊接和热处理问题，焊接材料要选用高韧性的与母材匹配的材料，对焊接工艺的评定要着重评定焊缝和热影响区的低温冲击功AKV值，焊接接头厚度大于16mm的碳素钢和低合金钢制低温压力容器或元件应进行焊后热处理。对焊缝的探伤要求也比一般常温压力容器高。 277压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器二、低温容器设计、制造中需注意的问题 (二)关于“低温

199、低应力工况”容器 l“低温低应力工况”系指容器或受压元件的设计温度虽然低于-20oC，属于低温的范畴，但其环向薄膜应力(或其他一次应力)小于或等于钢材标准常温屈服点的1/6，且不大于50MPa的低应力工况，在这种情况下虽遇低温，但由于应力低，即使结构存在局部的应力集中，其最大应力(包括一次、二次和峰值应力)也达不到名义应力的六倍，因此达不到材料的屈服应力，也就是在峰值应力作用点上材料不会发生屈服和弹性失效。 278压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器二、低温容器设计、制造中需注意的问题 (二)关于“低温低应力工况”容器 l对于“低温低应力工况”下的低温容器，若设计温度加50oC后高于

200、 -20oC则不必按低温容器的规程进行设计制造。l对于“低温低应力工况”下的低温容器，若设计温度加50oC后仍低于-20oC，则钢材的冲击试验温度须低于或等于最低设计温度加50oC。要求的冲击功值仍应满足上述的要求。其他的材料要求、设计要求与制造要求均按低温容器规程执行。 279压力容器设计技术(全)第六节 化工低温压力容器二、低温容器设计、制造中需注意的问题 (三)关于低温容器的其他受压元件 l与低温容器配用的接管、螺栓螺母及锻件等受压元件，设计时也应采用与壳体板材相对应的钢材。锻件材料的低温冲击试验要求可参见GBl50-1998的4.4.3款。配用的无缝钢管如无相应的低温钢管时允许采用一些优质低碳钢和低合金钢无缝管，但必须在规定的低温下做钢材的冲击试验。具体的规定和要求可参见GBl501998的附录C。 280压力容器设计技术(全)谢谢！281压力容器设计技术(全)