压力容器设计复习(1)ppt课件

1、压力容器设计复习 潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院根本概念(下)第四章 外压容器设计压力容器设计复习(1) 了解外压容器失稳破坏特点，掌握弹性失稳、非弹性失稳、临界压力、圆筒计算长度、临界长度等概念及外压容器稳定性条件。(2) 掌握典型受载条件下(侧向均布外压、侧向与轴向同时受均布外压、仅轴向受压)圆筒临界压力(或应力)计算公式及其用作设计时相应稳定性系数m的取值。(3) 了解外压圆筒图算法原理，正确选择设计参数，并熟练运用图算法对外压圆筒和封头进展稳定性设计。(4) 掌握外压圆筒加强圈设计计算方法，了解加强圈构造和制造要求。4.1 根本要求第四章 外压容器设计(1) 外压容器处于紧缩应力

2、形状，能够出现的两种失效方式是紧缩屈服破坏和失稳破坏(即壳体在压应力下的忽然皱折变形)，失稳破坏是外压薄壁容器的主要失效方式。容器失稳时器壁中的压应力低于资料比例极限pt，那么称为弹性失稳，反之为非弹性失稳，因容器用钢pt与yt相近，故可近似以为Lcr那么约束件作用对筒体pcr无影响，称为长圆筒，失稳皱折波数n=2。 如LLcr那么约束件作用对筒体pcr有影响，称为短圆筒，失稳皱折波数n2。 一圆筒上有多个刚性约束件(如封头、法兰、加强圈、夹套封锁件等)即为多段圆筒，其中凸形封头所在圆筒段的计算长度L应包括封头直边段及1/3的封头深度。4.2 内容提要第四章 外压容器设计(4) 外压容器稳定性

3、设计目的是防止发生失稳破坏，条件是设计外压力p不得高于稳定性计算确定的许用外压p，即满足稳定性条件pp=pcr/m；其中，设计外压力p定义与内压时定义一样，详细取值方法可查表。许用外压p由临界压力除以相应稳定性系数m确定；稳定性系数m是思索公式准确性和制造所能控制的容器外形偏向等要素后所取的平安系数。稳定性设计的中心问题是计算pcr并确定相应的m，即可计算作用外压p。4.2 内容提要第四章 外压容器设计(5) 圆筒临界压力pcr或应力cr计算=0.3 受侧向均布外压的圆筒：其pcr为可得圆筒临界长度为：失稳皱折波数n可近似计算4.2 内容提要第四章 外压容器设计(4-2)(4-3)(4-4)(

4、4-5)05 . 20ecrcr30ecrcr2.59 Pamm 2.2 Bresse DLDtEpLLDtEpLL公式公式e00cr17. 1tDDL 200e06. 7DLDtn 4.2 内容提要第四章 外压容器设计 侧向和轴向同时受均布外压时，因轴向外压对圆筒稳定性影响不大，失稳变形及临界压力与情况相近，故工程上仍按受侧向均布外压情况计算。 轴向受压圆筒：因产生均匀轴向压应力的轴向外载可有多种方式，故以轴向临界应力来表征临界载荷。线弹性条件下的阅历式为： 非弹性失稳圆筒临界压力或应力可采用相应弹性失稳公式并以切线模量替代弹性方式量E作近似计算。500 25. 0eiiecrtRRtE(4

5、-6)(6) 外压圆筒设计包括侧向均布外压或侧向与轴向同时受均布外压 稳定性系数m：目前制造技术程度下GB150规定外压圆筒m=3，相应要求圆筒直径偏向e=Dmax-Dmin不得大于规定值。 解析法设计：普通p、m、E、L、Di可一次性给定或计算，所以设计过程中心是根据假定的tn计算pcr(或p)，直到满足稳定性条件pp=pcr/m 式。但解析法选用公式时要先假设长圆筒或短圆筒、弹性或非弹性失稳，并由结果对假设进展校核，所以运用不方便，尤其不便于解非弹性问题，因此工程设计普通用图算法。4.2 内容提要第四章 外压容器设计4.2 内容提要第四章 外压容器设计图算法原理：由于周向临界应力所以将长、

6、短圆筒Pcr一致写成长圆筒短圆筒于是根据许用外压可得(4-7) r c0er c32EDtmpp20ecrDt1 . 10e05 . 10ecr45. 030. 1DtDLDtr ce0r cr c 2EtDpcr0ecr2EDtp cre032EptD 解析法求p中心是计算上式右边项，而图算法那么将该项计算分成两步：第一步先计算应变cr，因cr与E无关、且仅需D0/te、L/D0两个独立变量，故将其作图以便由从D0/te、L/D0直接查取cr。该图称为外压圆筒几何参数计算图，图中cr用A表示，长短圆筒、弹性或非弹性失稳均适用。4.2 内容提要第四章 外压容器设计 cre032EptD第二步再

7、由cr计算2/3Ecr，将应力一应变曲线纵坐标乘以2/3便可作出cr计算2/3Ecr之关系曲线图，称为壁厚计算图。4.2 内容提要第四章 外压容器设计 cre032EptD横坐标：A=cr，纵坐标：2/3EcrPD0/te用B表示，由A查B即得p。因塑性范围运用了Et，故对非弹性失稳亦适用。 图算法设计步骤：确定p、T、L、Di、C及资料假定tn计算te、D0、D0/te、L/D0 由L/D0 、 D0/te查几何参数计算图得A (根据资料及温度T)由A查壁厚计算图得B或对弹性失稳B2/3AE 计算pB/(D0/te) 校核pp能否满足，假设满足且接近那么tn合理，反之重设tn再次计算，直至满

8、足稳定性条件。4.2 内容提要第四章 外压容器设计(7) D0/te10的筒体(无论长短)失稳时cr 10，能够发生塑性失稳或屈服，应同时思索稳定性和强度校核。此时许用外压p为：其中 ，B的计算与上一样，但当D0/te4时，B由 查取4.2 内容提要第四章 外压容器设计(4-8) 考虑强度考虑稳定性 112 0625. 0625. 1 ,mine0e002e0121DtDpBtDpppp tyt09 . 0 ,2min1 . 0 ,1 . 1min2e0tDA (8) 轴向受压圆筒：按式(4-6)，取稳定性系数m=4得弹性失稳许用压应力cr=cr/m=0.0625E(te/Ri)。图算法设计：

9、不用前述几何参数计算图，用前述壁厚计算图，并规定B=cr，因原图中B=2EA/3，两者相等得A=0.094/(Ri/te)，设计时由A查壁厚图得B，即cr，然后校核轴向压应力能否满足稳定性条件：cr4.2 内容提要第四章 外压容器设计500 25. 0eiiecrtRRtE () 外压圆筒设置加强圈可减小计算长度，到达提高稳定性或减小壁厚的目的。加强圈设置应同时满足三个要求：加强圈间距 ，以满足短圆筒体稳定性要求。加强圈与壳体有效段实践组合惯性距s稳定性要求的最小惯性距，以满足加强圈本身的刚度要求。加强圈不得恣意割断，与筒体的焊接必需符合相关规定，以与筒体同时承载，起到加强作用。4.2 内容提

10、要第四章 外压容器设计PDtDELL359. 205 . 2e0maxs4.2 内容提要第四章 外压容器设计Js由所选加强圈与宽度为 的有效段壳体的组合截面尺寸计算。J用图算法计算，以As表示所选加强圈截面积：弹性失稳J与As无关，直接有：(4-9)(4-10)e01 .12TDb ALAtLDJsses209 .10ELpDJ27. 7s304.2 内容提要第四章 外压容器设计(10) 外压封头设计(=0.3) 半球形封头：弹性小挠度临界压力公式:取m=14.52 (或阅历式 许用外压 )图算法设计：设计时由 ，根据B=2EA/3，查取B值，得 ，其它步骤类似外压圆筒。椭圆形封头：取当量曲率

11、半径Ri=KDi，然后按球壳设计方法计算，见“教材表4-1或GB150，其中规范椭圆封头K=1。2iecr21. 1RtEp3 ,25. 02iecrmRtEp 2ei0833. 0tREp ei125. 0tRA eitRBp 碟形封头：与球壳设计方法一样，其中Ri为封头球壳部分的内半径。锥形封头：半锥角60按平板设计；60看成当量圆筒，按外压圆筒方法设计。4.2 内容提要第四章 外压容器设计(11) 外压容器按内压容器进展耐压实验，液压实验压力确实定见下表。4.2 内容提要第四章 外压容器设计第五章 高压容器设计压力容器设计复习5.1 厚壁圆筒的应力5.2 高压容器的设计 本章主要研讨厚壁

12、圆筒在内外压力和温差载荷作用下的应力和变形等方面的概念和实际，及其计算方法。目的是处理高压容器的构造和强度设计问题。第五章 高压容器设计(1) 了解厚壁圆筒应力、变形的特点。(2) 了解拉美公式的推导过程，熟习厚壁圆筒内外压力作用下应力和位移的计算，掌握应力的根本特征。(3) 掌握厚壁圆筒温差应力的分布规律，正确判别在与压力产生的弹性应力组合时危险点的位置。(4) 了解组合厚壁圆筒提高筒体承载才干的原理及应力计算的方法。(5) 了解厚壁圆筒弹性应力的概念及自加强计算的根本原理5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 根本要求第五章 高压容器设计(1) 工程上通常将外径与内径之比Do/Di1.2的高压

13、圆筒描画器或管道等统称为“厚壁圆筒。在许多运用场所，圆筒为等壁厚，并接受均匀的内压pi、外压po和沿径向分布不均的温度变化T(从均匀基准温度起计)，且T通常仅为径向坐标r之函数。在这样条件下，圆筒的变形对称于圆筒轴。此外，在分开圆筒与端盖衔接处足够远时，变形与轴向坐标z亦无关。由于只思索轴对称载荷和轴对称约束，因此其位移、应力、应变均仅为r之函数(轴对称)。5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计(2)厚壁圆筒与薄壁圆筒的根本差别在于必需思索径向应力r，且这一应力在其数量上足以与周向应力、轴向应力z相竞赛；此外，厚壁圆筒没有薄壁圆筒中关于沿全壁厚是常数的根本假定，即厚壁

14、圆筒中的应力是三向的，其分布也非全均匀性，因此也是静不定性的，要从几何、物理和静力等三方面进展综合分析。5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计(3)对于具有端盖的厚壁圆筒(下称闭式圆筒)，接受内外压作用时的三个主应力分别为式中： 。对于开式圆筒， 下表示出仅受内压或外压作用时厚壁闭式圆筒内外壁面处的应力及开式圆筒之径向位移。 (5-1)r2o2iZ22roi2o2i22roi2o2ir2111111KpKpKKppKpKpKKppKpKprRKRRKorio ,0z5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容

15、提要第五章 高压容器设计5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计4 在稳定温度变化和轴对称条件下，单层厚壁圆筒中的温差应力为：式中为资料的线膨胀系数；tti-to；ti内壁面温度，to外壁面温度，C。5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计应力筒体内壁面筒体外壁面表5-2 单层厚壁圆筒内外壁面处的温差应力trttz12ln 1 22tKKKP12ln 1 22tKKKP12ln 1 2tKKP12ln 1 2tKKPiRr 0oRr 0多层圆筒温差应力内外壁面上的近似值为 0 t i t 2.0t 在内压内加热情况下，当t1.1p或保温良好，t极

16、小或高温作业已到达发生蠕变变形可不予思索温差应力。(5) 当内压与温差同时存在时，呈线弹性厚壁圆筒中的综合应力可由上述3、4的结果叠加，其内外壁面处的综合应力如下表所示。 5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计厚壁圆筒内压下的应力分布单层厚壁圆筒的温差应力分布5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计 就周向应力而言，当内压内加热时，最大应力在外壁处，外加热时最大应力在内壁处；当外压内加热时，最大应力在内壁处，外加热时最

17、大应力在外壁外。厚壁筒内的综合应力(6) 厚壁圆筒可以靠在最大应力区域产生与任务应力符号相反的剩余应力分布“预应力法来提高承载才干： 一是由两个或更多个开口圆筒靠过盈配合而组成一个组合圆筒，因过盈量在圆筒的接触外表之间产生装配压力，由这种压力在圆筒上产生了剩余应力； 另一种是对单个圆筒在一开场接受很高内压使圆筒发生非弹性变形，卸去高压后在圆筒中留下了有利的剩余应力分布“自加强技术。 前者应力分析的关键在于确定适当的过盈量，以及过盈量与筒体之间套合压力的关系；后者要合理确定自加强压力以及剩余应力的计算。5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计5.1 厚壁圆筒的应力 5.1

18、.2 内容提要第五章 高压容器设计5.1 厚壁圆筒的应力 5.1.2 内容提要第五章 高压容器设计第五章 高压容器设计压力容器设计复习5.1 厚壁圆筒的应力5.2 高压容器的设计(1) 了解高压圆筒三种设计准那么的根本观念及相应的最大承载才干。(2) 掌握单层和多层圆筒壁厚的工程设计方法。(3) 了解几种高压容器密封构造的原理与特点，学会对金属平垫和双锥垫的密封计算和被联接件的强度核算。5.2 高压容器的设计 5.2.1 根本要求第五章 高压容器设计(1) 高压容器普通处在高压高温暖化学性介质条件下任务，作为工程设计的中心问题首先是构成强度必需的厚壁，其次是密封所需的构造，因此高压容器的设计以

19、构外型式的多样性、制造要求的严厉性、密封构造的复杂性而有别于中低压容器。(2) 高压圆筒按其丧失功能的能够方式或方式建立了三种设计准那么，即弹性失效、塑性失效和爆破失效设计准那么，它们的根本概念及最大承载才干(计算压力)的比较如表5-5所示。5.2 高压容器的设计 5.2.2 内容提要第五章 高压容器设计5.2 高压容器的设计 5.2.2 内容提要第五章 高压容器设计(3) 工程上，当设计压力小于35MPa或K1.2时，高压圆筒的计算壁厚仍按照弹性夫效设计准那么中的中径公式计算，即当器壁在操作压力和温差同时作用下，应作如下当量组合应力校核内压内加热筒体：内压外加热筒体：5.2 高压容器的设计

20、5.2.2 内容提要第五章 高压容器设计 ppDtti2 tRrt2e21- 3oKp tRrt22e21-K 3oKp 对于多层组合圆筒，在不计筒体预应力下，除热应力计算以及资料t取法不同外，其他跟单层圆筒计算一样。(4) 高压容器密封按其任务原理分为强迫式密封与自紧式密封两大类。强迫密封完全依托紧固件的预紧力压严密元件使之密封；自严密封主要依托任务内压压严密封元件实现任务密封。前者构造简单，衔接件(如主螺栓)尺寸大，压力温度动摇时密封性差；后者构造较复杂，但密封可靠。表5-6比较了分别为其代表的金属平垫和双锥环垫密封的构造牲及密封载荷的计算方法。5.2 高压容器的设计 5.2.2 内容提要

21、第五章 高压容器设计5.2 高压容器的设计 5.2.2 内容提要第五章 高压容器设计(5) 高压容器的主要零部件包括筒体端部或端部法兰、端盖或底盖，及衔接件(如主螺栓)等。设计计算的义务是分析受载情况建立简化的力学模型，确定初步尺寸和危险截面的应力计算公式，进展应力强度校核，反复对尺寸进展修正，直到满足强度要求为止。学习时应留意力学模型如何从实践中笼统出来，怎样进展简化与假定，以及由此建立的计算公式运用时的条件限制，这也是对任何承压部件解题的根本方法之一。5.2 高压容器的设计 5.2.2 内容提要第五章 高压容器设计压力容器设计复习 第六章 压力容器设计技术进展6.1 近代压力容器设计技术进

22、展6.2 压力容器的分析设计(1) 了解压力容器的失效方式(2) 了解压力容器设计准那么的开展(3) 了解压力容器设计规范的主要进展(4) 了解近代压力设计方法的运用第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.1 根本要求第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(1) 容器的韧性爆破过程 一台受压容器，假设资料塑性韧性正常，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普通属于韧性爆破过程。韧性爆破的全过程可以用图示容器液压爆破曲线OABCD来阐明，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

23、(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)脆性爆破过程韧性爆破过程第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(1) 容器的韧性爆破过程 OA段：弹性变形阶段 内压与容器变形量成正比，呈现出弹性行为。A点表示内壁应力开场屈服，或表示容器的部分区域出现屈服，容器的整体弹性行为到此终止。 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(CD段)脆性爆破过程韧性爆破过程第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(1) 容器的韧性爆破过程 AB段：屈服变形

24、阶段 容器从部分屈服到整体屈服的阶段，以内壁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形状。假设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、不同的资料，这一阶段的外形与长短不同。 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(CD段)脆性爆破过程韧性爆破过程第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(1) 容器的韧性爆破过程 BC段：变形强化阶段 资料发生塑性变形强化，容器承载才干提高。但体积膨胀使壁厚减薄，承载才干下降。两

25、者中强化影响大于减薄影响，强化提高承载才干的行为变成主要要素。强化的变化率逐渐降低，到C点时两种影响相等，到达总体“塑性失稳形状，承载才干到达最大即将爆破。 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(CD段)脆性爆破过程韧性爆破过程第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(1) 容器的韧性爆破过程 CD段：爆破阶段，减薄的影响大于强化的影响，容器的承载才干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。 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

26、)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)脆性爆破过程韧性爆破过程第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要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(CD段)脆性爆破过程韧性爆破过程(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，甚至未到达屈服的时候就发生爆破。爆破时容器尚在弹性变形阶段或少量屈服变形阶段。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 容器的失效方

27、式 过度变形 容器的总体或部分发生过度变形，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，或部分鼓胀，应以为容器已失效，不能保证运用平安。过度变形阐明容器在总体上或部分区域发生了塑性失效，处于非常危险的形状。例如法兰的设计稍薄，强度上尚可满足要求，但由于刚度缺乏产生永久变形，导致介质走漏，这是由于塑性失效的过度变形而导致的失效。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 容器的失效方式 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，一种能够是超压，另一种能够是本身大面

28、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开展为爆破的失效，亦称为“塑性失稳(Plastic collapse)，爆破后易引起灾难性的后果。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 容器的失效方式 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。资料的脆性和严重的超标缺陷均会导致这种破裂，或者两种缘由兼有。脆性爆破时容器能够裂成碎片飞出，也能够仅沿纵向裂开一条缝；资料愈脆，特别是总体上愈脆那么愈易构成碎片。假设仅是焊缝或热影响较脆，那么易裂开一条缝。构成碎片的脆性爆破特别容易引起灾难性后果。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容

29、器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 容器的失效方式 疲劳失效 交变载荷容易使容器的应力集中部位资料发生疲劳损伤，萌生疲劳裂纹并扩展导致疲劳失效。疲劳失效包括资料的疲劳损伤(构成宏观裂纹)并疲劳扩展和构造的疲劳断裂等情况。容器疲劳断裂的最终失效方式一种是发生走漏，称为“未爆先漏(LBB, Leak Before Break)，另一种是爆破，可称为“未漏先爆。爆裂的方式取决于构造的厚度、资料的韧性，并与缺陷的大小有关。疲劳裂纹的断口上普通会留下肉眼可见的贝壳状的疲劳条纹。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 容器的失效方式 蠕变失效 容器长期在高温下

30、运转和受载，金属资料随时间不断发生蠕变损伤，逐渐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，不同资料在高温下的蠕变行为有所不同。 资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，晶界上构成蠕变空洞。时间愈长空洞那么愈多愈大，宏观上出现蠕变变形。 当空洞连成片并扩展时即构成蠕变裂纹，最终发生蠕变断裂的事故。 资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(爆破或走漏)。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 容器的失效

31、方式 腐蚀失效 这是与环境介质有关的失效方式。化工容器接触的腐蚀性介质非常复杂，腐蚀机理属于两大类：化学腐蚀与电化学腐蚀。区别在于构成腐蚀化合物过程中能否在原子间有电荷的转移。就腐蚀失效的形状可分为如下几种典型情况： 全面腐蚀(亦称均匀腐蚀)；部分腐蚀；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。 腐蚀开展到总体强度缺乏(由全面腐蚀、晶间腐蚀或氢腐蚀引起)或部分强度缺乏时，可以为已腐蚀失效。腐蚀开展轻者呵斥走漏、部分塑性失稳或总体塑性失稳，严重时可导致爆破。由应力腐蚀构成宏观裂纹，扩展后也会导致走漏或低应力脆断。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展

32、6.1.2 内容提要(2) 容器的失效方式 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失稳失效。皱折可以是部分的也可以是总体的。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。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 容器的失效方式 走漏失效 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走漏失效。例如法兰的刚性缺乏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走漏，垫片的密封比压缺乏、垫片老化短少反弹才干都会引起走漏失效。系统中每一零部件均会导致走漏失效

33、，所以密封失效不是一个独立的失效方式，而是综合性的。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的交互失效方式 腐蚀疲劳 在交变载荷和腐蚀介质交互作用下构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外表有应力集中的地方发生疲劳损伤，在延续的腐蚀环境作用下开展为裂纹，最终发生走漏或断裂。对应力腐蚀敏感与不敏感的资料都能够发生腐蚀疲劳，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。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的交互失效方式 蠕变疲劳

34、 这是指高温容器既出现了蠕变变形又同时接受交变载荷作用而在应力集中的部分区域出现过度膨胀以致构成裂纹直至破裂。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。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(4) 化工容器的设计准那么开展 弹性失效设计准那么、塑性失效设计准那么、爆破失效设计准那么和失稳失效设计准那么逐渐成熟运用于容器的工程设计。弹塑性失效设计准那么、疲劳失效设计准那么、断裂失效设计准那么以及蠕变失效设计准那么，反映设计实际的进展与突破。腐蚀失效所对应的设计准那么比较

35、复杂，它所涉及的不是一个独立的准那么。 各种不同的腐蚀失效形状所对应的设计准那么是多种多样的，有些还没有相应的设计准那么。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(5) 分析设计规范大型高参数及高强资料的容器如何设计得更平安而又合理，一方面依托详细的应力分析，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那么进展限制。对容器的危险点进展详细的应力分析，根据缘由和性质对应力进展分类，按各类应力对容器失效的危害性的差别采用不同的准那么加以限制。即“以应力分析为根底的设计，简称“分析设计(Design by Ana

36、lysis)。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(5) 分析设计规范ASME规范第卷“压力容器分为两册，第一册(ASME1)为传统的规那么设计(Design by Rules)规范，第二册(ASME2)即为“分析设计规范 (Design by Analysis) 。中国的容器分析设计规范于1995年以行业规范的方式正式公布，称为“JB 4732钢制压力容器分析设计规范。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(6) 疲劳设计规范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，压力容器的疲劳属于高应变(即在屈服点以

37、上的)低周次的疲劳失效，亦称“低周疲劳。根据大量实验研讨和实际分析建立了平安应力幅(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根底。由于疲劳设计必需以应力分析和应力分类为根底，疲劳设计是压力容器分析设计的重要组成部分。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(7) 防脆断设计规范 低应力脆断是压力容器的主要失效方式之一，特别是由高强度资料制成的厚壁焊接容器中容易发生。容器设计中参与了“防脆断设计这一内容。ASME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展平安评定的内容。我国于1984年制定了C

38、VDA压力容器缺陷评定规范。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(8) 高温容器蠕变设计的开展 高温容器常规的设计方法仅在许用应力按高温蠕变强度或耐久强度选取，缺乏以表达高温容器的寿命设计问题。高温蠕变失效问题的深化研讨，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，构成了近代高温容器设计的新准那么。由于高温问题的复杂性，这一设计方法目前尚未进入规范。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(9) 欧盟EN13445规范的问世 欧洲规范化组织(CEN)制定的EN 13445非直接火压力容器规范已于2002

39、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。针对防止密封失效所提出的限定各种走漏率的密封设计方法是非常有特征的。以致在世界压力容器技术规范方面构成了美国ASME和欧盟13445两大体系的新格局。这些都非常值得注重和深化研讨。 压力容器设计复习第六章 压力容器设计技术进展6.1 近代压力容器设计技术进展6.2 压力容器的分析设计第六章 压力容器设计技术进展6.2 压力容器的分析设计 6.2.1 根本要求(1) 了解分析设计的根本概念(2) 掌握对压力容器各部分应力进展应力分类的方法。(3) 了解安定性原理。(

40、4) 了解对压力容器进展分析设计的方法和步骤。第六章 压力容器设计技术进展6.2 压力容器的分析设计 6.2.2 内容提要(1) 容器的载荷与应力 由压力载荷引起的应力由内外介质均布压力载荷在回转壳体中产生的应力。可依托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，并在容器的总体范围内存在。厚壁容器中的应力是沿壁厚呈非线性分布形状，可以分解为均布分量和非均布分量。第六章 压力容器设计技术进展6.2 压力容器的分析设计 6.2.2 内容提要(1) 容器的载荷与应力 由机械载荷引起的应力 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。这种应力虽求

41、解复杂，但也是符合外载荷与内力平衡关系的。 这类载荷引起的应力往往仅存在于容器的部分，亦可称为部分应力。 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，但作用范围不是部分的，而且与时间有关，作为静载荷处置时普及容器整体，是非均布非轴对称的载荷。 第六章 压力容器设计技术进展6.2 压力容器的分析设计 6.2.2 内容提要 容器的载荷与应力 (3) 由不延续效应引起的不延续应力以下三种情况均会产生不延续应力： 几何不延续(如曲率半径有突变)； 载荷不延续； 材质不延续。 例如夹套反响釜的内筒在与夹套相焊接的地方就同时存在几何不延续与载荷不延续(实践上还有轴向温度的不延

42、续)。 构造不延续应力不是由压力载荷直接引起的，而是由构造的变形协调引起的，在壳体上的分布范围较大，可称为总体不延续应力。其沿壁厚的分布有的是线性分布有的也呈均布的。 第六章 压力容器设计技术进展6.2 压力容器的分析设计 6.2.2 内容提要 容器的载荷与应力 (4) 由温差产生的热应力： 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，经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。 引起热应力的“载荷是温差，温差阐明该类载荷的强弱，故称为热载荷，以区别于机械载荷。 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，有的是部分范围。温差应力沿壁

43、厚方向的分布能够是线性的或非线性的，有些那么能够是均布的。 第六章 压力容器设计技术进展6.2 压力容器的分析设计 6.2.2 内容提要 容器的载荷与应力 (5) 由应力集中引起的集中应力： 容器上的开孔边缘、接纳根部、小圆角过渡处因应力集中而构成的集中应力，其峰值能够比根本应力高出数倍。数值虽大，但分布范围很小。 应力集中问题的求解普通不涉及壳体中性面的总体不延续问题，主要是部分构造不延续问题，并依托弹性力学方法求解。 实践很难求得实际的弹性解，常用实验方法测定或采用数值解求得。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 分析设计法概述 (1) 薄膜应力

44、(Membrane stress) ：是沿截面厚度均匀分布的应力成分，其等于沿所思索截面厚度的应力平均值。 (2) 弯曲应力(Bending stress) ：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外表处，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(Normal stress) ：垂直于所思索截面的应力分量，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，能够是线性的，也能够是非线性的。

45、第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 分析设计法概述 (4) 切应力(Shear stress) ：是与所思索截面相切的应力成分 。 (5) 应力强度(Stress intensity) ：某处的应力假设系三向或二向应力时，其组合应力基于第三强度实际的当量强度。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) 总体构造不延续(Gross structural discontinuity ) ：指几何外形或资料不延续，使构造在较大范围内的应力或应变发生变化，对构造总的应力分布与变形产生显

46、著影响。总体构造不延续的实例如：封头、法兰、接纳、支座等与壳体的衔接处，不等直径或不等壁厚、或弹性模量不等的壳体的衔接处。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 分析设计法概述 (7) 部分构造不延续(Local structural discontinuity ) ：指几何外形和资料的不延续，仅使构造在很小范围内的应力或应变发生变化，对构造总的应力分布和变形无显著影响。例如小的过渡圆角处，壳体与小附件衔接处，以及未全熔透的焊缝处。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 分析设计法概述 各种应力对容器失效的

47、影响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，即外形失稳。l其他机械载荷产生的部分应力使容器发生部分范围弹性失效或塑性失效。l总体构造不延续应力，由于相邻部位存在相互约束，能够使部分资料屈服进入弹塑性形状，可呵斥弹塑性失效。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(2) 分析设计法概述 各种应力对容器失效的影响l总体热应力也会呵斥容器的弹塑性失效。l应力集中(部分构造不延续)及部分热应力使部分资料屈服，虽然可以呵斥弹塑性失效，但只涉及范围极小的部分，不会呵斥容器过度变形。l在交变载荷作用

48、下，这种应力再叠加上压力载荷的应力及不延续应力会使容器出现疲劳裂纹，主要危害是导致疲劳失效。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 应力进展分类的根本原那么是： l应力产生的缘由，是外载荷直接产生的还是在变形协调应力产生的缘由，是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的；过程中产生的；l应力的分布，是总体范围还是部分范围的，沿壁厚的分应力的分布，是总体范围还是部分范围的，沿壁厚的分布是均匀的还是线性的或非线性的；布是均匀的还是线性的或非线性的；l对失效的影响，即能否会呵斥构造过度的变形，及能否对失效的影响，即能否会呵斥构造过度的变形

49、，及能否导致疲劳、韧性失效。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；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。二次应力；峰值应力。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 一次应力P(Primary stress) l一次应力P也称根本应力，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添加而添加。l对于理想塑性资料，载荷到达极限形状时即使载荷不再添加，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

50、。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 一次应力P(Primary stress) 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，在到达极限形状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构造不延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。 第六章 压力容器设计技术进展6.

51、1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 一次应力P(Primary stress) 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：平板封头远离构造不延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，当两个外表的应力到达屈服强度时，内部资料仍处于弹性形状，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

52、法作强度校核。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 一次应力P(Primary stress) l一次部分薄膜应力PL (General local membrane stress) p由内压或其他机械载荷在构造不延续区产生的薄膜应力(一次的)和构造不延续效应产生的薄膜应力(二次的)的统称，从保守思索将此种应力划为一次部分薄膜应力。p圆筒中压力产生的薄膜应力远离不延续区的地方称一次总体薄膜应力(Pm)，在不延续区称为一次部分薄膜应力(PL)。p总体不延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，但从方便和稳妥思

53、索仍保守地视为一次性质应力。p永久性支座或接纳给予壳体的部分力与力矩而产生的薄膜应力也是一次部分薄膜应力。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 一次应力P(Primary stress) l一次部分薄膜应力PL (General local membrane stress) p“部分与“总体是按经线方向的作用区域来划分的，应力强度超越1.1的区域沿经线方向的延伸间隔小于1.0Rt，或者两个超越1.1的一次部分薄膜应力区在经线方向的间隔不小于2.5Rt，都是部分的，否那么划为总体的。此处R为壳体的第二曲率半径，t为壁厚；假设为两个相邻

54、壳体，那么R0.5(R1+R2)，t0.5(t1+t2)。p当构造部分发生塑性流动时，这类应力将重新分布。假设不加限制，那么当载荷从构造的某一部分(高应力区)传送到另一部分(低应力区)时，会引起过度的塑性变形而失效。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 二次应力Q (Secondary stress)l二次应力Q是指由相邻部件的约束或构造的本身约束所引起的法向应力或切应力，根本特征是具有自限性。l筒体与端盖的衔接部位存在“相邻部件的约束，厚壁容器内外壁存在温差时就构成“本身约束。二次应力不是由外载荷直接产生的，不是为平衡外载荷所必需

55、的，而是在受载时在变形协调中产生的。当约束部位发生部分的屈服和小量的塑性流动使变形得到协调，产生这种应力的缘由(变形差)便得到满足与缓和。亦即应力和变形也遭到构造本身的抑制而不开展，这就是自限性。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 峰值应力F (Peak stressl峰值应力F是由部分构造不延续和部分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部分性，因此不引起任何明显的变形。其有害性仅是能够引起疲劳裂纹或脆性断裂。l部分构造不延续是指几何外形或资料在很小区域内的不延续，只在很小范围内引起应力和

56、应变增大，即应力集中，但对构造总体应力分布和变形没有艰苦影响。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 峰值应力F (Peak stressl构造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，那么F (Kt-1) 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 l(1) 部位A 属远

57、离构造不延续的区域，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)。第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展 6.1.2 内容提要(3) 容器的应力分类 l (1) 部位A l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，部分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置，即按对Or线净弯矩等效的原那么作处置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。 第六章 压力容器设计技术进展6.1 压力容器设计进展