第四章压力容器的设计

第四章压力容器的设计第一页，共五十页，2022年，8月28日1

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

过程设备设计第二页，共五十页，2022年，8月28日2过程设备设计分析设计方法——不同失效形式压力容器发展趋势大型化选用高强度材料高参数本章着重介绍压力容器的设计思想常规设计方法——弹性失效第三页，共五十页，2022年，8月28日34.1概述设计要求设计文件设计条件是设计的基本知识过程设备设计第四页，共五十页，2022年，8月28日4什么是压力容器设计？应综合考虑哪些因素？过程设备设计第五页，共五十页，2022年，8月28日5压力容器设计：根据给定的，遵循规定，在确保的前提下，经济、正确地，并进行结构、强（刚）度和密封设计。工艺设计条件现行的规范标准安全选择材料过程设备设计第六页，共五十页，2022年，8月28日6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——选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。过程设备设计第七页，共五十页，2022年，8月28日7设计要求设计文件设计条件过程设备设计第八页，共五十页，2022年，8月28日8过程设备设计4.1.1设计要求安全性指结构完整性和密封性。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。经济性包括材料的节约,高的效率,经济的制造过程,低的操作和维修费用等。

安全性与经济性的统一第九页，共五十页，2022年，8月28日9过程设备设计4.1.2设计文件设计文件：设计图样、技术条件、强度计算书，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第十页，共五十页，2022年，8月28日10

★包括设计条件、所用规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚度、计算应力等。

★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。过程设备设计强度计算书:第十一页，共五十页，2022年，8月28日11过程设备设计包括压力容器名称、类别；设计条件；必要时应注明压力容器使用年限；主要受压元件材料牌号及材料要求；主要特性参数（如容积、换热器换热面积与程数等）；制造要求；热处理要求；防腐蚀要求；无损检测要求；耐压试验和气密性试验要求；安全附件的规格；压力容器铭牌的位置；包装、运输、现场组焊和安装要求；以及其它特殊要求。设计图样总图零部件图总图第十二页，共五十页，2022年，8月28日12过程设备设计4.1.3设计条件设计的已知条件设计条件——常用设计条件图表示。工艺设计条件设计条件图原始数据工艺要求简图用户要求接管表等简图——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。设计第十三页，共五十页，2022年，8月28日13过程设备设计用户要求包括：（1）工作介质:介质学名或分子式、主要组分、比重及危害性等；（2）压力和温度:工作压力、工作温度、环境温度等；（3）操作方式与要求:注明连续操作或间隙操作，以及压力、温度是否稳定；对压力、温度有波动时，应注明变动频率及变化范围；对开、停车频繁的容器应注明每年的开车、停车次数；（4）其它:还应注明容积、材料、腐蚀速率、设计寿命、是否带安全装置、是否保温等。第十四页，共五十页，2022年，8月28日14过程设备设计设计条件图搅拌容器条件图塔器条件图换热器条件图一般容器条件图应注明换热管规格、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。第十五页，共五十页，2022年，8月28日15过程设备设计4.1.4设计的基本步骤1.物料衡算：2.热量衡算：3.设备的类型选择：4.设备工艺尺寸确定：5.设备部件的受力分析：6.材料的选择：7.设备初步设计：8.施工图设计：9.设备附件的选择：10.安全附件的配用：10.制造、验收与装配的技术条件：第十六页，共五十页，2022年，8月28日16过程设备设计失效形式失效判据（选择）设计准则（相应）设计是否合理（判别）4.2设计准则第十七页，共五十页，2022年，8月28日17过程设备设计4.2.1压力容器失效失效—压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象。失效表现形式—

失效原因—多种多样泄漏过度变形断裂第十八页，共五十页，2022年，8月28日18过程设备设计一、压力容器失效形式（1）强度失效（2）刚度失效（3）失稳失效（4）泄漏失效失效形式(一)、压力容器基本失效形式第十九页，共五十页，2022年，8月28日19过程设备设计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）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。第二十页，共五十页，2022年，8月28日20过程设备设计特征原因断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长伸长率可达10～20%，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。壁厚过薄和内压过高壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等。第二十一页，共五十页，2022年，8月28日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韧性断裂可以避免过程设备设计4.2设计准则第二十二页，共五十页，2022年，8月28日22过程设备设计断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比韧性断裂严重得多。特征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，故又称为低应力脆断。第二十三页，共五十页，2022年，8月28日23过程设备设计脆性断裂原因材料脆性和缺陷。a.材料选用不当、焊接与热处理不当使材料脆化；低温、长期在高温下运行、应变时效等也会使材料脆化；b.压力容器用钢一般韧性较好，但若存在严重的原始缺陷（如原材料的夹渣、分层、折叠等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂纹等）或使用中产生的缺陷，也会导致脆性断裂发生。

第二十四页，共五十页，2022年，8月28日24过程设备设计交变载荷—指大小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷。包括—压力波动、开车停车；加热或冷却时温度变化引起的热应力变化；振动或容器接管引起的附加载荷的交变而形成的交变载荷。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。c.疲劳断裂—在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程。第二十五页，共五十页，2022年，8月28日25过程设备设计失效形式——“未爆先漏”，破坏需要有一定时间。疲劳破坏—包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。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。瞬时断裂区——裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。疲劳断口—裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。第二十六页，共五十页，2022年，8月28日26过程设备设计特征:疲劳断裂时容器的总体应力值较低，断裂往往在容器正常工作条件下发生，没有明显征兆，是突发性破坏，接近脆断，危险性很大。第二十七页，共五十页，2022年，8月28日27过程设备设计从变形看—具有韧性断裂特征从应力看—具有脆性断裂特征d.蠕变断裂—压力容器在高温下长期受载，随时间的增加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。第二十八页，共五十页，2022年，8月28日28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过程设备设计e.腐蚀断裂——韧性断裂特征／脆性断裂特征。第二十九页，共五十页，2022年，8月28日29过程设备设计（2）刚度失效——由于构件过度的弹性变形引起的失效。

（3）失稳失效——在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。

（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。危害:可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，造成环境污染等。第三十页，共五十页，2022年，8月28日30交互失效——多种因素作用下同时发生多种形式的失效。过程设备设计(二)、交互失效形式例如：→腐蚀疲劳腐蚀介质交变应力→蠕变疲劳高温交变应力第三十一页，共五十页，2022年，8月28日31过程设备设计压力容器最可能发生的失效形式二、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）确定力学响应的限制值以判断压力容器能否安全使用是否获得满意的使用效果（根据）第三十二页，共五十页，2022年，8月28日32过程设备设计(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。（2）设计准则——根据失效判据，再考虑各种不确定因素，引入安全系数，得到与失效判据相对应的设计准则。分类强度失效设计准则刚度失效设计准则稳定失效设计准则泄漏失效设计准则第三十三页，共五十页，2022年，8月28日33适用的设计标准压力容器设计时先确定最有可能的失效形式选择合适的失效叛据和设计准则确定进行设计、校核再按照标准要求过程设备设计第三十四页，共五十页，2022年，8月28日34

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）常用的强度失效设计准则：弹性失效设计准则塑性失效设计准则爆破失效设计准则弹塑性失效设计准则疲劳失效设计准则蠕变失效设计准则脆性断裂失效设计准则过程设备设计第三十五页，共五十页，2022年，8月28日35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——最大拉应力准则失效判据的数学表达试相应的设计准则最大拉应力准则—屈服应力—许用应力—最大拉应力（4-3）过程设备设计式中:第三十六页，共五十页，2022年，8月28日36过程设备设计

2、任意应力状态（1）最大切应力准则屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判据任意应力状态（4-4）（最大切应力屈服失效判据）第三强度理论第三十七页，共五十页，2022年，8月28日37过程设备设计任意应力状态（4-5）

（2）形状改变比能准则形状改变比能失效判据：第四强度理论：第三十八页，共五十页，2022年，8月28日38过程设备设计3、应力强度或相当应力弹性失效设计准则统一：第三十九页，共五十页，2022年，8月28日39过程设备设计1、弹性失效准则与塑性失效准则的对比二、塑性失效设计准则第四十页，共五十页，2022年，8月28日40过程设备设计2、塑性失效设计准则——理想弹塑性材料，内压厚壁圆筒（4-6）（4-7）

——设计压力——全屈服压力——全屈服安全系数第四十一页，共五十页，2022年，8月28日41过程设备设计——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（4-8）三、爆破失效设计准则——容器爆破作为失效判据爆破失效设计准则：——爆破压力——爆破安全系数第四十二页，共五十页，2022年，8月28日42过程设备设计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——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第四十三页，共五十页，2022年，8月28日43过程设备设计

——容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷少量的局部塑性变形残余应力场若容器所受的载荷较小应力叠加后小于屈服点保持弹性行为无新塑性变形“安定”状态。载荷继续增大反向屈服，或塑性变形累积丧失安定渐增塑性变形“不安定”状态。安定载荷——安定和不安定的临界状态相对应的载荷变化范围。工程上:由于超过安定载荷后容器并不立即破坏，危险性较小，安定载荷的安全系数＝1.0，最大载荷变化范围<安定载荷。安定状态第四十四页，共五十页，2022年，8月28日44过程设备设计低周疲劳——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、疲劳失效设计准则第四十五页，共五十页，2022年，8月28日45过程设备设计脆性断裂——属于断裂力学的研究范围，认为材料中存在缺陷，研究缺陷在载荷和环境作用下的破坏规律。断裂力学应用——（1）指导压力容器的选材和设计（2）在役压力容器的安全评定六、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。七、脆性断裂失效设计准则第四十六页，共五十页，2022年，8