压力容器强度、结构与应力课件.ppt

压力容器强度、结构与应力,压力容器检验师培训,2,第一节 压力容器设计技术概述第二节 压力容器常规设计技术第三节 压力容器应力分析设计第四节 压力容器的疲劳及高温蠕变,压力容器强度、结构与应力分析,压力容器检验师培训,3,第一节 压力容器设计技术概述 一、压力容器的失效模式 二、压力容器设计准则的发展 三、压力容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的应用,压力容器强度、结构与应力分析,压力容器检验师培训,4,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,5,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,6,第一节 压力容器设计技术概述,一、容器的失效模式容器设计的核心问题是安全。压力容器设计技术的近代进展时基本的出发点也是安全。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”。,随着技术的发展，遇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：,压力容器检验师培训,7,(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(CD段),第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,8,(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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,9,(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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,10,(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，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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,11,(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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,12,(一)容器的超压爆破过程 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 压力容器设计技术概述,爆破压力,压力容器检验师培训,13,(一)容器的超压爆破过程,韧性破坏-照片,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,14,2容器的脆性爆破过程,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,15,2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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,16,2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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,17,2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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,18,一、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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,19,一、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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,20,一、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区较脆，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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,21,一、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 压力容器设计技术概述,疲劳辉纹(3000),压力容器检验师培训,22,一、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不同。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。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。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)。,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,23,一、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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,24,一、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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,25,一、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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,26,一、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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,27,一、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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,28,第一节 压力容器设计技术概述 一、压力容器的失效模式 二、压力容器设计准则的发展 三、压力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,压力容器检验师培训,29,二、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效。这是最传统的设计方法，是现今容器设计首先应遵循的准则。,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,30,二、化工容器的设计准则发展(2)塑性失效设计准则 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，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。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。“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的基础。,第一节 压力容器设计技术概述,Treaca屈服条件或Mises屈服条件,压力容器检验师培训,31,二、化工容器的设计准则发展(3)爆破失效设计准则 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。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。高压容器中所介绍的Faupel公式就是这一准则的体现。,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,32,二、化工容器的设计准则发展(4)弹塑性失效设计准则 如果容器的某一局部区域，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。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。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。,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,33,二、化工容器的设计准则发展(5)疲劳失效设计准则 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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,34,二、化工容器的设计准则发展(6)断裂失效设计准则 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。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。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。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,35,二、化工容器的设计准则发展(7)蠕变失效设计准则 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 压力容器设计技术概述,(8)失稳失效设计准则 外压容器的失稳皱折需按照稳定性理论进行稳定性校核，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。,压力容器检验师培训,36,二、化工容器的设计准则发展(9)刚度失效设计准则 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。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。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,37,第一节 压力容器设计技术概述 一、压力容器的失效模式 二、压力容器设计准则的发展 三、压力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,压力容器检验师培训,38,三、容器设计规范的主要进展(一)分析设计规范的出现和应用 大型高参数及高强材料的容器如何设计得更安全而又合理，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。ASME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。1965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。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)。,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,39,三、容器设计规范的主要进展(一)分析设计规范的出现和应用 1968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，第二册(ASME2)即为“分析设计”规范(Design by Analysis)。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。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。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“压力容器的应力分析和疲劳分析”。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,40,三、容器设计规范的主要进展(二)疲劳设计规范的制订 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”。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,41,三、容器设计规范的主要进展(三)防脆断设计规范的建立 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。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行安全评定的内容。,第一节 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,42,三、容器设计规范的主要进展(四)高温容器蠕变设计的发展 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。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。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,43,三、容器设计规范的主要进展(五)欧盟EN13445标准的问世 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响。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。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,44,三、容器设计规范的主要进展(五)欧盟EN13445标准的问世 EN13445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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,45,第一节 压力容器设计技术概述 一、压力容器的失效模式 二、压力容器设计准则的发展 三、压力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,压力容器检验师培训,46,四、近代设计方法的应用(一)数值分析法 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。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。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，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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,47,四、近代设计方法的应用(二)计算机辅助设计 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)。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。还可由计算机完成绘图工作，大大提高设计工作的效率。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,48,四、近代设计方法的应用(三)优化设计与专家系统 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：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；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；结构性能参数，如成本、利润、重量、容积、效率、功率或精度等，这些是设计追求优化的目标，因而称为目标函数。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,49,四、近代设计方法的应用(三)优化设计与专家系统 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。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。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 压力容器设计技术概述,压力容器检验师培训,50,第一节 压力容器设计技术概述第二节 压力容器常规设计技术第三节 压力容器应力分析设计第四节 压力容器的疲劳及高温蠕变,压力容器强度、结构及应力分析,压力容器检验师培训,51,第二节 压力容器常规设计技术,一、压力容器强度计算概述二、压力容器强度校核三、压力容器的结构概述,压力容器检验师培训,52,压力容器强度计算概述设计压力范围,一、常用设计规范及适用的压力范围GB1501998钢制压力容器，弹性失效准则，第一强度理论。设计压力P：0.135 MPa；真空度：0.02 MPa JB473295钢制压力容器-分析设计标准，弹塑性失效准则，第三强度理论。设计压力P：0.1100 MPa；真空度：0.02 MPa 疲劳载荷；高温蠕变 因为容规的监察范围是以最高工作压力定义，而容器的分类以设计压力分类，故假设有一个设计压力1MPa而最大工作压力0.08的容器，则不受容规监察。GB1511999管壳式换热器 设计压力P：0.135 MPa；真空度：0.02 MPaGB123371998钢制球形储罐 设计压力：P4MPa；公称容积：V50M3,压力容器检验师培训,53,压力容器强度计算概述设计载荷,二、设计时应考虑的载荷GB1501998钢制压力容器：（1）内压、外压或最大压差；（2）液体静压力(5%P)；需要时，还应考虑以下载荷（3）容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料 的重力载荷；（4）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；（5）风载荷、地震力、雪载荷；（6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；（7）连接管道和其他部件的作用力；（8）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；（9）包括压力急剧波动的冲击载荷；（10）冲击反力,如流体冲击引起的反力等；（11）运输或吊装时的作用力。,压力容器检验师培训,54,压力容器强度计算概述术语压力,三、重要名词术语1、压力（除注明者外，压力均为表压力）（1）工作压力Pw：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。（2）设计压力P：指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。（3）计算压力PC：指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。（4）试验压力PT：在压力试验时，容器顶部的压力。,压力容器检验师培训,55,压力容器强度计算概述术语压力,1、压力（除注明者外，压力均为表压力）（5）最大允许工作压力Pw：指在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力。该压力是根据容器壳体的有效厚度计算所得，且取最小值。最大允许工作压力可作为确定保护容器的安全泄放装置动作压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。（6）安全阀的开启压力PZ：安全阀阀瓣开始离开阀座，介质呈连续排出状态时，在安全阀进口测得的压力。介于容器最大工作压力和设计压力之间。（7）爆破片的标定爆破压力Pb：爆破片铭牌上标明的爆破压力。1.0-1.1,压力容器检验师培训,56,压力容器强度计算概述设计压力选取,压力容器检验师培训,57,压力容器强度计算概述术语温度,2、温度（1）温度 金属温度：容器元件沿截面厚度的温度平均值。工作温度：容器在正常工作情况下介质温度。（2）最高、最低工作温度：容器在正常工作情况下可能出现介质最高、最低温度。（3）设计温度：容器在正常工作情况，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为压力容器的设计载荷条件。（4）试验温度：系指压力试验时容器壳体的金属温度。,压力容器检验师培训,58,压力容器强度计算概述术语厚度,3、厚度（1）计算厚度：由计算压力计算（设计压力加静压力）得到，容器受压元件为满足强度及稳定性要求，按相应公式计算得到的不包括厚度附加量的厚度。（2）设计厚度d：计算厚度与腐蚀裕量之和。（3）名义厚度n（即图样标注厚度）：设计厚度加上钢材厚度负偏差后，向上圆整至钢材（钢板或钢管）标准规格的厚度。（4）有效厚度e：名义厚度减去厚度附加量（腐蚀裕量与钢材厚度负偏差之和）。（5）最小实测厚度：实际测量的容器壳体厚度的最小值。厚度校核时如果局部减薄用检规的G0校核，如果均匀减薄，则需要考虑腐蚀余量后校核。（6）厚度附加量：设计容器受压元件时所必须考虑的附加厚度，包括钢板（或钢管）厚度负偏差C1及腐蚀裕量C2。注意：容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度min：对碳素钢、低合金钢，不小于3mm 对高合金钢，不小于2mm,压力容器检验师培训,59,压力容器强度计算概述失效准则、强度理论,四、失效准则:容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆破，因此容器强度失效准则有三种观点：（1）弹性失效常规设计（GB150等）弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。材料的拉伸曲线，弹性、塑性、屈服、屈服硬化阶段。（2）塑性失效分析设计（JB4732）塑性失效准则将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。（3）爆破失效高压、超高压设计,国内没有设计准则，国外ASME 有 爆破失效准则认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限。*用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。对特定参数的容器，按照弹性准则设计的容器需要的壁厚最大,压力容器检验师培训,60,压力容器强度计算概述失效准则、强度理论,五、强度理论：第一强度理论（最大主应力理论）常规设计（GB150等）这个理论也叫做“最大正应力理论”，该理论假定材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力，就是说，材料不论在什么复杂的应力状态下，只要三个主应力中有一个达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时，材料就要发生破坏。适合脆性材料。适合常规设计。对容器来说，1为环向，2为轴向，3对薄壁的为0。第二强度理论（最大变形理论）这个理论也称为“最大线应变理论”，它认为材料的破坏取决于最大线应变，即最大相对伸长或缩短。适合脆性材料。目前应用较少。第三强度理论（最大剪应力理论）分析设计（JB4732）此即“最大剪应力理论”。该理论认为，无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。目前应用较多。第四强度理论（剪切变形能理论）该理论也称作“形状改变比能理论”认为材料的破坏取决于变形比能，把材料的破坏归结为应力与变形的综合。*用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系式。,压力容器检验师培训,61,压力容器强度计算概述计算公式筒体,六、计算公式1.内压圆筒体计算公式2.内压球壳计算公式注意：1、公式中各参数的含义、单位制、确定原则及注意事项。2、d=+C2（设计厚度计算厚度腐蚀裕量）n=+C2+C1+(圆整)（名义厚度）e=+（有效厚度）,压力容器检验师培训,62,压力容器强度计算概述计算公式筒体,压力容器检验师培训,63,过程设备设计,应力求解,圆周平衡：,静定,图2-2,轴向平衡：,=,=,压力容器检验师培训,64,无力矩理论,拉普拉斯方程。,压力容器检验师培训,65,区域平衡方程,无力矩理论的两个基本方程,微元平衡方程区域平衡方程,从而得到各种回转薄壳的薄膜应力,压力容器检验师培训,66,压力容器强度计算概述计算公式封头,压力容器检验师培训,67,压力容器强度计算概述计算公式封头,压力容器检验师培训,68,压力容器强度校核校核公式,一、校核公式1.内压圆筒体按壁厚校核 测2.内压圆筒体按压力校核 P,压力容器检验师培训,69,压力容器强度校核校核参数选取（1）,二、校核参数的选取（1）原则：腐蚀裕量=腐蚀速率（mm/年）至下一个检验周期的年数 实际：用减薄量估算（2）压力Pc：取容器实际最高工作压力；装有安全泄放装置取:安全阀开启压力或爆破片爆破压力；盛装液化气体容器取原设计压力。注意温度、组分 当容器的液柱静压力5%Pc,要计入液柱静压力（球形储罐均要计入液柱静压力）。（3）温度：温度主要用来确定材料许用应力，强度校核温度一般取实际最高壁温，当无准确壁温值时，取容器的实际最高工作温度（热介质的最高工作温度），低温压力容器，取常温（20）值。（4）许用应力，GB150屈服1.6，抗拉3.0安全系数。如16MnR抗拉510MPa/3.0=170(许用应力）（见GB150），对屈服345/1.6216，故按照保守，取170许用应力。从理论上来说，耐压取1.25的系数，而实际屈服安全系数1.6，故不会塑性变形，但是仍然需要校核水压薄膜应力，主要是1.25后边有个温度因子。压力容器的材料牌号明确的，直接按相应材料牌号选取许用应力，当材料牌号不明确，可按压力容器同类材料的最低标准值选取，如不能满足强度要求时，则进行材料化验、硬度测定确定强度等级，选取许用应力值。选取许用应力值时取最高工作温度或壁温下的许用应力；液化气储罐，取设计温度下的许用应力；低温容器取20下的许用应力。,压力容器检验师培训,70,压力容器强度校核校核参数选取（2）,二、校核参数的选取（5）直径：内直径按实测最大值选取。（6）焊接接头系数 焊接接头系数根据焊接接头的实际结构形式和无损检测比例，按照有关标准选取。对焊接接头形式不清，又无出厂资料可取=0.6，不能满足强度条件时，可采用X射线或超声波探伤，确认焊接接头实际结构形式和焊接接头内在质量后确定焊接接头系数。如进行局部抽查合格按局部探伤选焊接接头系数，如进行100探伤合格，可按100探伤选取焊接接头系数。对远离焊接接头母材的局部腐蚀，用最小实测壁厚验算母材应力水平时，焊接接头系数可取1。三、例题必须会进行强度校核,压力容器检验师培训,71,压力容器强度校核压力试验应力校核,压力容器检验师培训,72,（3）夹套容器对于带夹套的容器，应在图样上分别注明内筒和夹套的试验压力。当内筒设计压力为正值时，按内压确定试验压力。当内筒设计压力为负值时，按外压进行液压试验。在内筒液压试验合格后，再焊接夹套。并对夹套进行压力试验，在确定了试验压力后，必须校核内筒在该试验外压力作用下的稳定性。如果不能满足稳定要求，则应规定在作夹套的液压试验时，必须同时在内筒保持一定压力，以使整个试验过程（包括升压、保压和卸压）中的任一时间内，夹套和内筒的压力差不超过设计压差。图样上应注明这一要求，以及试验压力和允许压差。（4）对立式容器卧置进行液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力加液柱静压力。,压力容器强度校核压力试验应力校核,压力容器检验师培训,73,压力容器强度校核压力试验应力校核,压力容器检验师培训,74,压力容器强度校核压力试验应力校核,压力容器检验师培训,75,压力容器结构概述,压力容器一般是由筒体（又称壳体）、封头（又称端盖）、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。它们统称为过程设备零部件，这些零部件大都有标准。其典型过程设备有换热器、反应器、分离容器、储存容器等。压力容器的结构形状主要有圆筒形、球形、组合形。圆筒形容器是由圆柱形筒体和各种成型封头（半球形、椭圆形、碟形、锥形）所组成。球形容器由数块球瓣板拼焊成。承压能力很好，但由于安置内件不便和制造稍难，故一般用作贮罐。压力容器的筒体、封头（端盖）、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、膨胀节、开孔补强圈、设备法兰；球罐的球壳板；换热器的管板和换热管；M36以上的主螺栓及公称直径大于250mm的接管和管法兰均作为主要受压元件。人造水晶釜约140MPa，根据受力，径向力为0卷板（120mm以下）-包扎；锻焊（340mm）整体锻造缠绕（1000MPa),缠绕的缺点在于轴向力不能约束，只能约束周向力。,压力容器检验师培