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1、1,第 四 章压力容器设计CHAPTER Design of Pressure Vessel,2,4.1 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,3,过程设备设计,4,4.1 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,5,什么是压力容器设计？应综合考虑哪些因素？,过程设备设计,6,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,7,结构设计确定合理、经济的结构形式，满足
2、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,8,设计要求设计文件设计条件,过程设备设计,9,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一,10,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
3、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,11,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:,12,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
4、、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,13,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,14,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
5、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。,15,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。,16,过程设备设计,4.1.4
6、 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：,17,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,18,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,19,过程设备设
7、计,一、压力容器失效形式,(一)、压力容器基本失效形式,20,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。,21,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1020%，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
8、、化学反应失控等。,22,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,23,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。,24,过程设备设计,脆性断裂原因,材料脆性和缺陷。,
9、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。,25,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
10、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。,26,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。,27,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。,28,过程设备设计,从变形看 具有韧性断裂特征
11、,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。,29,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。,30,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。,31,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
12、)、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,32,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）,33,过程设备设计,34,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,35,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
13、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,36,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:,37,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,38,过程设备设计,任意应力状态,（4-5）,（2）形状改变比能准则
14、,形状改变比能失效判据：,第四强度理论：,39,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：,40,过程设备设计,41,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）,全屈服安全系数,42,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：,43,过程设备设计,44,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
15、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,45,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
16、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,46,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,47,过程设备设计,防止容器发生脆性破坏措施：（1）材料根据受压元件的厚度、应力水平、最低金属 温度、载荷性质、介质对材料韧性的影响等 因素，提出材料夏比V缺口冲击功或断裂韧性 验收指标。（2）缺陷尽量减少焊接接头；提高无损检测技术
17、。（3）设计由无损检测水平假设高应力区存在裂纹 利用断裂方法裂纹安全性评估确保容器 不发生低应力脆性破坏。,48,过程设备设计,（1）破损安全设计假设裂纹存在时，结构还能承受 工作载荷容器裂纹容限问题。（2）先漏后爆设计材料具有足够韧性，快速断裂前，裂纹已穿透壁厚，导致泄漏发生，可避免突发快速断裂，减少损失。,脆性断裂失效设计准则,说明：假设裂纹，真实裂纹（漏检或在使用中产生）,49,过程设备设计,4.2.3 刚度失效设计准则,在载荷作用下，要求构件的,50,过程设备设计,4.2.4 稳定失效设计准则防止失稳发生 周向失稳 轴向失稳 局部失稳4.2.5 泄漏失效设计准则密封装置的介质泄漏率不得超过许用泄漏率,失效判据：,设计准则：,
