四川理工学院过程设备设计第4章(1)

CHAPTERⅣDesignofPressureVessel教学重点常规设计设计参数的确定密封设计等面积补强教学难点等面积补强应力分类第一节概述分析设计方法——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——弹性失效第四章压力容器设计设计要求设计文件设计条件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设计的基本知识设计要综合考虑材料、结构、许用应力、强度、制造、检验等环节。——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。——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。——选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。结构设计强（刚）度设计密封设计一．设计要求安全性和经济性的统一是设计压力容器的基本要求。当然前提是安全。二．设计文件1、设计图样2、技术条件3、强度计算书4、设计或安装、使用说明书5、应力分析报告(分析设计时)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“压力容器标准化技术委员会”评审鉴定，并在国家质量技术监督局锅炉压力容器安全监察局认证备案，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。强度计算书设计图样总图零部件图压力容器的设计总图上，至少应当注明下列内容：(1)压力容器名称、类别、建造所依据的主要法规、标准。(2)工作条件：如最高工作压力、工作温度、毒性程度和特殊的腐蚀条件等。(3)设计条件，包括设计温度、设计载荷（包含压力在内的所有应当考虑的载荷）、质（组分）、腐蚀裕量、焊接接头系数、自然基础条件等，对储存液化气体的储罐应注明装量系数；对有应力腐蚀倾向的材料应当注明腐蚀介质的限定含量；注明压力容器设计寿命。(4)主要受压元件材料牌号及材料要求。(5)主要特性参数（如压力容器容积、换热器换热面积与程数等）。(6)制造要求。(7)热处理要求。(8)无损检测要求。(9)耐压试验和泄漏试验要求。(10)防止腐蚀的要求。(11)安全附件的规格和订购特殊要求（工艺系统已考虑的除外）。(12)压力容器铭牌的位置。(13)包装、运输、现场组焊和安装要求。(14)下列情况下的特殊要求：1).夹套压力容器应当分别注明内容器和夹套内的试验压力，有特殊要求时应当注明允许的内外差值，以及试验步骤和试验的要求；2).装有触媒的压力容器和装有充填物的大型压力容器，应当注明使用过程中定期检验的技术要求；3).由于结构原因不能进行内部检验的，应当注明计算厚度、使用中定期检验和耐压试验的要求；4).对不能进行耐压试验的，应当注明计算厚度和制造及使用的特殊要求；5).对有耐热衬里的压力容器，应当注明防止受压元件超温的技术措施；6).对要求保温或保冷的压力容器，应当提出保温或保冷措施。•设计条件设计条件——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设计要求接管表等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。设计简图设计要求(一)操作参数（工作压力、工作温度范围、液位高度、接管载荷、设备附加载荷等）；(二)压力容器使用地及其自然条件，包括环境温度、风、地震和雪等；(三)介质特性；(四)预期使用寿命；(五)设备主要工艺操作过程：连续或间隙操作，压力温度有无波动等；(六)设备使用环境；(七)设计需要的其他必要条件。设计条件图一般容器条件图换热器条件图塔器条件图搅拌容器条件图注明换热管规格、管长、根数、排列形式、换热面积与程数等注明塔型（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、场地土类别等注明搅拌器形式、转速及转向、轴功率等失效形式失效判据（选择）设计准则（相应）设计是否合理（判别）第二节设计准则一、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)的工作能力的现象。失效的最终表现形式泄漏过度变形断裂(一)、压力容器失效形式：强度失效刚度失效失稳失效泄漏失效(1)、韧性断裂：压力容器在载荷的作用下，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。特征：断后有肉眼可见的宏观变形；没有碎片，或偶尔有碎片。厚度过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因1、强度失效—因材料屈服或断裂引起的压力容器失效操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等。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(2)、脆性断裂：变形量很小、且壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。又称为低应力脆断。特征：断裂时没有鼓胀，没有明显的塑性变形；断口平齐，断裂的速度极快，有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。1、强度断裂材料脆性和缺陷是引起压力容器脆性断裂的主要原因；焊接与热处理不当，低温、长期在高温下运行，应变时效也会使得材料脆化；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。脆性断裂原因需要指出，原材料或制造过程中产生的裂纹，会在交变载荷的反复作用下扩展而导致压力容器疲劳。当然，即使没有缺陷，也会导致压力容器疲劳，不过更高的循环次数后才会导致。压力容器在交变载荷作用下，经过一定周期后发生的断裂。(3)疲劳断裂交变载荷——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。疲劳破坏——包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。疲劳断口——裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源——往往位于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。扩展区的大小和形状取决于压力容器的压力状态、应力幅度及结构形状等因素。失效形式——“未爆先漏”，破坏需要有一定时间。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，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。从变形看—具有韧性断裂特征从应力看—具有脆性断裂特征蠕变断裂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韧性断裂特征／脆性断裂特征。腐蚀断裂2、刚度失效由于压力容器的变形大到足以影响其正常工作而引起的失效。如塔受风载荷，产生过大弯曲变形。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。交互失效——实际中可能同时发生多种形式的失效。压力容器最可能发生的失效形式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）(二)失效判据与设计准则1、失效判据：用于判断压力容器在某个状态下是否失效的一个值，就是失效判据。失效判据往往用实验手段测得。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失稳失效设计准则泄漏失效设计准则2、设计准则适用的设计标准压力容器设计时先确定最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二．强度失效设计准则常温、静载下，屈服和断裂是压力容器强度失效的两种主要形式。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（一）弹性失效设计准则弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。teqii=1,3,41、i=1最大拉应力理论t][12、i=3，Tresca屈服失效判据t][31最大切应力准则3、i=4，Mises屈服失效判据(形状改变比能屈服失效判据或第四强度理论)t][21213232221teqi][σ21323222143131eq121σeqeq弹性失效设计准则统一：塑性失效设计准则认为，只有当器壁整个厚度范围全部屈服时，容器才算失效。sosonppP：设计压力(二)塑性失效设计准则sopp理想弹塑性材料，内压厚壁圆筒p——设计压力——全屈服压力sopson——全屈服安全系数弹性失效设计准则塑性失效设计准则依据危险点的应力强度达到许用应力整个危险面屈服应用韧性材料各处应力分布均匀，如薄壁容器韧性材料应力分布不均匀，如厚壁圆筒弹性失效准则与塑性失效准则的对比(三)爆破失效设计准则bbnpp——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——容器爆破作为失效判据爆破失效设计准则：(四)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。与安定和不安定的临界状态所对应的载荷变化范围称为安定载荷。应用场合：适用于各种载荷不按同一比例递增、载荷大小反复变化的场合。容器内少量的局部塑性变形容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷安定状态残余应力场应力叠加后小于屈服点，保持弹性行为，无新塑性变形载荷反复作用时，不产生新的塑性变形，处于“安定”状态若容器所受的载荷较小初始屈服载荷——最大应力点进入塑性相对应的载荷。“安定”状态卸载时的残余应力超过屈服点导致反向屈服，或加载时的应力和残余应力之和大于屈服点导致塑性变形累积丧失安定载荷继续增大工程上:由于超过安定载荷后容器并不立即破坏，安定载荷的安全系数＝1.0，最大载荷变化范围安定载荷。安定载荷（五）疲劳失效设计准则1、我国“按规则设计”都是按照静载荷的条件来考虑的。按低周疲劳设计曲线确定容器的许用循环次数，只要所需的循环次数大于容器的许用循环次数，容器就会发生失效。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。（五）疲劳失效设计准则2、根据断裂力学理论建立的另一准则——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。(六)蠕变失效和应力松弛失效设计准则只要容器的应力超过蠕变极限和持久强度确定的许用应力，则容器就失效。这就是蠕变失效设计准则。如密封紧固件在拉伸应力状态其总应变量不变，在高温下弹性应变转化为塑性应变的过程，因而引起紧固件中弹性应力下降而导致密封失效的现象，则称为应力松弛。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属于断裂力学研究的范畴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防止容器发生脆性破坏：（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。（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。（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