压力容器强度结构与应力分析

1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压力容器强度结构与应力分析2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压力容器强度结构与应力分析3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”。两种最基本的失效模式韧性破坏脆性破坏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：4(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5(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6(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7(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8(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9(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10(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112．容器的脆性爆破过程现象：低应力，体积变形很小，无明显塑性变形原因：1）材料很脆，2）有严重缺陷危害：无征兆、很多产生碎片、带来灾难性后果第一节压力容器设计技术概述122．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132．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142．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15一、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16一、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”(Plasticcollapse)，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17一、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18一、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,LeakBeforeBreak)，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)19一、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20一、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：①全面腐蚀(亦称均匀腐蚀)；②局部腐蚀；③集中腐蚀(即点腐蚀)；④晶间腐蚀；⑤应力腐蚀；⑥缝隙腐蚀；⑦氢腐蚀；⑧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21一、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22一、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23一、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24一、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25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压力容器设计技术进展26二、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27二、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28二、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29二、化工容器的设计准则发展(4)弹塑性失效设计准则如果