压力容器设计基础

主要内容1基于失效模式的设计理念2压力容器设计准则3容器设计的基本概念4常见结构的设计计算方法5分析设计一应力分类法1基于失效模式的设计理念1.1容器的失效1.2失效模式分类1.3我国标准考虑的失效模式1.4失效模式1.5失效判据1基于失效模式的设计理念压力容器的设计步骤针对失效模式的设计理念成为压力容器设计标准的发展方向。压力容器的一般设计步骤为：·确定容器最有可能发生的失效模式；·选择适当的失效判据和设计准则；·确定适用的设计规范标准；·按规范标准要求进行设计和校核。1.1容器的失效1）定义：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包括功能和设计寿命等的现象，称为压力容器失效。2）表现形式：破裂、过度变形、泄漏3）引起原因：工艺条件、载荷、介质1.2失效模式分类1）IS016528归为三大类、14种失效模式。第一大类：短期失效模式：第二大类：长期失效模式：第三大类：循环失效模式：2）《承压设备损伤模式识别》（GB/T30579－2014）第1类：腐蚀减薄（25种）第2类：环境开裂（13种）第3类：材质劣化（15种）第4类：机械损伤（11种）第5类：其他损伤（9种）1.3我国标准所考虑的失效模式1）GB150基于失效模式设计的考虑脆性断裂（Brittlefracture）韧性断裂（Ductilerupture）蠕变断裂（Creeprupture）接头泄露（Leakageatjoints）弹性或塑性失稳（Elasticorplasticinstability）2）JB/T4732基于失效模式设计的考虑脆性断裂（Brittlefracture）韧性断裂（Ductilerupture）螺变断裂（Creeprupture）疲劳（Patiguerupture）接头泄漏（Leakageatjoints）弹性或塑性失稳（Elasticorplasticinstability）1.4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。2）韧性断裂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。3）脆性断裂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。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。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）。6）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。7）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。8）多模式交互作用失效（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。（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。1.5失效判据失效判据一般不能直接用于压力容器的设计计算。（因为压力容器在材料、制造、检验、操作等环节中都存在许多不确定因素。这些不确定因素在失效判据中并未考虑进去）在实际的工程设计中，常在失效判据的基础上引入安全系数以考虑上述不确定因素对实际失效的影响，从而得到与失效判据相对应的设计准则。2压力容器设计准则失效准则（设计准则）·一个问题的两个方面，采用何种设计准则就是采用何种失效准则的问题。·一种设计上的共识，且经过实践验证的。·防止某一（几）种失效模式发生，不意味着符合某种失效准则时容器就破坏了。·针对具体的失效模式，选择不同的设计准则，是设计者应该掌握的技能。2.1弹性失效准则为防止容器总体部位发生屈服变形，将总体部位的最大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。1）规定屈服极限是容器失效的应力，考虑安全系数后，容器实际应力处在弹性范围内。2）主要着眼于限制容器中的最大薄膜应力或其他由机械载荷直接产生的弯曲应力及剪应力等。3）应用：常规设计方法准则，如，GB150、ASMEVII1－1：内压圆筒、凸形封头等元件设计。2.2塑性失效准则容器某处（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。Treaca屈服条件或Mises屈服条件1）外载荷＜极限载荷：结构塑性变形是局部、可控的；2）将极限载荷作为设计准则的判据加以限制，防止总体塑性变形，又称极限分析（设计）。如何求的极限载荷，是该准则的基础。3）准则应用：·JB4732、ASMEVffl－2；·GB150：平板、整体法兰（含按整体法兰设计的任意式法兰）连接的圆筒径部等元件设计或应力计算公式。4）适用范围：材料，载荷5）极限载荷设计原理的保守性·用矩形截面梁极限状态作为依据，梁只需要一个塑性铰即到达极限状态，而压力容器可近似看作多个矩形截面梁拼合而成，即需要多个塑性铰才能塑性失效。是偏安全的。极限载荷设计原理将板、壳看作由若干受拉弯作用下的矩形截面梁，材料为理想弹塑性；当拉伸为0时考察纯弯梁应力随M的变化：1）弹性阶段；2）当上下表面（ReL或Rp0.2）时，对应的最大弯矩：3）当继续增加载荷从弹性层减少，塑性层增加，直到整个截面屈服，此时不增加载荷截面梁变形也无限増大，即形成“塑性铰”，此时：“塑性铰”：梁某截面全部进入塑性状态后，该处曲率可以任意増大，称该点出现了一个塑性铰。此时M’即为极限载荷，对应的应力：2.3弹塑性失效设计准则1）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。2）只有当容器某一局部弹塑性区域内的塑性区中应力超过了由“安定性原理”确定的许用值（安定载荷）时才认为结构丧失了“安定性”而发生了弹塑性失效。3）安定性原理作为弹塑性失效的设计准则，亦称安定性准则。4）概念：·安定性一结构除在初始阶段少数几个载荷循环中产生一定的塑性变形外，在继续施加的循环外载荷作用下不再发生新的塑性变形，或者说不出现塑性疲劳或棘轮现象。此时结构处于安定状态。·棘轮现象：构件受机械载荷、热应力或二者同时作用的循环作用，产生递増的非弹性变形的现象。·安定载荷—安定与不安定的临界状态对应的载荷变化范围。5）与极限载荷的区别：载荷达到安定载荷时，只是损伤累积的开始，到达破坏还有缓慢的过程，因此对“安定”不加安全系数，只要施加的载荷小于安定载荷。2.4爆破失效设计准则1）非理想塑性材料屈服后还有增强的能力，对于厚壁容器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。2）以容器爆破作为失效状态，以爆破压力作为设计的判据加以限制，以防止发生爆破，这就是容器的爆破失效设计准则。3）应用：超高压容器设计。2.5疲劳失效设计准则1）定义：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。2）压力容器的疲劳属于高应变（即在屈服点以上的）低周次（循环次数小于105次）的疲劳失效，亦称“低周疲劳”。3）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Sa—N曲线。2.6失稳失效设计准则1）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。2）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。3）应用：GB150、JB4732外压容器设计。2.7其他失效设计准则脆性断裂失效设计准则1）即“防脆断失效设计准则”，按断裂力学概念，以造成容器低应力脆断的应力或裂纹尺寸作为临界状态的一种计算准则。2）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。3）准则应用：安全评定；寿命评估；蠕变失效设计准则1）定义：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，以保证高温容器在规定的使用期内不发生蠕变失效。2）应用：GB150JB4732不适用。例：Q245R、Q345R刚度失效设计准则1）为保证结构有足够的刚度，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。2）例：大型板式塔内大直径塔盘法兰设计泄漏失效设计准则：通过法兰设计方法和特殊密封结构的设计方法，结构要求以及对密封垫片和螺柱、螺母的要求，防止接头泄漏的发生。2.8失效准则的选择1）我国压力容器标准涵盖的失效准则标准GB150，JB/T4735JB4732设计准则弹性、失稳失效准则弹性、塑性、弹塑性、失稳、疲劳失效准则应力分析方法以材料力学、板壳理论为基础，引入应力增大系数和形状系数弹性力学、板壳理论公式；弹性有限元法；塑性分析；实验应力分析2）其他失效准则的应用（设计者需要考虑）·选材；·结构优化；·制造要求；·使用控制；例如：低温容器，“防脆断失效设计准则”高温容器，“蠕变失效准则”不锈钢制压力容器，“腐蚀失效准则”压力容器的设计准则发展·以上设计准则都是近代化工容器中已被采用的，除弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则和失稳失效设计准则在20世纪60年代以前就逐步成熟运用于容器的工程设计之外，弹塑性失效设计准则、疲劳失效设计准则、断裂失效设计准则以及蠕变失效设计准则均是这个年代及以后逐步出现并成熟起来的，反映出设计理论的进展与突破。·腐蚀失效所对应的设计准则比较复杂，它所涉及的不是一个独立的准则。各种不同的腐蚀失效形态所对应的设计准则是多种多样的，有些还没有相应的设