清华大学过程设备专业压力容器设计课件.ppt

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1、第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第二节 化工容器的应力分析设计,压力容器设计技术进展,第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、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,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,压力容器的发展简要回顾,James Watt (1736-1819),第一节 近代化工容器设计技术进展概述,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,一、容器的失效模式 容器设计的核心问题是安全。 化工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

2、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：,(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

3、)屈服阶段(AB段) (C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段),第一节 近代化工容器设计技术进展概述,(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 近代化工容器设计技术进展概述,(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

4、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 近代化工容器设计技术进展概述,(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

5、，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 近代化工容器设计技术进展概述,(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 近代化工容器设计技术进展概述,(一) 容器的超压爆破过程 C点的内压力为爆破压力，正

6、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 近代化工容器设计技术进展概述,爆破压力,(一) 容器的超压爆破过程 A点是开始屈服的压力，B点是容器进入屈服的压力。容器屈服压力指B点对应的压力整体屈服压力。 从实验爆破曲线上判定A点及B点很困难。ASME1实验应力分析给出确定容器屈服压力的方法，按弹性线(OA)斜

7、率增大一倍画一条通过坐标原点的斜线，与爆破曲线拐弯处的交点，即为屈服压力(整体屈服压力)。简称为二倍斜率法，工程上很有用。,(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),整体屈服压力,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,(一) 容器的超压爆破过程,韧性破坏-照片,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,2容器的脆性爆破过程,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,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

8、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 近代化工容器设计技术进展概述,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 近代化工容器设计技术进展概述,2容器的脆性爆破过程 脆性爆破

9、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 近代化工容器设计技术进展概述,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，

10、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

11、引起灾难性的后果。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,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 近代化工容器设计技术进展概述,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

12、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

13、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

14、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

15、压力(风载、地震载荷)作用下也会皱折而引起倒塌。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,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 近代化工容器设计技术进展概述,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

16、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

17、又有疲劳断口光整的特点。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、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,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，也正是本书前面各章所介绍的方法，这仍然是现今容器设计首先应遵循的准则。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,二、化工容器的设计准则发展 (2) 塑性失效设计准则

18、 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 近代化工容器设计技术进展概述,Treaca屈服条件或 Mises屈服条件,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

19、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。高压容器章所介绍的Faupel公式就是这一准则的体现。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,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

20、”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。本章第二节将具体介绍这一准则。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,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 近代化工容器设计技术进展概述,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

21、)，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 近代化工容器设计技术进展概述,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

22、(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 近代化工容器设计技术进展概述,(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。,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

23、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 近代化工容器设计技术进展概述,二、化工容器的设计准则发展 (10) 泄漏失效设计准则 法兰的密封设计及转轴密封设计中合理的设计方法应限制介质的泄漏率不得超过允许的泄漏率。 由于介质的泄漏率与结构设计、密封材料的性能和紧固件所施加的载荷密切有关，非常复杂，所以泄漏失效设计准则很难建立。 大多数国家的设计规范中尚未采用。但欧盟承压设备规范中已在大量研究与试验的基础上建立了泄漏失效的设计准则与方法。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,二、化工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

24、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计准则。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、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

25、设计技术进展,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

26、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

27、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

28、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

29、纹缺陷进行安全评定的内容。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,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 近代化工容器设计技术进展概述,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)

30、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

31、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 近代化工容器设计技术进展概述,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： (1) EN13445-1 总则，介绍标准应用的主要基本原理，并提出适用于标准的一些定义、物理量、符号以及单位。在这一部分中还要求制造厂商编制完备的设计说明书和相

32、关技术文件。 (2) EN13445-2 材料，详细说明了标准支持的用于非直接接触火焰压力容器的金属材料种类以及材料的选择、审查、检测和标志。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： (3) EN13445-3 设计，提供了内、外压容器和承压元件的设计原理与计算方法。主要包括各种形状的壳体、矩形截面容器、换热器管板以及开孔补强等的设计方法。同时也给出受局部载荷或非压力载荷作用下容器各个部件的设计方法。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主

33、要内容标准共分七篇： (4) EN13445-4 制造，详细说明了各个部件制造过程中的要求，即材料的制造和分包，加工过程中监测、加工公差、焊接要求、成形加工要求、产品试验、热处理、修理和最后完成的工序等。这一部分的要求不适用采用分析设计直接法的压力容器。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： (5) EN13445-5 检测与试验，按照该标准对压力容器的要求，介绍了各种检测和试验程序，其中包括对设计资料和技术文件的审查。无损检测是这一部分的主要内容，包括检测文件、材料跟踪报告、焊缝两侧的修整以及焊缝检测程

34、序等。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： (6) EN13445-6 球墨铸铁材料压力容器及部件的设计、制造要求，指出了球墨铸铁压力容器的设计与检测方法的特殊要求，如最大许用压力、壁厚和无损检测、外观检测等都需要有其专门的规定。 (7) EN13445-7 标准使用指南，按照该指南的方法，使EN13445的评估模式、危险性指标和容器分类都符合PED的安全性要求。 (Pressure Equipment Directive 97/23/EC, PED) 承压设备法令,第一节 近代化工容器设计技术进展概述

35、,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： EN13445的诞生使世界上有了一套全新的压力容器标准，它的本意是为了具体体现欧盟承压设备法令对于压力容器的基本安全要求，破除欧盟各成员国因压力容器标准的不同而形成的贸易壁垒，促进压力容器设备在欧盟范围内的自由贸易及安全运行，同时避免不必要的重复认证和检验而造成的浪费。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： 它的许多创新成果对于我国压力容器技术发展和标准制定都有重要的参考价值，比如它在分析设计方面的直接法、在开孔补

36、强方面的压力面积法、在疲劳设计方面的简单疲劳寿命评定法及正在完善中的高温 (蠕变)设计、试验设计方法等等，都是值得我们借鉴的，它的疲劳设计也在进一步的发展中。 。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、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,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

37、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

38、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

39、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 近代化工容器设计技术进展概述,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

40、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 近代化工容器设计技术进展概述,第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第二节 化工容器的应力分析设计,压力容器设计技术进展,第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计方法概述 二、容器的应力分类 三、分析设计法对各类应力强度的限制 四、应力分析设计的程序及应用,压力容器设计技术进

41、展,一、分析设计法概述 以上各章所述的容器设计方法都基于弹性失效设计准则，将容器中最大应力限制在弹性范围内可保证安全。这种“规则设计”方法对设计的容器基本上是安全的，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。这种方法仍是现今设计规范的主流。 但应当看到，这种设计方法对容器中的某些应力，例如结构不连续应力，开孔接管部位的集中应力等并不逐一进行强度校核，特别是当载荷(压力或温度)有交变可能引起结构的疲劳失效时也未对这些应力进行安全性校核。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 随着技术的发展，核容器和大型化的高参数化工容器的广泛使用，工程师们逐步

42、认识到各种不同的应力对容器的失效有不同的影响。 应从产生应力的原因、作用的部位及对失效的影响几方面将容器中的应力进行合理的分类，形成了“应力分类”的概念和相应的工程设计方法。 按不同类别的应力可能引起的失效模式建立起弹性失效、塑性失效、弹塑性失效及疲劳失效的设计与校核方法，并给出不同的应力限制条件。这就是应力分析设计的总体思想。 这套方法的基础首先要对容器中关键部位逐一进行应力分析，然后才能进行应力分类。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (1) 由压力载荷引起的应力 由内外介质均布压力载荷在回转壳体中产生的应力。可依靠外载荷与内力的平衡关系求解。在薄

43、壁壳体中这种应力即为沿壁厚均匀分布的薄膜应力，并在容器的总体范围内存在。,第二节 化工容器的应力分析设计,厚壁容器中的应力是沿壁厚呈非线性分布状态，可以分解为均布分量和非均布分量。,一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (2) 由机械载荷引起的应力 压力以外的其他机械载荷(如重力、支座反力、管道的推力)产生的应力。 这种应力虽求解复杂，但也是符合外载荷与内力平衡关系的。 这类载荷引起的应力往往仅存在于容器的局部，亦可称为局部应力。 风载与地震载荷也是压力载荷以外的其他机械载荷，也满足载荷与内力的平衡关系，但作用范围不是局部的，而且与时间有关，作为静载荷处理时遍及容器整体，是非均布非轴对称

44、的载荷。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (3) 由不连续效应引起的不连续应力以下三种情况均会产生不连续应力： 几何不连续(如曲率半径有突变)； 载荷不连续； 材质不连续。 例如夹套反应釜的内筒在与夹套相焊接的地方就同时存在几何不连续与载荷不连续(实际上还有轴向温度的不连续)。 结构不连续应力不是由压力载荷直接引起的，而是由结构的变形协调引起的，在壳体上的分布范围较大，可称为总体不连续应力。其沿壁厚的分布有的是线性分布有的也呈均布的。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (4) 由温差产生的热应力： 壳壁温度沿

45、经向(轴向)或径向(厚度方向)存在温差，便引起热膨胀差，通过变形的约束与协调便产生应力，这就是温差应力或称热应力。 引起热应力的“载荷”是温差，温差表明该类载荷的强弱，故称为热载荷，以区别于机械载荷。 热应力在壳体上的分布取决于温差在壳体上的作用范围，有的属于总体范围，有的是局部范围。温差应力沿壁厚方向的分布可能是线性的或非线性的，有些则可能是均布的。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (5) 由应力集中引起的集中应力： 容器上的开孔边缘、接管根部、小圆角过渡处因应力集中而形成的集中应力，其峰值可能比基本应力高出数倍。数值虽大，但分布范围很小。 应力集

46、中问题的求解一般不涉及壳体中性面的总体不连续问题，主要是局部结构不连续问题，并依靠弹性力学方法求解。 实际很难求得理论的弹性解，常用实验方法测定或采用数值解求得。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (1) 薄膜应力(Membrane stress) ：是沿截面厚度均匀分布的应力成分，其等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。 (2) 弯曲应力(Bending stress) ：是法向应力沿截面厚度上的变化分量。沿厚度的变化可以是线性的，也可以不是线性的。最大值发生在容器的表面处，设计时取最大值。分析设计的弯曲应力是指线性的。 (3) 法向应力(Nor

47、mal stress) ：垂直于所考虑截面的应力分量，也称正应力。通常法向应力沿部件厚度的分布是不均匀的，可将法向应力视为由两种成分组成，一是均匀分布的成分，该截面厚度应力的平均值(即为薄膜应力)；另一是沿截面厚度各点而变化的成分，可能是线性的，也可能是非线性的。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (4) 切应力(Shear stress) ：是与所考虑截面相切的应力成分 。 (5) 应力强度(Stress intensity) ：某处的应力若系三向或二向应力时，其组合应力基于第三强度理论的当量强度。规定为给定点处最大剪应力的两倍，即给定点处最

48、大主应力与最小主应力的代数值(拉应力为正值，压应力为负值)之差。 (6) 总体结构不连续(Gross structural discontinuity ) ：指几何形状或材料不连续，使结构在较大范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布与变形产生显著影响。总体结构不连续的实例如：封头、法兰、接管、支座等与壳体的连接处，不等直径或不等壁厚、或弹性模量不等的壳体的连接处。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (7) 局部结构不连续(Local structural discontinuity ) ：指几何形状和材料的不连续，仅使结构在很小范围内的

49、应力或应变发生变化，对结构总的应力分布和变形无显著影响。例如小的过渡圆角处，壳体与小附件连接处，以及未全熔透的焊缝处。,第二节 化工容器的应力分析设计,一、分析设计法概述 (三) 各种应力对容器失效的影响,第二节 化工容器的应力分析设计,爆破总发生在远离封头的圆筒体中部，从中央向两头撕裂,封头与筒体连接处存在较大的不连续应力，但爆破不从这里开始,不同的应力引起容器失效的形式不同。,一、分析设计法概述 (三) 各种应力对容器失效的影响,第二节 化工容器的应力分析设计,内压产生的应力使容器在总体范围内发生弹性失效或塑性失效，即膜应力可使筒体屈服变形，以致爆破。外压引起总体刚性失稳，即形状失稳。 其他机械载荷产生的局部应力使容器发生局部范围弹性失效或塑性失效。 总体结构不连续应力，由于相邻部位存在相互约束，可能使部分材料屈服进入弹塑性状态，可造成弹塑性失效。 总体热应力也会造成容器的弹塑性失效。 应力集中(局部结构不连续)及局部热应力使局部材料屈服，虽然可以造成弹塑性失效，但只