1、第四章第四章 對容器設(shè)計的安全要求對容器設(shè)計的安全要求4.1壓力容器的設(shè)計方法壓力容器的設(shè)計方法第四章第四章 對容器設(shè)計的安全要求對容器設(shè)計的安全要求壓力容器的設(shè)計方法 常規(guī)設(shè)計常規(guī)設(shè)計_以美國ASME第一分篇壓力容器建造和中國GB150鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)為代表； 分析設(shè)計分析設(shè)計_以美國以美國ASME-第二分篇第二分篇壓力容器建造壓力容器建造-另一規(guī)則另一規(guī)則和和中國中國JB4732鋼制壓力容器鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為代表。為代表。 極限分析極限分析 安定性分析安定性分析 疲勞分析及設(shè)計疲勞分析及設(shè)計 應(yīng)力強度限制應(yīng)力強度限制 壓力容器的設(shè)計方法 常規(guī)設(shè)計常規(guī)設(shè)計 以彈性設(shè)計準(zhǔn)

2、則為基礎(chǔ),只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷處理，不涉及容器的疲勞問題，不考慮熱應(yīng)力。 它是以殼體的薄膜理論或材料力學(xué)方法導(dǎo)出容器及部件的設(shè)計計算式，給出了壓力、許用應(yīng)力、容器主要尺寸之間的關(guān)系，沒有對容器及其部件進行詳細(xì)的應(yīng)力分析 ，只要將平均應(yīng)力值限制在以彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則所確定的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，則認(rèn)為設(shè)備就是安全的。 壓力容器的設(shè)計方法 分析設(shè)計分析設(shè)計 采用以極限載荷、安定載荷和疲勞壽命為界限的“塑性失效”和“彈塑性失效”準(zhǔn)則，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，允許對峰值應(yīng)力部位做有限壽命設(shè)計。 進行壓力容器分析設(shè)計時，必須先進行詳細(xì)的應(yīng)力分析，即通過解析法或數(shù)值方法，將各種

3、外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計算出來，然后進行應(yīng)力分類，對各類應(yīng)力借用塑性理論的基本概念與結(jié)論進行評定，再按不同的設(shè)計準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效，這就是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法，簡稱分析設(shè)計。 分析設(shè)計可應(yīng)用于承受各種載荷的任何結(jié)構(gòu)形式的壓力容器設(shè)計，克服了常規(guī)設(shè)計的不足。采用塑性失效和彈塑性失效準(zhǔn)則，可以較好地解決常規(guī)設(shè)計中所述的矛盾，合理地放松了對計算應(yīng)力的過嚴(yán)限制，安全系數(shù)相對降低，許用應(yīng)力相對提高。 分析設(shè)計分析設(shè)計 極限分析極限分析 極限分析認(rèn)為結(jié)構(gòu)上某一點達(dá)到屈服后該結(jié)構(gòu)并沒有失效，只有整體屈服達(dá)到所謂的極限狀態(tài)才算失效。極限分析假定結(jié)構(gòu)所用材料為理想彈

4、塑性材料，在某一載荷下結(jié)構(gòu)進入整體或局部區(qū)域的全域屈服后，變形將無限制地增大，結(jié)構(gòu)達(dá)到了它的極限承載能力，這種狀態(tài)即為塑性失效的極限狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)達(dá)到整體屈服的這一載荷稱為極限載荷。 分析設(shè)計分析設(shè)計 安定性分析安定性分析 極限分析是針對理想彈塑性材料一次性加載（靜載荷）情況，而安定性分析則是針對反復(fù)加載（交變載荷）情況。由圖 (a)可知， 只要局部塑性變形小于屈服應(yīng)變值s的兩倍，或虛擬應(yīng)力1小于兩倍屈服強度2s，就只在第一次加載經(jīng)OAB時產(chǎn)生相當(dāng)于AB線段的塑性變形。卸載沿BC線，再次加載、卸載就一直沿CB線變化了，一直處于彈性狀態(tài)，沒有塑性應(yīng)變，只不過加載時應(yīng)力是由具有殘余壓應(yīng)力的C點開始，

5、先減至零，然后變?yōu)槔瓚?yīng)力。如果局部變形大于兩倍屈服應(yīng)變2s或虛擬應(yīng)力超過2s 圖 (b)，這時加載經(jīng)OAHD，卸載沿DFG，F(xiàn)G為反向塑性變形。以后的加載、卸載沿GH和DF，每一循環(huán)都有HD與FG的反復(fù)塑性變形。反復(fù)塑性變形使材料變脆，不久將引起斷裂，這對結(jié)構(gòu)是不安定的。分析設(shè)計分析設(shè)計 安定性分析安定性分析 如果一個結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾次反復(fù)加載過程，結(jié)構(gòu)元件僅在第一次加載過程中出現(xiàn)一定量的塑性變形，以后不再出現(xiàn)塑性變形，也不會導(dǎo)致塑性變形的連續(xù)循環(huán)，構(gòu)件處于彈性循環(huán)狀態(tài)，即稱為“安定”狀態(tài)。否則結(jié)構(gòu)會在反復(fù)加載、卸載中引起新的塑性變形，那么塑性變形便不斷積累，結(jié)構(gòu)可能因塑性疲勞或大變形而發(fā)生破壞，這

6、種狀態(tài)被稱為“不安定” 狀態(tài)。 在做極限分析時可知，當(dāng)外載荷一旦達(dá)到極限載荷，結(jié)構(gòu)即成為幾何可變機構(gòu)而失去承載能力。但當(dāng)載荷達(dá)到安定載荷時只是損傷累積的開始，破壞是一個緩慢的過程。因此，對“安定”不加安全系數(shù)，只要求施加的載荷小于安定載荷就可以了。 由于實際材料并非理想彈塑性材料，屈服后還有應(yīng)變強化能力，因此上面由極限分析和安定性分析導(dǎo)出的應(yīng)力限制條件是偏于保守的，使結(jié)構(gòu)增加了一定的安全裕度。分析設(shè)計分析設(shè)計 疲勞分析及設(shè)計疲勞分析及設(shè)計 當(dāng)外載荷大于安定載荷時，可能會出現(xiàn)如下三種情況。 漸增性垮塌。在筒體和封頭連接處的邊緣效應(yīng)區(qū)，當(dāng)彈性名義應(yīng)力超過兩倍屈服極限時，在加壓、卸壓過程中會出現(xiàn)塑性

7、變形的積累，到一定程度就會出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。 低周疲勞。材料在交變載荷作用下的破壞稱之為疲勞。壓力容器的疲勞屬于低循環(huán)疲勞或塑性疲勞。它的特點是：每次加載循環(huán)的前半周（加載）和后半周（卸載）在結(jié)構(gòu)同一部位相繼產(chǎn)生方向相反的塑性變形；每次循環(huán)總塑性變形接近于零，但每半周的塑性功不為零；拉伸時塑性功為正，壓縮時塑性功也為正。這就是損傷的根源，將導(dǎo)致裂紋萌生、擴展直到貫穿整個斷面，最終出現(xiàn)漏泄或斷裂。 棘輪損傷。棘輪損傷是指在一個恒定的載荷（如內(nèi)壓）與一個交變的載荷如溫度變化）共同作用下出現(xiàn)的一種破壞形式。它的特點是：當(dāng)溫度應(yīng)力交變時，將在結(jié)構(gòu)的不同部位產(chǎn)生塑性變形及不可逆積累，在加載時變形增長，而卸載

8、時變形不能恢復(fù)。就像機械中的棘輪一樣，只能朝一個方向轉(zhuǎn)動而不能倒退，因此稱為棘輪現(xiàn)象。 分析設(shè)計分析設(shè)計 疲勞分析及設(shè)計疲勞分析及設(shè)計 壓力容器疲勞失效特點 壓力容器承受交變循環(huán)載荷而引起的疲勞破壞和靜載條件下的破壞有著本質(zhì)的區(qū)別。壓力容器靜載條件下的失效，往往是因為過大的應(yīng)力而引起的， 有明顯的塑性變形。容器疲勞失效是當(dāng)局部高應(yīng)力區(qū)中的應(yīng)力超過材料的屈服點時，材料產(chǎn)生屈服變形，發(fā)生晶粒滑移，由于載荷的不斷往復(fù)作用，逐漸產(chǎn)生微裂紋。在載荷反復(fù)作用下，微裂紋在滑移帶或晶界處形成，這種微裂紋不斷擴展，形成宏觀疲勞裂紋并貫穿容器厚度方向，從而導(dǎo)致容器發(fā)生疲勞失效。 以疲勞分析為基礎(chǔ)的設(shè)計 利用設(shè)計曲

9、線進行疲勞壽命設(shè)計。這些曲線是由材料試驗或理論分析得出的，同時根據(jù)實際情況已經(jīng)考慮了平均應(yīng)力的影響，并計入了工程應(yīng)用的安全系數(shù)。 分析設(shè)計分析設(shè)計 應(yīng)力強度限制應(yīng)力強度限制 由于各種應(yīng)力對壓力容器失效的作用不同，所以對它們的限制條件也各不相同，不能采用統(tǒng)一的應(yīng)力值。在分析設(shè)計中，一次應(yīng)力的許用值是由極限分析確定，主要目的是防止過度彈性變形或彈性失穩(wěn)；二次應(yīng)力的許用值是由安定性分析確定，目的在于防止塑性疲勞或過度塑性變形；而峰值應(yīng)力的許用值是由疲勞分析確定的，目的在于防止由大小和（或）方向改變的載荷引起的疲勞。 壓力容器設(shè)計監(jiān)督管理壓力容器設(shè)計監(jiān)督管理 國家對壓力容器設(shè)計單位試行強制的設(shè)計許可管

10、理，沒有取得設(shè)計許可證的單位或機構(gòu)不得從事壓力容器設(shè)計工作，取得設(shè)計許可證的單位或機構(gòu)也只能從事許可范圍之內(nèi)的壓力容器設(shè)計工作。 A類、C類和SAD類壓力容器設(shè)計許可證，由國家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)、頒發(fā)； D類壓力容器設(shè)計許可證由省級質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門批準(zhǔn)、頒發(fā)。 壓力容器設(shè)計許可證的有效期限為4 年，有效期滿當(dāng)年，持證單位必須辦理換證手續(xù)。逾期不辦或未被批準(zhǔn)換證，取消設(shè)計資格，批準(zhǔn)部門注銷原設(shè)計許可證。 壓力容器設(shè)計許可證的類別、級別劃分表壓力容器設(shè)計許可證的類別、級別劃分表 類別級別容器類型A類A1級超高壓容器、高壓容器（結(jié)構(gòu)形式主要包括單層、無縫、鍛焊、多層包扎、繞帶、熱套、繞板等）A2級第三類低、中壓容器A3級球形貯罐A4級非金屬壓力容器C類C1級鐵路罐車C2級汽車罐車或長管拖車C3級罐式集裝箱D類D1級第一類壓力容器D2級第二類低中壓容器SAD類壓力容器分析設(shè)計壓力容器設(shè)計監(jiān)督管理壓力容器設(shè)計監(jiān)督管理 設(shè)計單位從事壓力容器設(shè)計的批準(zhǔn)（或?qū)彾ǎ┤藛T、審核人員（統(tǒng)稱為設(shè)計審批人員）， 必須經(jīng)過規(guī)定的培訓(xùn)，考試合格，并取得相應(yīng)資格的設(shè)計審批員資格證書