第四章壓力容器設(shè)計(jì)CHAPTERⅣDesignofPressureVessel14.1概述4.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4.3常規(guī)設(shè)計(jì)4.4分析設(shè)計(jì)4.5疲勞分析4.6壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展

過程設(shè)備設(shè)計(jì)2過程設(shè)備設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)方法——不同失效形式壓力容器發(fā)展趨勢(shì)大型化選用高強(qiáng)度材料高參數(shù)本章著重介紹壓力容器的設(shè)計(jì)思想常規(guī)設(shè)計(jì)方法——彈性失效34.1概述設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)文件設(shè)計(jì)條件是設(shè)計(jì)的基本知識(shí)過程設(shè)備設(shè)計(jì)4什么是壓力容器設(shè)計(jì)？應(yīng)綜合考慮哪些因素？過程設(shè)備設(shè)計(jì)5壓力容器設(shè)計(jì)：根據(jù)給定的，遵循規(guī)定，在確保的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)（剛）度和密封設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)條件現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)安全選擇材料過程設(shè)備設(shè)計(jì)6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——確定合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，滿足制造、檢驗(yàn)、裝配、運(yùn)輸和維修等要求。強(qiáng)（剛）度設(shè)計(jì)——確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強(qiáng)度或剛度及穩(wěn)定性要求，以確保容器安全可靠地運(yùn)行。密封設(shè)計(jì)——選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性能良好。過程設(shè)備設(shè)計(jì)7設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)文件設(shè)計(jì)條件過程設(shè)備設(shè)計(jì)8過程設(shè)備設(shè)計(jì)4.1.1設(shè)計(jì)要求安全性指結(jié)構(gòu)完整性和密封性。安全是前提，經(jīng)濟(jì)是目標(biāo)，在充分保證安全的前提下盡可能做到經(jīng)濟(jì)。經(jīng)濟(jì)性包括材料的節(jié)約,高的效率,經(jīng)濟(jì)的制造過程,低的操作和維修費(fèi)用等。

安全性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一9過程設(shè)備設(shè)計(jì)4.1.2設(shè)計(jì)文件設(shè)計(jì)文件：設(shè)計(jì)圖樣、技術(shù)條件、強(qiáng)度計(jì)算書，必要時(shí)還應(yīng)包括設(shè)計(jì)或安裝、使用說明書。若按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，還應(yīng)提供應(yīng)力分析報(bào)告。設(shè)計(jì)的表現(xiàn)形式，是設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)體現(xiàn)10

★包括設(shè)計(jì)條件、所用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、材料、腐蝕裕量、計(jì)算厚度、名義厚度、計(jì)算應(yīng)力等。

★裝設(shè)安全泄放裝置的壓力容器，還應(yīng)計(jì)算壓力容器安全泄放量、安全閥排量和爆破片泄放面積。

★當(dāng)采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，軟件必須經(jīng)“全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)”評(píng)審鑒定，并在國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備局認(rèn)證備案，打印結(jié)果中應(yīng)有軟件程序編號(hào)、輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果等內(nèi)容。過程設(shè)備設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算書:11過程設(shè)備設(shè)計(jì)包括壓力容器名稱、類別；設(shè)計(jì)條件；必要時(shí)應(yīng)注明壓力容器使用年限；主要受壓元件材料牌號(hào)及材料要求；主要特性參數(shù)（如容積、換熱器換熱面積與程數(shù)等）；制造要求；熱處理要求；防腐蝕要求；無損檢測(cè)要求；耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)要求；安全附件的規(guī)格；壓力容器銘牌的位置；包裝、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)組焊和安裝要求；以及其它特殊要求。設(shè)計(jì)圖樣總圖零部件圖總圖12過程設(shè)備設(shè)計(jì)4.1.3設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)的已知條件設(shè)計(jì)條件——常用設(shè)計(jì)條件圖表示。工藝設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)條件圖原始數(shù)據(jù)工藝要求簡(jiǎn)圖用戶要求接管表等簡(jiǎn)圖——示意性地畫出容器本體、主要內(nèi)件部分結(jié)構(gòu)

尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表達(dá)的內(nèi)容。設(shè)計(jì)13過程設(shè)備設(shè)計(jì)用戶要求包括：（1）工作介質(zhì):介質(zhì)學(xué)名或分子式、主要組分、比重及危害性等；（2）壓力和溫度:工作壓力、工作溫度、環(huán)境溫度等；（3）操作方式與要求:注明連續(xù)操作或間隙操作，以及壓力、溫度是否穩(wěn)定；對(duì)壓力、溫度有波動(dòng)時(shí)，應(yīng)注明變動(dòng)頻率及變化范圍；對(duì)開、停車頻繁的容器應(yīng)注明每年的開車、停車次數(shù)；（4）其它:還應(yīng)注明容積、材料、腐蝕速率、設(shè)計(jì)壽命、是否帶安全裝置、是否保溫等。14過程設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)條件圖攪拌容器條件圖塔器條件圖換熱器條件圖一般容器條件圖應(yīng)注明換熱管規(guī)格、管長及根數(shù)、排列形式、換熱面積與程數(shù)等；應(yīng)注明塔型（浮閥塔、篩板塔或填料塔）、塔板數(shù)量及間距、基本風(fēng)壓和地震設(shè)計(jì)烈度和場(chǎng)地土類別等；應(yīng)注明攪拌器形式、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、軸功率等。15過程設(shè)備設(shè)計(jì)4.1.4設(shè)計(jì)的基本步驟1.物料衡算：2.熱量衡算：3.設(shè)備的類型選擇：4.設(shè)備工藝尺寸確定：5.設(shè)備部件的受力分析：6.材料的選擇：7.設(shè)備初步設(shè)計(jì)：8.施工圖設(shè)計(jì)：9.設(shè)備附件的選擇：10.安全附件的配用：10.制造、驗(yàn)收與裝配的技術(shù)條件：16過程設(shè)備設(shè)計(jì)失效形式失效判據(jù)（選擇）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（相應(yīng)）設(shè)計(jì)是否合理（判別）4.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則17過程設(shè)備設(shè)計(jì)4.2.1壓力容器失效失效—壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時(shí)間內(nèi)，因尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而完全失去或不能達(dá)到原設(shè)計(jì)要求（包括功能和壽命等）的現(xiàn)象。失效表現(xiàn)形式—

失效原因—多種多樣泄漏過度變形斷裂18過程設(shè)備設(shè)計(jì)一、壓力容器失效形式（1）強(qiáng)度失效（2）剛度失效（3）失穩(wěn)失效（4）泄漏失效失效形式(一)、壓力容器基本失效形式19過程設(shè)備設(shè)計(jì)a.韌性斷裂—韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到或接近所用材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。（1）強(qiáng)度失效——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強(qiáng)度失效，包括（a）韌性斷裂、（b）脆性斷裂、（c）疲勞斷裂、（d）蠕變斷裂、（e）腐蝕斷裂等。20過程設(shè)備設(shè)計(jì)特征原因斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長伸長率可達(dá)10～20%，斷口處厚度顯著減薄；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實(shí)測(cè)厚度計(jì)算的爆破壓力與實(shí)際爆破壓力相當(dāng)接近。壁厚過薄和內(nèi)壓過高壁厚未經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算和壁厚因腐蝕而減薄操作失誤、液體受熱膨脹、化學(xué)反應(yīng)失控等。21嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)、選材，配備相應(yīng)的安全附件，且運(yùn)輸、安裝、使用、檢修遵循有關(guān)的規(guī)定韌性斷裂可以避免過程設(shè)備設(shè)計(jì)4.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則22過程設(shè)備設(shè)計(jì)斷裂時(shí)容器沒有膨脹，即無明顯的塑性變形；其斷口齊平，并與最大應(yīng)力方向垂直；斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片。由于脆性斷裂時(shí)容器的實(shí)際應(yīng)力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會(huì)動(dòng)作，其后果要比韌性斷裂嚴(yán)重得多。特征b.脆性斷裂——脆性斷裂是指變形量很小、且在殼壁中的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生的斷裂。這種斷裂是在較低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生，故又稱為低應(yīng)力脆斷。23過程設(shè)備設(shè)計(jì)脆性斷裂原因材料脆性和缺陷。a.材料選用不當(dāng)、焊接與熱處理不當(dāng)使材料脆化；低溫、長期在高溫下運(yùn)行、應(yīng)變時(shí)效等也會(huì)使材料脆化；b.壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴(yán)重的原始缺陷（如原材料的夾渣、分層、折疊等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂紋等）或使用中產(chǎn)生的缺陷，也會(huì)導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生。

24過程設(shè)備設(shè)計(jì)交變載荷—指大小和（或）方向都隨時(shí)間周期性（或無規(guī)則）變化的載荷。包括—壓力波動(dòng)、開車停車；加熱或冷卻時(shí)溫度變化引起的熱應(yīng)力變化；振動(dòng)或容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷。需要指出—原材料或制造過程中產(chǎn)生的裂紋，也會(huì)在交變載荷的反復(fù)作用下擴(kuò)展而導(dǎo)致壓力容器疲勞。c.疲勞斷裂—在交變載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂失效的過程。25過程設(shè)備設(shè)計(jì)失效形式——“未爆先漏”，破壞需要有一定時(shí)間。疲勞破壞—包括裂紋萌生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)階段。裂紋源——往往位于接管根部、焊接接頭等高應(yīng)力區(qū)或有缺陷的部位。裂紋擴(kuò)展區(qū)——是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域。常呈現(xiàn)貝紋狀，是疲勞裂紋擴(kuò)展過程中留下的痕跡。瞬時(shí)斷裂區(qū)——裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)的快速斷裂區(qū)。疲勞斷口—裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)組成。26過程設(shè)備設(shè)計(jì)特征:疲勞斷裂時(shí)容器的總體應(yīng)力值較低，斷裂往往在容器正常工作條件下發(fā)生，沒有明顯征兆，是突發(fā)性破壞，接近脆斷，危險(xiǎn)性很大。27過程設(shè)備設(shè)計(jì)從變形看—具有韌性斷裂特征從應(yīng)力看—具有脆性斷裂特征d.蠕變斷裂—壓力容器在高溫下長期受載，隨時(shí)間的增加材料不斷發(fā)生蠕變變形，造成壁厚明顯減薄與鼓脹變形，最終導(dǎo)致壓力容器斷裂。28均勻腐蝕的減薄和局部腐蝕的凹坑引起的斷裂晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕引起的斷裂過程設(shè)備設(shè)計(jì)e.腐蝕斷裂——韌性斷裂特征／脆性斷裂特征。29過程設(shè)備設(shè)計(jì)（2）剛度失效——由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效。

（3）失穩(wěn)失效——在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。

（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。危害:可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，造成環(huán)境污染等。30交互失效——多種因素作用下同時(shí)發(fā)生多種形式的失效。過程設(shè)備設(shè)計(jì)(二)、交互失效形式例如：→腐蝕疲勞腐蝕介質(zhì)交變應(yīng)力→蠕變疲勞高溫交變應(yīng)力31過程設(shè)備設(shè)計(jì)壓力容器最可能發(fā)生的失效形式二、失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)思路求得壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學(xué)響應(yīng)（如應(yīng)力、應(yīng)變、固有頻率等）確定力學(xué)響應(yīng)的限制值以判斷壓力容器能否安全使用是否獲得滿意的使用效果（根據(jù)）32過程設(shè)備設(shè)計(jì)(1)失效判據(jù)——將力學(xué)分析結(jié)果與簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比較，判別壓力容器是否會(huì)失效。這種判據(jù)，稱為失效判據(jù)。（2）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——根據(jù)失效判據(jù)，再考慮各種不確定因素，引入安全系數(shù)，得到與失效判據(jù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。分類強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則33適用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)先確定最有可能的失效形式選擇合適的失效叛據(jù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核再按照標(biāo)準(zhǔn)要求過程設(shè)備設(shè)計(jì)344.2.2

強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則強(qiáng)度失效的兩種主要形式：屈服斷裂（在常溫、靜載作用下）常用的強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則過程設(shè)備設(shè)計(jì)35彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——將容器總體部位的初始屈服視為失效。一、彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（韌性材料）1、單向拉伸——最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則失效判據(jù)的數(shù)學(xué)表達(dá)試