压力容器设计技术进展-近代化工容器设计技术进展概述

主讲教师：潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院,6.1 近代化工容器设计技术进展概述,II、压力容器设计准则的发展,慕课课程：Massive Open Online Course Pressure Vessel Design 压力容器设计,第6章 压力容器设计技术进展,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,2,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,第六章 压力容器设计技术进展,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,3,二、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,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,4,二、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 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,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,5,二、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,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,6,二、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”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,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,7,二、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,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,8,二、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)，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,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,9,二、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(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。,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,10,二、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,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,11,二、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,6.2近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计准则的发展,12,二、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