要使高压容器的制造技术和安全水平有重大改变.ppt

Chapter 4 Process Vessel Design,要使高压容器的制造技术和安全水平有重大改变，围绕高压容器的安全性和经济性要求，高压容器就必须从根本上由单层变多层，由小型化向大型化方向发展,Classification of pressure vessel,单层厚壁筒：整体锻造式、锻焊式、卷焊式 组合式厚壁筒 ：热套式、层板包扎式、 绕板式、型槽钢带缠绕式、扁平钢带缠绕式 。,多层包扎式,热套式,绕板式,型槽绕带式筒体,型槽钢带示意图,扁平钢带倾角错绕式筒体,中径公式,按弹性失效准则的内压厚壁圆筒强度计算式,各种理论的比较,多层厚壁容器的结构特征,设计准则,设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计规范标准，再按规范标准要求进行设计和校核。,失效设计准则分类,强度失效设计准则（弹性失效设计准则 、 塑性失效设计准则 、爆破失效设计准则 、 弹塑性失效设计准则 、疲劳失效设计准则 蠕变失效设计准则 、脆性断裂失效设计准则 ） 刚度失效设计准则 稳定失效设计准则 泄漏失效设计准则,强度失效的主要形式,在常温、静载作用下，屈服和断裂是压力容器强度失效的两种主要形式。,压力容器失效,失效的最终表现形式：泄漏、过度变形和断裂。 压力容器可能同时发生多种形式的失效，即交互失效，如腐蚀介质和交变应力同时作用时引发的腐蚀疲劳、高温和交变应力同时作用时引发的蠕变疲劳等。,常规设计,见word文档,4.3.6 支 座,一.卧式容器的支座 1.鞍座 2.圈座 3.支腿 二.立式容器的支座 1. 腿式支座 2. 支承式支座 3. 耳式支座 4. 裙式支座,:卧式容器的支座,: 立式容器的支座,立式容器的支座,耳式支座,立式容器的支座,圆筒型裙式支座,圆锥型裙式支座,塔径小且很高的塔（DN25，或DN1m，且H/DN 30,只能用圆锥式裙座； 其它可用圆筒形裙座。,裙座与塔体的焊缝：对接、搭接,4.3.7 安全泄放装置,压力容器的泄放装置是为了保证压力容器安全运行而当容器超压时能自动泄放压力的装置。最常使用的安全泄放装置是安全阀和爆破片。,一. 安全阀 1.重锤杠杆式安全阀 2.弹簧式安全阀。 二. 爆破片 1.正拱普通拉伸型 2.正拱开缝型 3.反拱型 4.剪切型 5.弯曲型,4.3.7安全泄放装置,一. 安全阀 1.重锤杠杆式安全阀,4.3.7安全泄放装置,2.弹簧式安全阀,4.3.7安全泄放装置,二. 爆破片,2.正拱开缝型,1.正拱普通拉伸型,3.反拱型,4.3.7安全泄放装置,二. 爆破片,4.剪切型,5.弯曲型,4.3.7安全泄放装置,三. 爆破片的选用 爆破片选用时应考虑容器的工作压力、介质、温度和泄放量四方面的要求。 （1）压力 我国有关标准规定了爆破片的最低标定爆破压力，可根据容器的工作压力PW按表5.4选取，或由设计者根据成熟的经验和可靠的数据确定。,三. 爆破片的选用,（2）介质 首先应考虑选定的膜片在工作温度下不会被介质所腐蚀，必要时可以在与介质接触的膜面上覆盖保护膜。另外，如果介质是可燃气体，则不应选用破裂时会产生火花的铸铁和碳钢爆破片。,三. 爆破片的选用,（3）温度 爆破片的最高允许使用温度取决于爆破片及其保护膜 （4）泄放量 爆破片的泄放量必须大于容器的安全泄放量。,4.3.7安全泄放装置,爆破片的布置 根据压力容器的用途、介质的性质和运转条件，可以单独使用爆破片作为泄压装置或爆破片与安全阀组合作为安全泄压装置。 （1）破爆片单独作为泄压装置 一般在爆破片进口处设置截止阀，以便更换膜片时切断气流。当使用两个或两个以上的爆破片时，根据需要可以串联安装，也可以并联安装。,（2）爆破片与安全阀串联使用 用爆破片将安全阀与容器内介质隔开，可以避免介质对安全阀的腐蚀和堵塞，同时也避免了介质在安全阀密封面处的微量泄漏。 （3）爆破片与安全阀的并联使用 这种设置中爆破片是一个附加的安全设施，以补充安全阀泄放能力的不足。,Thank You!,强度失效定义,因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效。,韧性断裂,韧性断裂：压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。 特征：断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长延伸率可达 1020，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。,韧性断裂,厚度过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。 厚度过薄大致有两种情况：厚度未经设计计算和厚度因腐蚀而减薄。操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等会引起超压。 压力容器若能严格按照规范进行设计、选材，配备相应的安全附件，且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定，在设计寿命内可以避免韧性断裂。,脆性断裂（或低应力脆断）,变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生，故又称为低应力脆断。,脆性断裂的特征,断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。 由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比韧性断裂严重得多。,引起压力容器脆性断裂原因,材料脆性和缺陷。,疲劳断裂,压力容器在服役中，在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。 交变载荷：大小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷，它包括压力波动、开车停车；加热或冷却时温度变化引起的热应力变化；振动或容器接管引起的附加载荷的交变而形成的交变载荷。,疲劳断裂,原材料或制造过程中产生的裂纹，也会在交变载荷的反复作用下扩展而导致压力容器疲劳。 疲劳有裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段，因而疲劳断口一般由裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源往往位于高应力区或有缺陷的部位。,疲劳断裂,由于疲劳源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。 随着交变载荷反复作用次数的增加，疲劳裂纹不断扩展。只有当疲劳裂纹扩展到一定值时，才会发生疲劳破坏。因此，疲劳破坏需要有一定时间。,蠕变断裂,压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂的现象，称为蠕变断裂。 按断裂前的变形来划分，蠕变断裂具有韧性断裂的特征；按断裂时的应力来划分，蠕变断裂又具有脆性断裂的特征。,腐蚀断裂,因均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀造成的凹坑，所引起的断裂一般有明显的塑性变形，具有韧性断裂特征；因晶间腐蚀、应力腐蚀等引起的断裂没有明显的塑性变形，具有脆性断裂特征。,刚度失效,由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。 例如，塔在风载荷作用下，若发生过大的弯曲变形，会破坏塔的正常工作或塔体受到过大的弯曲应力。,失稳失效,在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效称为失稳失效。 容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例，且临界压力与材料的强度无关，主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质。,泄漏失效,由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。 泄漏不仅有可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且会造成环境污染。 设计时应重视各可拆式接头和不同压力腔之间连接接头（如换热管和管板的连接）的密封性能。,弹性失效设计准则,将容器总体部位的初始屈服视为失效。 最大拉应力失效设计准则: Tresca屈服失效判据(或最大切应力失效判据或第三强度理论） Mises屈服失效判据 （形状改变比能屈服失效判据或第四强度理论）,塑性失效设计准则,设材料是理想弹塑性的，以整个危险面屈服作为失效状态的设计准则，称为塑性失效准则。 对于内压厚壁圆筒，整个截面屈服时的压力就是全屈服压力pso 塑性失效准则: P为设计压力,爆破失效设计准则,压力容器韧性材料一般具有应变硬化现象，爆破压力大于全屈服压力。爆破失效设计准则以容器爆破作为失效状态。 设计准则：,弹塑性失效设计准则（安定性准则）,初始屈服载荷：与压力容器内最大应力点进入塑性相对应的载荷。 安定状态：当容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷时，容器内将产生少量的局部塑性变形。因局部塑性区周围的广大区域仍处于弹性状态，会制约塑性变形，当载荷卸除后就形成残余应力场。若容器所受的载荷较小，即载荷引起的应力和残余应力叠加后总是小于屈服点，则容器在载荷的反复作用下，始终保持弹性行为，不会产生新的塑性变形，使其处于“安定”状态,弹塑性失效设计准则（安定性准则）,安定载荷：随着载荷的继续增大，卸载时的残余应力可能超过屈服点而导致反向屈服，或者加载时的应力与残余应力之和也可能超过屈服点，从而导致塑性变形的累积，于是容器就会丧失安定，出现渐增塑性变形。与安定和不安定的临界状态相对应的载荷变化范围称为安定载荷。 弹塑性失效：只要载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。 工程上一般取安定载荷的安全系数为10，即压力容器承受的最大载荷变化范围不大于安定载荷。,疲劳失效设计准则,低周疲劳：疲劳失效时的循环次数n 105，压力容器疲劳一般属于低周疲劳。 低周疲劳时，每次循环中材料都将产生一定的塑性应变，根据试验研究和理论分析结果，可以得到虚拟应力幅与许用循环次数之间的关系曲线，即低周疲劳设计曲线。由容器应力集中部位的最大虚拟应力幅，按低周疲劳设计曲线可以确定许用循环次数，只要该循环次数不小于容器所需的循环次数，容器就不会发生疲劳失效，这就是疲劳失效设计准则。nn,蠕变失效设计准则,将应力限制在由蠕变极限和持