压力容器设计知识点及基本概念.ppt

1,压力容器设计复习,知识点及基本概念,2,1我国压力容器设计规范名称是 _。,第一章 化工容器设计概论,GB150-2011 压力容器。,欧盟压力容器规范名称为 _。,EN13445 非直接着火压力容器,3,3. 美国压力容器设计规范中的常规设计在ASME锅炉与压力容器设计规范第_卷，第_分册。名称为 _。 分析设计规范在第_卷，第_分册。名称为_。,2,1,Rules for Construction of Pressure Vessels,Alternative Rules for Construction of Pressure Vessels,VIII,VIII,第一章 化工容器设计概论,4,4我国钢制压力容器设计规范GB150-98采用的强度理论为： （ ） （A）；（B）；（C）；（D）。,A,第一章 化工容器设计概论,GB压力容器标准中以第一强度理论为设计准则，将最大主应力限制在许用应力以内。,p18,5,5我国钢制压力容器设计规范GB150-1998 钢制压力容器适用于设计压力不大于_MPa:（ ） （A）100；（B）64；（C）35；（D）16。,C,第一章 化工容器设计概论,GB-150压力容器标准适用于设计压力不大于35MPa的钢制压力容器的设计、制造、检验与验收。,p17,6,6. 按设计压力大小，容器分为四个等级： （1）低压容器：_ p MPa; （2）中压容器：_ p MPa; （3）高压容器：_ p MPa; （4）超高压容器：p MPa;,0.1,1.6,1.6,10.0,10.0,100,100,第一章 化工容器设计概论,p19,7,7对压力容器用钢的综合要求是足够的 、良好的 、 优良的 、以及良好的 。,强度,塑性,韧性,可焊性,第一章 化工容器设计概论,综上所述，保证强度又要有良好的塑性、韧性和可焊性，以致低温韧性，这是对压力容器用钢的基本要求。 p7,8,8. 空气贮罐，操作压力为0.6MPa，操作温度为常温，若设计厚度超过10毫米，则下列碳素钢材中能够使用的为： （ D ） (A) Q235AF； (B) Q235B； (C) Q235C； (D) 20R。,第一章 化工容器设计概论,Q235类钢是屈服强度为235MPa的碳素结构钢，强度不高，化学成分不满足“固定容规”要求。通常不作为压力容器标准中的容器专用钢。,9,9我国“固定式压力容器安全技术监察规程”把容器分为三类： 第类压力容器 第类压力容器 第类压力容器,第一章 化工容器设计概论,10,第一章 化工容器设计概论,11,12,13,14,在壳体上作用有两类内力，法向力N和N，及横向力Q、弯矩M和M。法向力来自中面的拉伸和压缩变形，横向力、弯矩是由中面的弯曲变形产生的，将法向力称为薄膜应力，而将横向力、弯矩称为弯曲应力。在壳体理论中，如果考虑上述全部内力，称为“有力矩理论”或“弯曲理论”。但对部分容器，在特定的壳体形状、载荷和支撑条件下，弯曲应力与薄膜应力相比很小，可以略去不计，使壳体计算大大简化，这时壳体的应力状态仅由法向力N和N确定，基于这一假设求解薄膜内力的理论，称为“无力矩理论”或“薄膜理论”。,13什么叫无力矩理论？什么叫有力矩理论？,第二章 中低压容器的规则设计,15,14球形容器的第一曲率半径为_，第二曲率半径为_。,球半径R,第二章 中低压容器的规则设计,15圆柱形容器的第一曲率半径为_，第二曲率半径为_。,16圆锥形容器的第一曲率半径为_，第二曲率半径为_。,p28,球半径R,无穷大,圆柱体半径R,无穷大,R2=x tan,16,17受均匀内压作用的球形容器，经向薄膜应力和周向薄膜应力的关系为（ ） （A） ； （C）pR/2t （D）pR/t,C,第二章 中低压容器的规则设计,(2-12) p28,17,18受均匀内压作用的圆柱形容器，经向薄膜应力和周向薄膜应力的关系为 （ ） （A）=2pR/2t；（B）=2pR/t； （C）2=pR/t； （D）2pR/2t,B,第二章 中低压容器的规则设计,(2-13) p28,18,19均匀内压作用椭圆形封头的顶点处，经向薄膜应力和周向薄膜应力的关系为 ( ) （A）；（B） ；（D） 1/2,A,第二章 中低压容器的规则设计,(2-16) p29,19,20无力矩理论使用的条件是什么？,第二章 中低压容器的规则设计,20,21承受均匀内压时，椭圆形封头是否会失稳？,第二章 中低压容器的规则设计,在椭圆形封头的长短轴之比大于2时，在封头的转角处和赤道处的周向应力成为负值，会产生局部失稳。,p30,21,横截面（即垂直于轴线的截面）为椭圆形的容器可以用薄膜理论分析应力。（ ）,由于结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。,22. 由边缘力和弯矩产生的边缘应力具有_、_等基本特性。,局部性,自限性,23由边缘力和弯矩产生的边缘应力，影响的范围为 （ ） （A） （B） （C） （D）,A,22,p47,设计中的考虑：可在结构上作局部处理，如：改变连接边缘的刚性结构；边缘应力区局部加强；保证边缘焊缝的质量；降低边缘区的残余应力；避免边缘区附加局部应力、开孔等。 只要是塑性材料，即使边缘区局部点的应力超出材料的屈服极限，周围尚未屈服的弹性区也能抑制塑性变形的发展，使容器处于安定状态。故多数有塑性较好材料制成的容器，除结构上做局部处理外，一般不对边缘应力作特殊考虑。然而，对于由于边缘应力较大，可能引起脆性破坏或疲劳破坏的容器，则需详细计算边缘应力，按分析设计。 由于边缘应力的自限性，其危害不如薄膜应力，应力分析设计中可取较大需用应力值。 不论设计中是否计算边缘应力，都要尽可能改进连接边缘结构，使边缘应力处于较低水平。,23,24圆筒形容器承受内压时，在筒体与封头连接处，除由内压引起的_应力外，还存在满足_条件而产生的_应力，后者具有_和_的特性。,薄膜应力,连续性,边缘,局部性,自限性,第二章 中低压容器的规则设计,24,第二章 中低压容器的规则设计,25,p52,第二章 中低压容器的规则设计,26,p53,第二章 中低压容器的规则设计,27,26受轴对称横向均布载荷的圆形薄板，周边固定时，最大弯曲应力在_处，最大挠度在_处。当周边简支时，最大弯曲应力在_处，最大挠度在_处。,板边缘,板中心,板中心,板中心,第二章 中低压容器的规则设计,25.要使圆板在均布载荷下有较小的挠度和应力， 应使圆板处于简支边界条件下。（ ）,28,27受均布横向载荷作用的周边固支圆形薄平板，最大应力为周边径向弯曲应力，当载荷一定时，降低最大应力的方法有 （ ） (A) 增加厚度； (B) 采用高强钢； (C) 加固周边支撑； (D) 增大圆板直径。,A,第二章 中低压容器的规则设计,29,28设计压力指设定的容器顶部的最高压力，其值不得低于容器的工作压力。,第二章 中低压容器的规则设计,在相同介质压力p、材料和相同直径D下， 平板封头比凸形封头厚得多，这是因为（ ）。,30,29压力容器的设计压力通常取最高工作压力的_倍。,1.051.10,30容器的壁厚附加量包括：_。,腐蚀裕量C2,钢板负偏差C1,31焊接接头系数是：_的比值。,焊缝金属与母材强度,第二章 中低压容器的规则设计,31,32安全系数的选取方法，用抗拉强度b时，为_；用屈服强度y时，为_；用蠕变强度tn时，为_；用持久强度tD时，为_；,2.7,1.5,1.0,1.5,第二章 中低压容器的规则设计,32,34液压试验的压力为设计压力的： （ ） (A)1.05倍；(B)1.10倍；(C)1.15倍；(D)1.25倍,D,p67,35气压试验的压力为设计压力的： （ ） (A)1.05倍；(B)1.10倍；(C)1.15倍；(D)1.25倍,B,第二章 中低压容器的规则设计,33,36液压试验时的应力不得超过该试验温度下材料屈服强度的_；气压试验，不得超过屈服强度的_。,90%,80%,第二章 中低压容器的规则设计,p68,对液压试验，此应力值不得超过该试验温度下材料屈服强度的90%，对气压试验，则不得超过屈服强度的80%。,34,37按照我国压力容器标准，最小壁厚，对于碳钢和低合金钢容器不小于_mm，对高合金钢容器不小于_mm。,3,2,第二章 中低压容器的规则设计,p67,最小壁厚： (1) 对碳钢和低合金钢容器不小于3mm。 (2) 对高合金钢容器不小于2mm。,35,39低合金钢容器，液压试验时液体温度不得低于 ( ) (A) 0 oC；(B) 5 oC；(C) 10 oC；(D) 15 oC,38碳素钢制容器，液压试验时液体温度不得低于 ( ) (A) 0oC；(B) 5 oC； (C) 10 oC；(D) 15 oC,D,B,p67,40液压试验用水应控制氯离子_。,25 mg/L,第二章 中低压容器的规则设计,36,41在进行容器压力试验时，需要考虑哪些问题？为什么？,(1)压力试验一般用水，进行液压试验。液压试验压力为： 其中：PT为内压试验的压力，p为试验内压，s为试验温度下的许用应力，st为设计温度下的许用应力。,第二章 中低压容器的规则设计,37,41在进行容器压力试验时，需要考虑哪些问题？为什么？,(2) 奥氏体不锈钢为防止氯离子的腐蚀，应控制Cl 25 mg/L,(3) 为防止试验时发生低温脆性破坏，碳素钢、16MnR、正火15MnVR温度不能低于5oC，其他低合金钢，温度不低于15oC,第二章 中低压容器的规则设计,38,41在进行容器压力试验时，需要考虑哪些问题？为什么？,(5) 气压试验时，介质温度不得低于15 oC。,(4) 不宜作液压试验的容器，可用清洁的干空气、氮气或者其他惰性气体，气压试验的压力为： MPa。,第二章 中低压容器的规则设计,39,41在进行容器压力试验时，需要考虑哪些问题？为什么？,(7)液压或者气压试验时，液压试验压力如果采用高于新容规规定的耐压试验压力时，应当按照GB150规定对壳体进行强度校核。须按下式校核圆筒的应力： ，液压试验时，此应力值不得超过试验温度下材料屈服点的90%，气压试验不得超过80%。,第二章 中低压容器的规则设计,（6）也可采用气、液组合试验,40,圆筒形容器,球形容器,椭圆形封头,平板封头,第二章 中低压容器的规则设计,41,43从设计角度，法兰可以分为以下三类：_法兰、_法兰和_法兰。,松式,整体,任意式,44螺栓垫片法兰连接的密封中两个重要的工况是：_、_。,预紧工况,操作工况,第二章 中低压容器的规则设计,相同公称压力和公称直径的容器法兰和 管法兰可以混用。（ ）,42,松式法兰,松式法兰,松式法兰,整体法兰,整体法兰,整体法兰,任意式法兰,任意式法兰,任意式法兰,第二章 中低压容器的规则设计,43,46法兰密封常用的压紧面型式有：_、_、_、_四种型式。,榫槽面,梯形槽,凹凸面,突台面,p80,第二章 中低压容器的规则设计,44,47螺栓垫片法兰连接的密封中两个重要的垫片性能参数是：_、_。,垫片压紧力(比压力) y,垫片系数 m,第二章 中低压容器的规则设计,为了避免法兰连接中螺栓与螺母咬死，螺母的硬度一般比螺栓低HB3020。（ ）,45,对用钢板卷制的筒体和成型封头来说，公称直径 是指它的 内径 ，对钢管来说，公称直径是指与钢管内外径接近的某个规定值 。,法兰选用的两个重要参数：公称压力和公称直径,公称压力：公称压力是压力容器或管道的标准化压力等级。指规定温度下的最大工作压力，并经过标准化后的压力数值。 公称直径：公称直径（公称通径）是容器和管道标准化后的尺寸系列，按国家标准规定的系列选用。,46,(1) 必须在预紧时，使螺栓力在压紧面与垫片之间建立起不低于y值的比压力； (2) 当设备工作时，螺栓力应能够抵抗内压的作用，并且在垫片表面上维持m倍内压的比压力。,48保证法兰连接紧密不漏的条件是什么？,第二章 中低压容器的规则设计,p85,47,法兰选用中，为什么要先查“最高允许工作压力表”（俗称“升温降压表”）？ 标准法兰是以16Mn材料在200时的机械性能为依据制定的。即当采用16Mn材料时，其在200时可以承受的最大工作压力为其公称压力值。如果采用的法兰材料非16Mn，而是机械性能低于16Mn的材料，或者法兰的工作温度超过200时，此时法兰可以承受的最大工作压力将低于其公称压力值，即“升温降压”。,48,(1)开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中； (2)接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力； (3)壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡(即小圆角)而引起应力集中。 这三种因素均使开孔或开孔接管部位的应力比壳体中的膜应力为大，统称开孔或接管部位的应力集中。,49压力容器开孔接管后对应力分布和强度带来什么影响？,第三章 压力容器的整体设计问题,p101,49,50应力集中系数是指_和_的比值。容器开孔接管，除了_加上_，及_等因素的综合作用，其附近就成为压力容器的破坏源。,应力峰值,薄膜应力,开孔引起的应力集中,容器壳体与接管形成的结构不连续应力,壳体与接管连接处因不等截面过渡引起的应力集中,第三章 压力容器的整体设计问题,50,51在均匀内压作用的竖直的薄壁圆筒上开孔时，孔周边的的最大应力出现在：（ ） （A）孔周边任一点； （B）孔周边与水平线成45夹角处； （C）孔周边与水平线成60夹角处； （D）孔周边与水平线成90夹角处；,D,第三章 压力容器的整体设计问题,p102,51,52平板开孔的应力集中系数为： （ ） (A) 2； (B) 2.5； (C) 3； (D) 0.5,C,p102,第三章 压力容器的整体设计问题,52,53球壳开孔的应力集中系数为： （ ） (A) 2； (B) 2.5； (C) 3； (D) 0.5,第三章 压力容器的整体设计问题,A,p102,53,54圆筒开孔的应力集中系数为： （ ） (A) 2； (B) 2.5； (C) 3； (D) 0.5,第三章 压力容器的整体设计问题,B,p102,54,55应力指数 I 与应力集中系数 Kt 的区别？,第三章 压力容器的整体设计问题,应力指数I指考虑点(可以多个点)的应力分量(、t、r)与容器无开孔接管时的周向薄膜应力之比。 应力集中系数Kt指最大应力分量的点(只有一个点)与无应力集中时的计算应力(对容器来说也是无开孔接管时的周向计算薄膜应力)之比。 一个区域只有一个Kt值。Kt的大小可以衡量结构应力集中的优劣。 结构的应力指数I可以有多个(如拐角的内侧、外侧不同方向)，而且不一定是最大的。,p104,55,56目前我国容器设计中开孔补强的设计准则是_、分析法补强。 等面积补强的原则是：,等面积补强,在有效的补强范围内，壳体除本身承受内压所需截面积外的多余截面积不应少于开孔所减少的有效截面积,第三章 压力容器的整体设计问题,p108,56,57容器开孔后，局部补强结构形式有：_、_、_。,补强圈补强,整锻件补强,接管补强,第三章 压力容器的整体设计问题,补强圈补强结构简单，制造方便，使用经验丰富， 可用于任何场合。（ ）,57,p109,第三章 压力容器的整体设计问题,58,58有效补强范围有多大？,p110,第三章 压力容器的整体设计问题,59,59为了使跨中截面弯矩与支座截面弯矩数值上相近，对卧式容器鞍座的位置宜取 ( ) (A) A0.2L；(B) A0.5R；(C) A0.2L； (D) A = L/3,A,第三章 压力容器的整体设计问题,60,分析卧式容器鞍座的位置安放在何处时（设筒体总长为L；梁外伸长为A；筒体内半径为Ri），卧式容器受力较好？ （1）.按照材料力学的分析，可将卧式容器看成承受均布载荷的外伸梁，在支座和跨中截面弯矩绝对值相等时，为该梁的最佳支座位置，即A0.2L。 （2）.封头的刚性较大，为利用封头的刚性支撑作用，应尽量使支座靠近封头，有A0.5Ri。,61,卧式容器除了考虑由操作压力引起的薄膜应力外，还要考虑容器总重导致筒体横截面上的纵向弯矩和剪力，而且跨中截面和支座截面是容器可能发生失效的危险截面。为了进行强度或稳定性校核，需要确定危险截面上的最大应力的位置与大小。,60卧式容器中_和_是需校核的危险截面。,支座截面,跨中截面,第三章 压力容器的整体设计问题,p116,62,p117,61支承在双鞍座上正压操作的卧式容器，器壁中出现最大轴向拉伸应力的工况是：（ ） 装满物料而未升压；(B) 装满物料已升压 (C) 未装物料而升压；,A,第三章 压力容器的整体设计问题,63,第三章 压力容器的整体设计问题,62卧式容器鞍座跨中截面上筒体的最大轴向应力发生在_和_。,截面最高点,截面最低点,p116,64,支座截面上：,63卧式容器鞍座支座截面上筒体的最大轴向应力发生在_和_。,截面最高点,截面最低点,第三章 压力容器的整体设计问题,p117,65,64卧式容器筒体上的最大切向应力在筒体有加强圈时发生在_，筒体无加强圈但是被封头加强时，及筒体未被加强时分别在 _。,水平中心线处,p118,第三章 压力容器的整体设计问题,66,65卧式容器筒体上最大周向压缩应力发生在 （ ） 跨中截面最高处；（B）跨中截面最低处 (C) 支座截面最高处； (D) 支座截面最低处；,D,第三章 压力容器的整体设计问题,67,66压力容器在结构设计中减少局部应力的措施是 _； _。,局部载荷作用处加强，垫衬板减小局部应力,在结构不连续处尽可能圆滑过渡并避开焊缝,p136,第三章 压力容器的整体设计问题,68,p136,67压力封头和筒体连接处，为什么要直边段？,第三章 压力容器的整体设计问题,69,p136,68怎样把角焊缝变成对接焊缝？,第三章 压力容器的整体设计问题,70,第三章 压力容器的整体设计问题,69怎样把变径段的角焊缝变成对接焊缝？,p137,上下连接部位的结构不连续应力过大,30o45o时大端应采用带过渡区的折边锥壳,45o时小端也应采用带过渡区的折边锥壳,最好采用反向曲线形式的回转壳,71,第三章 压力容器的整体设计问题,70容器支座为什么最好要加垫板？,p137,72,71焊缝可以分为几类？,第三章 压力容器的整体设计问题,容器壳体的纵向焊缝及凸形封头的拼接焊缝承受最大主应力，均属于A类焊缝。,73,71焊缝可以分为几类？,第三章 压力容器的整体设计问题,壳体的环向焊缝受的主应力仅为纵焊缝应力的一半，将其分类为B类焊缝。,74,71焊缝可以分为几类？,第三章 压力容器的整体设计问题,球形封头与圆筒壳的连接环缝不属于B类而属于A类，因这条环缝相当于凸形封头上的拼接焊缝。A类及B类焊缝全部应为对接焊缝。,75,71焊缝可以分为几类？,第三章 压力容器的整体设计问题,法兰、平封头、管板等厚截面部件与壳体及管道的连接焊缝属C类焊缝，C类焊缝是填角焊缝,76,71焊缝可以分为几类？,第三章 压力容器的整体设计问题,接管、人孔或集液槽等与壳体或封头的连接焊缝属于D类焊缝，这基本上是不同尺寸的回转壳体相贯处的填角焊缝。,77,72压力容器焊接结构设计有哪些基本原则？,p139,第三章 压力容器的整体设计问题,78,72压力容器焊接结构设计有哪些基本原则？,第三章 压力容器的整体设计问题,p140,79,72压力容器焊接结构设计有哪些基本原则？,第三章 压力容器的整体设计问题,80,焊接接头是 焊肉 、 熔合区 、 热影响区 三部分的总称。,一般的讲，要尽量避免在焊缝上开孔，为什么？ 压力容器的焊缝往往存在如气孔、夹渣、未焊透、裂纹等焊接缺陷，焊缝热影响区往往由于存在焊接残余应力以及晶粒粗大，材料性能劣化，故焊缝为薄弱环节。而开孔使得强度削弱，引起应力集中。故要尽量避免在焊缝上开孔。,对压力容器焊接接头的余高加以限制的主要原因是（ ）。 （A）减小应力集中； （B）表面光滑好看 （C）方便安装、运输； （D）便于焊缝检验；,81,73外压容器除了强度外，还应考虑_问题。请举两个不同类型外压容器的例子：_、_。,失稳,真空操作的冷凝器、结晶器、蒸馏塔的外壳,带有加热或冷却夹套的反应器内壳,p148,第四章 外压容器设计,82,74怎样区分长圆筒和短圆筒？它们的的临界长度为 _。,p154,第四章 外压容器设计,83,75真空容器的设计压力：当装有安全控制装置时，取_，或_两者中的较小值；无安全装置时，取_。带夹套的真空容器，则按_ 加上_。,1.25倍最大内外压力差,0.1MPa,0.1MPa,上述真空容器选取的设计外压力,夹套内的设计内压力一起作为设计外压,第四章 外压容器设计,84,76现需设计一个在常温下操作的夹套冷却容器，内筒为真空，无安全控制装置，夹套内为0.8MPa (表压)冷却水，则校核内筒稳定性时的设计压力应取（ ） (A) 0.1MPa (B) 0.8MPa (C) 0.9MPa (D)1.0MPa,C,第四章 外压容器设计,85,77若将上述在常温夹套冷却容器，内筒为真空，改为有安全控制装置，夹套内为0.8MPa (表压)冷却水，则校核内筒稳定性时的设计压力应取 （ ） (A) 0.1MPa (B) 0.8MPa (C) 0.9MPa (D)1.0MPa,C,第四章 外压容器设计,86,由上式可知，在既定直径与材料下，提高外压容器的临界压力，可增加筒体厚度或减小计算长度，从减轻容器重量、节约贵重金属出发，减小计算长度更有利。在结构上即是在圆筒的内部或外部相隔一定的距离焊接用型钢做的加强圈。,p154,78现设计一不锈钢制真空精馏塔，经稳定性校核发现其壁厚不够，合理的处理办法是： （ ） (A) 减小直径(保持容器体积不变)；(B) 增加壁厚； (C) 改用强度高的材料； (D) 设置加强圈。,D,第四章 外压容器设计,87,79带夹套的压力容器，最危险的状况为 ( ) （A）内筒承受压力，而夹套尚未升压； （B）内筒承受压力，而夹套已经升压； （C）内筒突然泄压，而夹套仍有压力； （D）内筒已经泄压，而夹套没有压力；,C,第四章 外压容器设计,88,80均匀内压作用的厚壁圆筒中，径向应力r和周向应力沿壁厚的分布为 ( ) (A) 均匀分布；(B) 线性分布；(C) 非线性分布,C,第五章 高压及超容器设计,三向应力：,89,81厚壁圆筒中，外加热时最大拉伸温差应力在_，内加热时在_。,内壁面,p183,外壁面,第五章 高压及超容器设计,90,82厚壁圆筒的内壁温度较外壁温度低，在外壁产生的周向温度应力为 ( ) (A) 拉伸应力；(B) 压缩应力；(C) 弯曲应力；(D) 扭转应力,B,p183,第五章 高压及超容器设计,91,83厚壁圆筒既受内压又受温差作用时，内加热下_综合应力得到改善，而_有所恶化。外加热时则相反，_的综合应力恶化，_应力得到改善（ ） 外壁，内壁，外壁，内壁； (B) 外壁，内壁，内壁，外壁 (C) 内壁，外壁，内壁，外壁； (D) 内壁，外壁，外壁，内壁,p184,C,内壁,外壁,内壁,外壁,第五章 高压及超容器设计,92,84内压与温差同时作用的厚壁圆筒的内壁周向应力出现最大值的工况是：（ ） (A) 外部加热；(B) 内部加热；(C) 内外均不加热。,A,p184,第五章 高压及超容器设计,93,85请概述高压容器常用的三个失效准则：_、_和_。,1弹性失效设计准则 为防止筒体内壁发生屈服，以内壁相当应力达到屈服状态时发生弹性失效。将内壁的应力状态限制在弹性范围以内，为弹性失效设计准则。,p186,弹性失效设计准则,第五章 高压及超容器设计,这是目前世界各国使用得最多的设计准则，我国高压容器设计也习惯采用此准则。,94,85请概述高压容器常用的三个失效准则：_、_和_。,p186,弹性失效设计准则,塑性失效设计准则,第五章 高压及超容器设计,2塑性失效设计准则 当筒体内壁开始屈服时除内表面外的其他部分均处于弹性状态，筒体仍可提高承载能力。只有当载荷增大到筒壁的塑性层扩展至外壁，达到整体屈服时才认为达到失效状态，就是塑性失效。筒体整体发生塑性失效时的载荷即为极限载荷。按塑性失效的极限载荷作为高压筒体设计的基准再给予适当的安全系数便可确定筒体的壁厚，这就是塑性失效设计准则。,前苏联的设计规范曾采用了这种方法。,95,85请概述高压容器常用的三个失效准则：_、_和_。,p186,弹性失效设计准则,塑性失效设计准则,第五章 高压及超容器设计,3爆破失效设计准则 非理想塑性材料在筒体整体屈服后仍有继续承载的能力。随压力增加筒体屈服变形增大，筒体屈服强化。若材料强化使承载能力上升的因素与塑性大变形造成壁厚减薄承载能力下降的因素抵消，筒体无法增加承载能力，即将爆破，此时压力为筒体最大承载压力，称爆破压力。以容器爆破作失效状态，爆破压力作设计基准，考虑安全系数确定安全使用的压力或筒体设计壁厚，称为爆破失效设计准则。,爆破失效设计准则,96,86高压容器由于操作压力高，因此为了增加泄漏阻力，平垫密封的垫片应选用 ( ) (A) 宽面；(B) 窄面；(C) 螺栓园内外都有的全平面,B,第五章 高压及超容器设计,采用窄面密封 采用窄面密封代替中低压容器中常用的宽面密封有利于提高密封面比压，而且可大大减少总的密封力，减小密封螺栓的直径，也有利于减小整个法兰与封头的结构尺寸。有时甚至将窄面密封演变成线接触密封。,p190,97,87请简述自增强的基本原理。,第五章 高压及超容器设计,自增强处理就是将厚壁筒在使用前进行大于工作压力的超压处理，以形成预应力使工作时壁内应力趋于均匀。,超压形成塑性层和弹性层。卸压后塑性层有残余应变，弹性层受到该残余应变的阻挡恢复不到原来的位置，塑性层中形成残余压应力，弹性层中形成残余拉应力，筒壁中形成了预应力,p210,98,88容器的超压爆破过程可分为几个阶段？,第六章 化工容器设计技术进展,p216,99,88容器的超压爆破过程可分为几个阶段？,第六章 化工容器设计技术进展,p216,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。,100,88容器的超压爆破过程可分为几个阶段？,第六章 化工容器设计技术进展,p216,变形强化是本阶段主要特征。强化的变化率逐渐降低，到达C点时这两种影响相等，达到“塑性失稳”状态，承载能力达到最大即将爆破，容器已充分膨胀。,101,88容器的超压爆破过程可分为几个阶段？,第六章 化工容器设计技术进展,p216,正常的韧性爆破的容器，体积膨胀量(即进液量)在容器体积的10以上，这一量值越高，表示容器的韧性越好，在设计压力下越是安全。,102,89容器中产生应力的原因是什么？ (1) _； (2) _； (3) _； (4) _； (5) _。,由压力载荷引起的应力,第六章 化工容器设计技术进展,103,89容器中产生应力的原因是什么？ (1) _； (2) _； (3) _； (4) _； (5) _。,由压力载荷引起的应力,第六章 化工容器设计技术进展,由机械载荷引起的应力,(2)由机械载荷引起的应力 指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。虽求解复杂，但符合外载荷与内力平衡关系。往往仅存在于容器的局部，可称为局部应力。但风载与地震载荷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，是非均布非轴对称的载荷。,104,89容器中产生应力的原因是什么？ (1) _； (2) _； (3) _； (4) _； (5) _。,由压力载荷引起的应力,由机械载荷引起的应力,第六章 化工容器设计技术进展,(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。 例如夹套反应釜内筒在与夹套焊接的地方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)。请注意，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，称为总体不连续应力。沿壁厚的分布有的是线性分布有的也呈均布的。,由不连续效应引起的应力,105,89容器中产生应力的原因是什么？ (1) _； (2) _； (3) _； (4) _； (5) _。,由不连续效应引起的应力,由压力载荷引起的应力,由机械载荷引起的应力,第六章 化工容器设计技术进展,(4)由温差产生的热应力 由于壳壁温度沿经向(轴向)或径向(厚度方向)存在温差，引起热膨胀差，通过变形约束与协调便产生应力，这就是温差应力或称热应力。其“载荷”是温差，温差表明该类载荷的强弱，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。,由温差产生的热应力,106,89容器中产生应力的原因是什么？ (1) _； (2) _； (3) _； (4) _； (5) _。,由温差产生的热应力,由不连续效应引起的应力,由压力载荷引起的应力,由机械载荷引起的应力,第六章 化工容器设计技术进展,(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，依靠弹性力学方法求解。但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。,由应力集中引起的集中应力,107,89容器中产生应力的原因是什么？ (1) _； (2) _； (3) _； (4) _； (5) _。,由温差产生的热应力,由不连续效应引起的应力,由压力载荷引起的应力,由机械载荷引起的应力,第六章 化工容器设计技术进展,由应力集中引起的集中应力,108,(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。 例如夹套反应釜内筒在与夹套焊接的地方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)。,90不连续效应引起的不连续应力有三种情况 (1) _； (2) _； (3) _。,几何不连续,载荷不连续,材质不连续,第六章 化工容器设计技术进展,p224,109,91应力分类法将容器中的应力分为三大类： (1) _； (2) _； (3) _。,一次应力,第六章 化工容器设计技术进展,应力分类法将容器中的应力分为三大类：一次应力；二次应力；峰值应力。 (一) 一次应力P(Primary stress) 一次应力P也称基本应力，是平衡压力和其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力，可由外载荷的平衡关系求得，一次应力随外载荷的增加而增加。对于理想塑性材料，载荷达到极限状态时即使载荷不再增加，仍会产生不可限制的塑性流动，直至破坏，这就是一次应力的“非自限性”特征。,p226,110,(二) 二次应力Q (Secondary stress) 二次应力Q是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应力或切应力，基本特征是具有自限性。筒体与端盖的连接部位存在“相邻部件”的约束，厚壁容器内外壁存在温差时就形成“自身约束”。二次应力不是由外载荷直接产生的，即不是为平衡外载荷所必需的，而是在受载时在变形协调中产生的。当约束部位发生局部的屈服和小量的塑性流动使变形得到协调，产生这种应力的原因(变形差)便得到满足与缓和。亦即应力和变形也受到结构自身的抑制而不发展，这就是自限性。,91应力分类法将容器中的应力分为三大类： (1) _； (2) _； (3) _。,一次应力,第六章 化工容器设计技术进展,二次应力,111,(三)峰值应力F (Peakstress) 峰值应力F是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆性断裂。,91应力分类法将容器中的应力分为三大类： (1) _； (2) _； (3) _。,一次应力,第六章 化工容器设计技术进展,二次应力,峰值应力,112,一次总体薄膜应力Pm,92一次应力又可以分为如下三种： (1) _； (2) _ (3) _,一次应力可再分为如下三种： 1一次总体薄膜应力Pm(General primary membrane stress) 这是指在容器总体范围内存在的一次薄膜应力，在达到极限状态的塑性流动过程中不会发生重新分布。沿壁厚(截面)均匀分布的法向应力即薄膜应力，或者沿壁厚截面法向应力的平均值。,第六章 化工容器设计技术进展,一次总体薄膜应力的实例有：圆筒壳体及任何回转壳体的封头在远离结构不连续部位由压力引起的薄膜应力、厚壁圆筒由内压产生的轴向应力以及周向应力沿壁厚的平均值。,113,92一次应力又可以分为如下三种： (1) _； (2) _ (3) _,一次总体薄膜应力Pm,第六章 化工容器设计技术进展,2一次弯曲应力Pb (Primary bending stress) 由内压或其他机械载荷作用产生的沿壁厚成线性分布的法向应力。例如平板封头远离结构不连续区的中央部位在压力作用下产生的弯曲应力。,一次弯曲应力与一次总体薄膜应力的不同之处仅在于沿壁厚的分布是线性的而不是均布的。对受弯的板，当两个表面的应力达到屈服强度时，内部材料仍处于弹性状态，可以继续承载，此时应力沿壁厚的分布将重新调整。因此这种应力不像总体薄膜应力那样容易使壳体失效，允许有较高的许用应力。对一次弯曲应力可以用极限分析方法作强度校核。,一次弯曲应力Pb,114,92一次应力又可以分为如下三种： (1) _； (2) _ (3) _,一次总体薄膜应力Pm,第六章 化工容器设计技术进展,3一次局部薄膜应力PL(Primary local membrane stress) 指由内压或其他机械载荷在结构不连续区产生的薄膜应力(一次的)和结构不连续效应产生的薄膜应力(二次的)的统称，从保守考虑将此种应力划为一次局部薄膜应力。,例如圆筒中由压力产生的薄膜应力在远离不连续区的地方称一次总体薄膜应力(Pm)，而在不连续区则称为一次局部薄膜应力(PL)。又如由总体不连续效应在壳体的边缘区域产生的周向薄膜应力，虽然具有二次应力的性质，但从方便和稳妥考虑仍保守地视为一次性质应力。永久性支座或接管给予壳体的局部力与力矩而产生的薄膜应力也是一次局部薄膜应力。,一次弯曲应力Pb,一次局部薄膜应力PL,p226,115,92一次应力又可以分为如下三种： (1) _； (2) _ (3) _,一次总体薄膜应力Pm,第六章 化工容器设计技术进展,一次弯曲应力Pb,一次局部薄膜应力PL,p226,116,(二) 二次应力Q(Secondary stress) 二次应力Q是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应力或切应力，基本特征是具有自限性。,93二次应力的特点是具有 _性。,自限性,第六章 化工容器设计技术进展,p226,117,(三)峰值应力F(Peakstress) 峰值应力F是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆性断裂。,94峰值应力的特点是_ _,叠加到一次加二次应力之上,第六章 化工容器设计技术进展,的应力增量,p227,118,峰值应力F是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。,p227,95峰值应力是不是最大应力？,p229,第六章 化工容器设计技术进展,119,p229,96请指出各部分的应力分类,第六章 化工容器设计技术进展,(1)部位A 属远离结构不连续区域，受内压及径向温差载荷。由内压产生的应力分两种情况：当筒体尚属薄壁容器时其应力为一次总体薄膜应力(Pm)；当属厚壁容器时，内外壁应力的平均值为一次总体薄膜应力(Pm) ，而沿壁厚的应力梯度划为二次应力(Q)。线性与非线性间的差值，应分类为峰值应力F。,120,p229,96请指出各部分的应力分类,第六章 化工容器设计技术进展,(2)部位B 包括Bl,B2及B3几何不连续处，有内压产生的应力，处于不连续区，该应力沿壁厚的平均值划为一次局部薄膜应力(PL)，应力沿壁厚的梯度为二次应力(Q)。总体不连续效应产生的弯曲应力也为二次应力(Q)，不连续效应的周向薄膜应力应偏保守地划为一次局部薄膜应力(PL)。由径向温差产生的温差应力如部位A，作线性化处理后分为二次应力和峰值应力(Q+F)。Bl,B2和B3各部位的应力分类为PL+Q+F)。,121,p229,96请指出各部分的应力分类,第六章 化工容器设计技术进展,(3)部位C 既有内压在球壳与接管中产生的应力(PL+Q)；也有球壳与接管总体不连续效应应力(PL+Q)；还有因径向温差产生的温差应力(Q+F)；再有因小圆角(局部不连续)应力集中产生的峰值应力(F)。总计应为PL+Q+F)。由于部位C未涉及管端的外加弯矩，管子横截面中的一次弯曲应力Pb便不存在。又由于部位C为拐角处，内压引起的薄膜应力不应划分总体薄膜应力Pm，应分类为一次局部薄膜应力PL。,122,97基本许用