第 四 章压力容器的设计ppt课件

1、 4.1 概述概述 4.2 设计准则设计准则 4.3 常规设计常规设计 4.4 分析设计分析设计 4.5 疲劳分析疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展 分析设计方法分析设计方法不同失效形式不同失效形式压力容器压力容器发发 展趋展趋 势势大型化大型化选用高强度材料选用高强度材料高参数高参数本章着重本章着重 介介 绍绍压力容器的设计思想压力容器的设计思想常规设计方法常规设计方法弹性失效弹性失效4.1 概概 述述是设计的基本知识是设计的基本知识根据给定的根据给定的 ，遵循遵循 规定，规定，在确保在确保 的前提下，的前提下，经济、正确地经济、正确地 ，并进行结构、强刚度并进行结构

2、、强刚度 和密封设计。和密封设计。工艺设计条件工艺设计条件现行的规范标准现行的规范标准平安平安选择材料选择材料结构设计结构设计确定合理、经济的结构形式，满足制造、确定合理、经济的结构形式，满足制造、 检验、装配、运输和维修等要求。检验、装配、运输和维修等要求。强刚度设计强刚度设计确定结构尺寸，满足强度或刚度及确定结构尺寸，满足强度或刚度及 稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行。稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行。密封设计密封设计选择合适的密封结构和材料，保证密封性选择合适的密封结构和材料，保证密封性 能良好。能良好。4.1.1 设计要求设计要求安全性指结构完整性和密封安全性指结构完整性和密封

3、性。安全是前提，经济是目性。安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。下尽可能做到经济。经济性包括材料的节约经济性包括材料的节约,高的效率高的效率, 经济的制造过经济的制造过程程, 低的操作和维修费用低的操作和维修费用等。等。 安全性与经济性的统一安全性与经济性的统一设计文件：设计文件：设计图样、设计图样、技术条件、技术条件、强度计算书，强度计算书，必要时还应包括设计或安装、使用说明书。必要时还应包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。设计的表现形式，是设计者的劳动体现设计的

4、表现形式，是设计者的劳动体现 包括设计条件、所用规范和标准、资料、腐蚀裕量、包括设计条件、所用规范和标准、资料、腐蚀裕量、 计算厚度、名义厚度、计算应力等。计算厚度、名义厚度、计算应力等。 装设安全泄放装置的压力容器，还应计算压力容器安全装设安全泄放装置的压力容器，还应计算压力容器安全 泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积。泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积。 当采用计算机软件进行计算时，软件必须经当采用计算机软件进行计算时，软件必须经“全国全国 锅炉压力容器标准化技术委员会评审鉴定，并在锅炉压力容器标准化技术委员会评审鉴定，并在 国家质量监督检验检疫总局特种设备局认证备案，国家质量监督检验检疫

5、总局特种设备局认证备案， 打印结果中打印结果中 应有软件程序编号、输入数据和计算结果应有软件程序编号、输入数据和计算结果 等内容。等内容。强度计算书强度计算书:包括压力容器名称、类别；设计条件；包括压力容器名称、类别；设计条件；必要时应注明压力容器使用年限；必要时应注明压力容器使用年限；主要受压元件材料牌号及材料要求；主要受压元件材料牌号及材料要求；主要特性参数如容积、换热器换热面积与程数等）；主要特性参数如容积、换热器换热面积与程数等）；制造要求；热处理要求；防腐蚀要求；无损检测要求；制造要求；热处理要求；防腐蚀要求；无损检测要求；耐压试验和气密性试验要求；安全附件的规格；耐压试验和气密性试

6、验要求；安全附件的规格；压力容器铭牌的位置；包装、运输、现场组焊和安装要求；压力容器铭牌的位置；包装、运输、现场组焊和安装要求；以及其它特殊要求。以及其它特殊要求。设计图样设计图样总图总图零部件图零部件图总图总图4.1.3 设计条件设计条件设计的已知条件设计的已知条件设计条件设计条件常用设计条件图表示。常用设计条件图表示。工艺设计条件工艺设计条件设计条件图设计条件图原始原始数据数据工艺工艺要求要求简图简图用户用户要求要求接收接收表等表等简图简图示意性地画出容器本体、主要内件部分结构示意性地画出容器本体、主要内件部分结构 尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表达的尺寸、接管位置、支座形式及其它需要

7、表达的 内容。内容。设计设计用户要求包括：用户要求包括：设计条件图设计条件图搅拌容器条件图搅拌容器条件图塔器条件图塔器条件图换热器条件图换热器条件图一般容器条件图一般容器条件图应注明换热管规格、应注明换热管规格、管长及根数、排列管长及根数、排列形式、换热面积与形式、换热面积与程数等；程数等；应注明塔型浮阀应注明塔型浮阀塔、筛板塔或填料塔、筛板塔或填料塔）、塔板数量及塔）、塔板数量及间距、基本风压和间距、基本风压和地震设计烈度和场地震设计烈度和场地土类别等；地土类别等；应注明搅拌器形式、转应注明搅拌器形式、转速及转向、轴功率等。速及转向、轴功率等。4.1.4 设计的基本步骤设计的基本步骤1. 物

8、料衡算：2. 热量衡算：3. 设备的类型选择：4. 设备工艺尺寸确定：5. 设备部件的受力分析：6. 材料的选择：7. 设备初步设计：8. 施工图设计：9. 设备附件的选择：10. 安全附件的配用：10. 制造、验收与装配的技术条件：失效形式失效形式失效判据失效判据（选择）（选择）设计准则设计准则（相应）（相应）设计是否合理设计是否合理（判别）（判别）失效失效压力容器在规定的压力容器在规定的 使用环境和时间内，使用环境和时间内， 因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全 失去或不能达到原设计要求包括功能和失去或不能达到原设计要求包括功能和 寿命等的现象。寿命等的

9、现象。失效表现形式失效表现形式 失效原因失效原因多种多样多种多样泄漏泄漏过度变形过度变形断裂断裂一、压力容器失效形式一、压力容器失效形式（1强度失效强度失效（2刚度失效刚度失效（3失稳失效失稳失效（4泄漏失效泄漏失效失效形式失效形式(一一)、压力容器基本失效形式、压力容器基本失效形式a.韧性断裂韧性断裂韧性断裂是压力容器在载荷作用下，产生的韧性断裂是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应力达到或接近所用材料的强度极限而发生 的断裂。的断裂。（1强度失效强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，因材料屈服或断裂引起的压力容器失效， 称为强度失效，包括称为强度失效

10、，包括a韧性断裂、韧性断裂、 （b脆性断裂、（脆性断裂、（c疲劳断裂、疲劳断裂、 （d蠕变断裂、（蠕变断裂、（e腐蚀断裂等。腐蚀断裂等。特征特征原因原因断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长伸长率可达周长伸长率可达1020%，断口处厚度显著，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚减薄；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。度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。壁厚过薄和内压过高壁厚过薄和内压过高壁厚未经设计壁厚未经设计计算和壁厚因计算和壁厚因 腐蚀而减薄腐蚀而减薄操作失误、液体操作失误、液体受热膨胀、化

11、学受热膨胀、化学反应失控等。反应失控等。严格按照规范设计、选材，严格按照规范设计、选材，配备相应的安全附件，配备相应的安全附件，且运输、装置、使用、检修遵循有关的规定且运输、装置、使用、检修遵循有关的规定韧性断裂可以避免韧性断裂可以避免断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形；断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；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。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，其后果要比破片、安全阀等安全

12、附件不会动作，其后果要比韧性断裂严重得多。韧性断裂严重得多。特征特征b.脆性断裂脆性断裂脆性断裂是指变形量很小、且在壳壁中脆性断裂是指变形量很小、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。发生，故又称为低应力脆断。脆性断脆性断裂原因裂原因材料脆性和缺陷。材料脆性和缺陷。a. 材料选用不当、焊接与热处理不当使材料材料选用不当、焊接与热处理不当使材料 脆化；低温、长期在高温下运行、应变脆化；低温、长期在高温下运行、应变 时效等也会使材料脆化；时效等也会使材料脆化；

13、b. 压力容器用钢一般韧性较好，但若存在压力容器用钢一般韧性较好，但若存在 严重的原始缺陷如原材料的夹渣、严重的原始缺陷如原材料的夹渣、 分层、折叠等）、制造缺陷如焊接引分层、折叠等）、制造缺陷如焊接引 起的未熔透、裂纹等或使用中产生的起的未熔透、裂纹等或使用中产生的 缺陷，也会导致脆性断裂发生。缺陷，也会导致脆性断裂发生。 交变载荷交变载荷指大小和或方向都随时间周期性指大小和或方向都随时间周期性 （或无规则变化的载荷。（或无规则变化的载荷。 包括包括压力波动、开车停车；加热或冷却时温度变压力波动、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化引起的热应力变化；振动或容

14、器接管引起 的附加载荷的交变而形成的交变载荷。的附加载荷的交变而形成的交变载荷。需要指出需要指出原材料或制造过程中产生的裂纹，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也会在交变载荷的反复作用下扩展而导致 压力容器疲劳。压力容器疲劳。c.疲劳断裂疲劳断裂在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生 裂纹或突然发生断裂失效的过程。裂纹或突然发生断裂失效的过程。失效形式失效形式“未爆先漏未爆先漏” ，破坏需要有一定时间。，破坏需要有一定时间。疲劳破坏疲劳破坏包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。裂纹源裂

15、纹源往往往往位于接管根部、位于接管根部、焊接接头等高应焊接接头等高应力区或有缺陷的力区或有缺陷的部位。部位。裂纹扩展区裂纹扩展区是是疲劳断口最重要的疲劳断口最重要的特征区域。常呈现特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下纹扩展过程中留下的痕迹。的痕迹。瞬时断裂区瞬时断裂区裂纹扩展到一定裂纹扩展到一定程度时的快速断程度时的快速断裂区。裂区。疲劳断口疲劳断口裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。特征特征: 疲劳断裂时容器的总体应力值较低，断裂往往在疲劳断裂时容器的总体应力值较低，断裂往往在容器正常工作条件下发生，没有明显征兆，是突容器正常工

16、作条件下发生，没有明显征兆，是突发性破坏，接近脆断，危险性很大。发性破坏，接近脆断，危险性很大。从变形看从变形看 具有韧性断裂特征具有韧性断裂特征从应力看从应力看具有脆性断裂特征具有脆性断裂特征d.蠕变断裂蠕变断裂压力容器在高温下长期受载，随时间的增加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，造成壁厚明显减薄材料不断发生蠕变变形，造成壁厚明显减薄 与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。均匀腐蚀的减薄和均匀腐蚀的减薄和局部腐蚀的凹坑局部腐蚀的凹坑引起的断裂引起的断裂晶间腐蚀和应力腐蚀晶间腐蚀和应力腐蚀引起的断裂引起的断裂e.腐蚀断裂腐蚀断裂韧性断

17、裂特征脆性断裂特征。韧性断裂特征脆性断裂特征。（2刚度失效刚度失效 由于构件过度的弹性变形引起的失效。由于构件过度的弹性变形引起的失效。 （3失稳失效失稳失效 在压应力作用下，压力容器突然失去其在压应力作用下，压力容器突然失去其 原有的规则几何形状引起的失效。原有的规则几何形状引起的失效。 （4泄漏失效泄漏失效泄漏而引起的失效。泄漏而引起的失效。 危害危害: 可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故， 造成环境污染等。造成环境污染等。交互失效交互失效多种因素作用下同时发生多种形式的失效。多种因素作用下同时发生多种形式的失效。(二二)、交互失效形式、交互失效形式例如：例如：

18、 腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀介质腐蚀介质交变应力交变应力 蠕变疲劳蠕变疲劳 高高 温温交变应力交变应力压力容器最可能发生的失效形式压力容器最可能发生的失效形式二、失效判据与设计准则二、失效判据与设计准则设计思路设计思路求得压力容器在稳态或求得压力容器在稳态或瞬态工况下的力学响应瞬态工况下的力学响应（如应力、应变、固有频率等）（如应力、应变、固有频率等）确定力学响应的限制值以确定力学响应的限制值以判断压力容器能否安全使用判断压力容器能否安全使用是否获得满意的使用效果是否获得满意的使用效果（根据）（根据）(1)失效判据失效判据将力学分析将力学分析 结果与简单实验测量结果结果与简单实验测量结果 相比较，判

19、别压力容器是相比较，判别压力容器是 否会失效。这种判据，称否会失效。这种判据，称 为失效判据。为失效判据。（2设计准则设计准则根据失效根据失效 判据，再考虑各种不确判据，再考虑各种不确 定因素，引入安全系数，定因素，引入安全系数， 得到与失效判据相对应得到与失效判据相对应 的设计准则。的设计准则。分类分类强度失效设计准则强度失效设计准则刚度失效设计准则刚度失效设计准则稳定失效设计准则稳定失效设计准则泄漏失效设计准则泄漏失效设计准则适用的设计标准适用的设计标准压力容器设计时压力容器设计时先确定最有可能的失效形式最有可能的失效形式选择合适的失效叛据和设计准则合适的失效叛据和设计准则确定进行设计、校

20、核进行设计、校核再按照标准要求强度失效的两种主要形式：强度失效的两种主要形式：屈从屈从断裂断裂（在常温、静载作用下）（在常温、静载作用下）常用的强度失效设计准则：常用的强度失效设计准则：弹性失效设计准则弹性失效设计准则塑性失效设计准则塑性失效设计准则爆破失效设计准则爆破失效设计准则弹塑性失效设计准则弹塑性失效设计准则疲劳失效设计准则疲劳失效设计准则蠕变失效设计准则蠕变失效设计准则脆性断裂失效设计准则脆性断裂失效设计准则弹性失效设计准则弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。将容器总体部位的初始屈服视为失效。一、弹性失效设计准则一、弹性失效设计准则 （韧性材料）（韧性材料）1、单向拉伸

21、、单向拉伸最大拉应力准则最大拉应力准则s t失效判据的失效判据的数学表达试数学表达试相应的设计准则相应的设计准则最大拉应力准则最大拉应力准则屈服应力屈服应力许用应力许用应力最大拉应力最大拉应力s t t11（4-3）式中式中: 2、任意应力状态、任意应力状态（1最大切应力准则最大切应力准则屈雷斯卡屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判据屈服失效判据任意应力任意应力状态状态（4-4）s31 t31（最大切应力屈服失效判据）（最大切应力屈服失效判据）第三强度理论第三强度理论任意应任意应力状态力状态s)- ()- ()-(212132322212221223311( - )( - )( - ) 2t（4

22、-5） （2形状改变比能准则形状改变比能准则形状改变比能失效判据：形状改变比能失效判据：第四强度理论：第四强度理论：teqi21323222143131eq121eqeq3、应力强度或相当应力、应力强度或相当应力弹性失效设计准则统一：弹性失效设计准则统一：1、弹性失效准则与塑性失效准则的对比、弹性失效准则与塑性失效准则的对比二、塑性失效设计准则二、塑性失效设计准则sopp 2、塑性失效设计准则、塑性失效设计准则理想弹塑性材料，内压厚壁圆筒理想弹塑性材料，内压厚壁圆筒sosonpp （4-6）（4-7） p设计压力设计压力全屈服压力全屈服压力sopson全屈服安全系数压力容器一般具有应变硬化现象

23、压力容器一般具有应变硬化现象 爆破压力大于全屈服压力爆破压力大于全屈服压力（4-8）三、爆破失效设计准则三、爆破失效设计准则容器爆破作为失效判据容器爆破作为失效判据爆破失效设计准则：爆破失效设计准则：bbnpp bpbn爆破压力爆破压力爆破安全系数爆破安全系数 弹塑性失效设计准则又称为安定性准则，认为载荷变化范 围达到安定载荷，容器就失效。应用场合：适用于各种载荷应用场合：适用于各种载荷 不按同一比例递增、不按同一比例递增、 载荷大小反复变化。载荷大小反复变化。初始屈服载荷初始屈服载荷最大应力最大应力 点进入塑性相对应点进入塑性相对应 的载荷。的载荷。四、弹塑性失效设计准则四、弹塑性失效设计准

24、则 容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷 少量的局部塑性变形少量的局部塑性变形 残余应力场残余应力场 若容器所受的若容器所受的 载荷较小载荷较小 应力叠加后小于屈服点应力叠加后小于屈服点 保持弹性行为保持弹性行为 无新塑性变形无新塑性变形 “安定状态。安定状态。 载荷继续增大载荷继续增大 反向屈服，或塑性变形累积反向屈服，或塑性变形累积 丧失安定丧失安定 渐增塑性变形渐增塑性变形 “不安定状态。不安定状态。安定载荷安定载荷安定和不安定的临界状态相对应的载荷变化范围。安定和不安定的临界状态相对应的载荷变化范围。工程上工程上: 由于超过安定载荷后容器并不立即破坏，危险性较小，由于超过安定载荷后容器并不立即破坏，危险性较小，安定载荷的安全系数安定载荷的安全系数1.0，最大载荷变化范围，最大载荷变化范围 安定载荷。安定载荷。安定状态安定状态低周疲劳低周疲劳每次循环中材料都将产生一定的塑性应变，疲劳每次循环中材料都将产生一定的塑性应变，疲劳 破坏时的循环次数较低，一般在破坏时的循环次数较低，一般在105次以下。次以下。低周疲劳设计曲线低周疲劳设计曲线由试验及理论得，虚拟应力幅与许用循环由试验及理论得，虚拟应力幅与许用循环 次数之间的关系曲线。次数之间的关系曲线。疲劳