压力容器设计技术进展(1)ppt课件

1、第六章 压力容器设计技术进展 潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院第一节 近代化工容器设计技术进展概述第二节 化工容器的应力分析设计 第六章 压力容器设计技术进展 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 二、化工容器设计准那么的开展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的运用第六章 压力容器设计技术进展 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 James Watt (1736-1819)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 l核电站一个1500MW压水堆压力壳，任务压力为15MPa，任务温度为300C，容器内直径7800mm，壁厚3

2、17 mm，重650吨；l煤气化液化安装中的压力容器任务压力为20MPa，任务温度为500C，最大内直径达5000mm，壁厚为400 mm，重2600吨；l炼油厂加氢反响器的直径达4.5mm,厚280mm, 重约1000吨。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式容器设计的中心问题是平安。化工容器设计技术的近代进展时根本的出发点也是平安。容器的平安就是防止容器发生失效。容器的传统设计思想本质上就是防止容器发生“弹性失效。两种最根本的失效方式两种最根本的失效方式韧性破坏l随着技术的开展，遇到的容器失效有各种类型，针对不同的失效方式进而出现了不同的设计准那么。在讨论这些设计技术进展

3、之前有必要首先弄清容器的各种方式的失效，尤其最根本的爆破失效过程更需求弄清楚。下面就容器的韧性爆破和脆性爆破过程先作一些论述：(一) 容器的超压爆破过程 1容器的韧性爆破过程 一台受压容器，假设资料塑性韧性正常，设计正确，制造中未留下严重的缺陷，加压直至爆破的全过程普通属于韧性爆破过程。韧性爆破的全过程可以用图示容器液压爆破曲线OABCD来阐明，加压的几个阶段如下： 整体屈服压力爆破压力(A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 (一) 容器的超压爆破过程(1)弹性变形阶段 见OA，随着进液量(即

4、体积膨胀量)的添加，容器的变形增大，内压随之上升。这一阶段的根本特征是内压与容器变形量成正比，呈现出弹性行为。 A点表示内壁应力开场屈服，或表示容器的部分区域出现屈服，整个容器的整体弹性行为到此终止。 (A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 (一) 容器的超压爆破过程 (2)屈服变形阶段 AB段，容器从部分屈服到整体屈服的阶段，以内壁屈服到外壁也进入屈服的阶段。B点表示容器已进入整体屈服形状。假设容器的钢材具有屈服平台，这阶段包含塑性变形越过屈服平台的阶段，这是一个包含复杂过程的阶段，不同的容

5、器、不同的资料，这一阶段的外形与长短不同。 (A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 (一) 容器的超压爆破过程 (3)变形强化阶段 BC段，资料发生塑性变形不断强化，容器承载才干不断提高。但体积膨胀使壁厚减薄，承载才干下降。两者中强化影响大于减薄影响，强化提高承载才干的行为变成主要要素。强化的变化率逐渐降低，到C点时两种影响相等，到达总体“塑性失稳形状，承载才干到达最大即将爆破，此时容器已充分膨胀。 (A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段

6、(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 (一) 容器的超压爆破过程(4)爆破阶段 在CD段，减薄的影响大于强化的影响，容器的承载才干随着容器的大量膨胀而明显下降，壁厚迅速减薄，直至D点而爆裂。 (A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 (一) 容器的超压爆破过程 C点的内压力为爆破压力，正常韧性爆破的容器，爆破的体积膨胀量(即进液量)在容器体积的10以上，该值越高，容器的韧性越好，资料的塑性韧性和制造质量都很好，该容器在设计压力下很平安。接受的压力，爆破压力越高，爆破压力与设计压力的比值

7、越大那么越平安。 (A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 爆破压力(一) 容器的超压爆破过程 A点是开场屈服的压力，B点是容器进入屈服的压力。容器屈服压力指B点对应的压力整体屈服压力。从实验爆破曲线上断定A点及B点很困难。ASME1实验应力分析给出确定容器屈服压力的方法，按弹性线(OA)斜率增大一倍画一条经过坐标原点的斜线，与爆破曲线拐弯处的交点，即为屈服压力(整体屈服压力)。简称为二倍斜率法，工程上很有用。 (A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D

8、)爆破阶段(CD段)整体屈服压力第一节 近代化工容器设计技术进展概述 (一) 容器的超压爆破过程第一节 近代化工容器设计技术进展概述 2容器的脆性爆破过程第一节 近代化工容器设计技术进展概述 2容器的脆性爆破过程 容器的脆性爆破过程如图中OA，(或OA)曲线。这种爆破指容器在加压过程中没有发生充分的塑性变形鼓胀，甚至尚未到达屈服的时候就发生爆破。爆破时容器尚在弹性变形阶段至多是少量屈服变形阶段。 (A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 2容器的脆性爆破过程 脆性爆破的容器是由资料的脆性(例如低

9、温下的脆性)，或是由于有严重的焊接缺陷(例如裂纹)引起。也能够两者同时起作用，既有严重缺陷又遇资料变脆(如焊接热影响区的脆化或容器长期在中高温度下服役致使资料显著脆化)从而引起脆断。(A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 2容器的脆性爆破过程 脆性爆破的容器由于体积变形量很小，其平安裕量很少，应竭力防止。发生脆断，容器爆裂出碎片飞出，产生极大的危害，带来灾难性的后果。 容器的韧性爆破和脆性爆破是容器爆破的两种根本典型的方式。实践容器的失效不一定是爆破，而有更多的缘由和方式，下面将讨论容器的失效

10、方式问题和容器设计应采用的相应的准那么 (A)弹性变形阶段(OA段) (B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 1容器常见的失效方式 (1) 过度变形 容器的总体或部分发生过度变形，包括过量的弹性变形，过量的塑性变形，塑性失稳(增量垮坍)，例如总体上大范围鼓胀，或部分鼓胀，应以为容器已失效，不能保证运用平安。过度变形阐明容器在总体上或部分区域发生了塑性失效，处于非常危险的形状。例如法兰的设计稍薄，强度上尚可满足要求，但由于刚度缺乏产生永久变形，导致介质走漏，这是由于塑性失效的过度变形而导致的失效。 第一节

11、 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 1容器常见的失效方式 (2) 韧性爆破 容器发生了塑性大变形的破裂失效，相当于图中曲线BCD阶段情况下的破裂，这属于超载下的爆破，一种能够是超压，另一种能够是本身大面积的壁厚较薄。这是一种经过塑性大变形的塑性失效之后再开展为爆破的失效，亦称为“塑性失稳(Plastic collapse)，爆破后易引起灾难性的后果。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 1容器常见的失效方式 (3) 脆性爆破 这是一种没有经过充分塑性大变形的容器破裂失效。资料的脆性和严重的超标缺陷均会导致这种破裂，或者两种缘由兼有。脆性爆破时容器能够裂成碎

12、片飞出，也能够仅沿纵向裂开一条缝；资料愈脆，特别是总体上愈脆那么愈易构成碎片。假设仅是焊缝或热影响较脆，那么易裂开一条缝。构成碎片的脆性爆破特别容易引起灾难性后果。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 1容器常见的失效方式 (4) 疲劳失效 交变载荷容易使容器的应力集中部位资料发生疲劳损伤，萌生疲劳裂纹并扩展导致疲劳失效。疲劳失效包括资料的疲劳损伤(构成宏观裂纹)并疲劳扩展和构造的疲劳断裂等情况。容器疲劳断裂的最终失效方式一种是发生走漏，称为“未爆先漏(LBB, Leak Before Break)，另一种是爆破，可称为“未漏先爆。爆裂的方式取决于构造的厚度、资料的韧性，

13、并与缺陷的大小有关。疲劳裂纹的断口上普通会留下肉眼可见的贝壳状的疲劳条纹。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 1容器常见的失效方式 (5) 蠕变失效 容器长期在高温下运转和受载，金属资料会随时间不断发生蠕变损伤，逐渐出现明显的鼓胀与减薄，破裂而成事故。即使载荷恒定和应力低于屈服点也会发生蠕变失效，不同资料在高温下的蠕变行为有所不同。 资料高温下的蠕变损伤是晶界的弱化和在应力作用下的沿晶界的滑移，晶界上构成蠕变空洞。时间愈长空洞那么愈多愈大，宏观上出现蠕变变形。 当空洞连成片并扩展时即构成蠕变裂纹，最终发生蠕变断裂的事故。 资料经受蠕变损伤后在性能上表现出强度下降和韧性降

14、低，即蠕变脆化。 蠕变失效的宏观表现是过度变形(蠕胀)，最终是由蠕变裂纹扩展而断裂(爆破或走漏)。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 1容器常见的失效方式 (6) 腐蚀失效 这是与环境介质有关的失效方式。化工容器接触的腐蚀性介质非常复杂，腐蚀机理属于两大类：化学腐蚀与电化学腐蚀。区别在于构成腐蚀化合物过程中能否在原子间有电荷的转移。就腐蚀失效的形状可分为如下几种典型情况： 全面腐蚀(亦称均匀腐蚀)；部分腐蚀；集中腐蚀(即点腐蚀)；晶间腐蚀；应力腐蚀；缝隙腐蚀；氢腐蚀；选择性腐蚀。 腐蚀开展到总体强度缺乏(由全面腐蚀、晶间腐蚀或氢腐蚀引起)或部分强度缺乏时，可以为已腐蚀失

15、效。腐蚀开展轻者呵斥走漏、部分塑性失稳或总体塑性失稳，严重时可导致爆破。由应力腐蚀构成宏观裂纹，扩展后也会导致走漏或低应力脆断。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 1容器常见的失效方式 (7) 失稳失效 容器在外压(包括真空)的压应力作用下丧失稳定性而发生的皱折变形称为失稳失效。皱折可以是部分的也可以是总体的。高塔在过大的轴向压力(风载、地震载荷)作用下也会皱折而引起倒塌。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 1容器常见的失效方式 (8) 走漏失效 容器及管道可拆密封部位的密封系统中每一个零部件的失效都会引起走漏失效。例如法兰的刚性缺乏导致法兰的过

16、度变形而影响对垫片的压紧，紧固螺栓因设计不当或锈蚀而过度伸长也会导致走漏，垫片的密封比压缺乏、垫片老化短少反弹才干都会引起走漏失效。系统中每一零部件均会导致走漏失效，所以密封失效不是一个独立的失效方式，而是综合性的。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 2容器的交互失效方式 (1) 腐蚀疲劳 在交变载荷和腐蚀介质交互作用下构成裂纹并扩展的交互失效。由于腐蚀介质的作用而引起抗疲劳性能的降低，在交变载荷作用下首先在外表有应力集中的地方发生疲劳损伤，在延续的腐蚀环境作用下开展为裂纹，最终发生走漏或断裂。对应力腐蚀敏感与不敏感的资料都能够发生腐蚀疲劳，交变应力和腐蚀介质均加速了这

17、一损伤过程的进程，使容器寿命大为降低。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 2容器的交互失效方式 (2)蠕变疲劳 这是指高温容器既出现了蠕变变形又同时接受交变载荷作用而在应力集中的部分区域出现过度膨胀以致构成裂纹直至破裂。蠕变导致过度变形，载荷的交变导致萌生疲劳裂纹和裂纹扩展。因蠕变和疲劳交互作用失效的容器既有明显宏观变形的特点又有疲劳断口光整的特点。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 二、化工容器设计准那么的开展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的运用第六章 压力容器设计技术进展 二、化工容器的设

18、计准那么开展 (1) 弹性失效设计准那么 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资料的屈服点以下，保证容器的总体部位一直处于弹性形状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引见的方法，这依然是现今容器设计首先应遵照的准那么。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 二、化工容器的设计准那么开展 (2) 塑性失效设计准那么 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才干。将容器总体部位进入整体屈服时的形状或部分区域沿整个壁厚进入全屈服形状称为塑性失效形状，假设资料符合理想塑性假设，载荷不需继续添加，变形会无限制开展下去，称此载荷为极

19、限载荷。将极限载荷作为设计根据加以限制，防止总体塑性变形，称极限设计。“极限设计准那么即塑性失效设计准那么。用塑性力学方法求解构造的极限载荷是这种设计准那么的根底。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 Treaca屈服条件或Mises屈服条件二、化工容器的设计准那么开展 (3) 爆破失效设计准那么 非理想塑性资料在屈服后尚有加强的才干，对于容器(主要是厚壁的)在整体屈服后仍有继续加强的承载才干，直到容器到达爆破时的载荷才为最大载荷。假设以容器爆破作为失效形状，以爆破压力作为设计的根据并加以限制，以防止发生爆破，这就是容器的爆破失效设计准那么。高压容器章所引见的Faupel公式就是这一准那么的表

20、达。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 二、化工容器的设计准那么开展 (4) 弹塑性失效设计准那么 假设容器的某一部分区域，一部分资料发生了屈服，而其他大部分区域仍为弹性形状，而弹性部分又能约束着塑性区的塑性流动变形，构造处于这种弹塑性形状可以以为并不一定意味着失效。只需当容器某一部分弹塑性区域内的塑性区中的应力超越了由“安定性原理确定的许用值时才以为构造丧失了“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那么，亦称为安定性准那么。本章第二节将详细引见这一准那么。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 二、化工容器的设计准那么开展 (5) 疲劳失效设计准那么 为防止容器发生疲劳

21、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干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那么。这是20世纪60年代由美国开展起来的。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 二、化工容器的设计准那么开展 (6) 断裂失效设计准那么 实践难于防止裂纹，包括制造裂纹(焊接裂纹)和运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资料提出必需到达的韧性目的，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，而是对容器运用假设干年后的一种平安性估计。新制造的容器，设计

22、时是假定容器内产生了可以检测到的裂纹，经过断裂力学方法对资料的韧性(主要是指断裂韧性)提出必需保证到达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，可用断裂力学评价能否平安，即压力容器的缺陷评定。这是基于断裂失效设计准那么(或称防脆断失效设计准那么)的方法。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 二、化工容器的设计准那么开展 (7) 蠕变失效设计准那么 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运用期内不发生蠕变失效，这就是蠕变失效设计准那么。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 (8) 失稳失效设计准那么 外压容器

23、的失稳皱折需按照稳定性实际进展稳定性校核，这就是失稳失效的设计准那么。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。 二、化工容器的设计准那么开展 (9) 刚度失效设计准那么 经过对构造的变形分析，将构造中特定点的线位移及角位移限制在允许的范围内，即保证构造有足够的刚度。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 二、化工容器的设计准那么开展 (10) 走漏失效设计准那么 法兰的密封设计及转轴密封

24、设计中合理的设计方法应限制介质的走漏率不得超越允许的走漏率。由于介质的走漏率与构造设计、密封资料的性能和紧固件所施加的载荷亲密有关，非常复杂，所以走漏失效设计准那么很难建立。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讨与实验的根底上建立了走漏失效的设计准那么与方法。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 二、化工容器的设计准那么开展 以上设计准那么都是近代化工容器中已被采用的，除弹性失效设计准那么、塑性失效设计准那么、爆破失效设计准那么和失稳失效设计准那么在20世纪60年代以前就逐渐成熟运用于容器的工程设计之外，弹塑性失效设计准那么、疲劳失效设计准那么、断裂失效设计准那么以

25、及蠕变失效设计准那么均是这个年代及以后逐渐出现并成熟起来的，反映出设计实际的进展与突破。腐蚀失效所对应的设计准那么比较复杂，它所涉及的不是一个独立的准那么。 各种不同的腐蚀失效形状所对应的设计准那么是多种多样的，有些还没有相应的设计准那么。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效方式 二、化工容器设计准那么的开展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的运用第六章 压力容器设计技术进展 三、容器设计规范的主要进展 (一)分析设计规范的出现和运用 大型高参数及高强资料的容器如何设计得更平安而又合理，一方面依托详细的应力分析，另一方面更重要

26、的是要正确估计各种应力对容器失效的不同影响。将不同类型的应力分别按不同的强度设计准那么进展限制。ASME在1955年设立了“评述规范应力基准特别委员会，对许用应力的基准进展研讨，制定对不同类型的应力采用不同设计准那么的规范。 1965年构成了ASME规范的第卷第一版，在核电站的核容器设计中采用了以应力分析为根底的设计方法。对容器的危险点进展详细的应力分析，根据缘由和性质对应力进展分类，按各类应力对容器失效的危害性的差别采用不同的准那么加以限制。即“以应力分析为根底的设计，简称“分析设计(Design by Analysis)。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展

27、(一)分析设计规范的出现和运用 1968年ASME规范第卷“压力容器正式分为两册，第一册(ASME1)为传统的规那么设计(Design by Rules)规范，第二册(ASME2)即为“分析设计规范 (Design by Analysis) 。分析设计法是建立在更为科学的根底上的设计方法，更为合理可靠。 英国从1976年开场在BS 5500规范中列入了压力容器分析设计的内容。日本的JIS 8250规范(即“压力容器构造另一规范)在1983年生效。1993年调整为JIS 8281即“压力容器的应力分析和疲劳分析。中国的容器分析设计规范于1995年以行业规范的方式正式公布，称为“JB 4732钢制

28、压力容器分析设计规范。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (二)疲劳设计规范的制定 在交变载荷作用下容器应力集中区域特别容易发生疲劳失效，压力容器的疲劳不同于普通疲劳问题，属于高应变(即在屈服点以上的)低周次的疲劳失效，亦称“低周疲劳。根据大量实验研讨和实际分析建立了平安应力幅(Sa)与许用循环周次(N)的低周疲劳设计曲线，即SaN曲线。成了压力容器疲劳设计的根底。由于疲劳设计必需以应力分析和应力分类为根底，疲劳设计是压力容器分析设计的重要组成部分。目前各主要工业国家都吸收ASME2的方法制定了疲劳设计规范。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的

29、主要进展 (三)防脆断设计规范的建立 低应力脆断是压力容器的主要失效方式之一，特别是由高强度资料制成的厚壁焊接容器中容易发生。在断裂力学获得重要成就的根底上，引入容器设计中构成了“防脆断设计这一内容。美国于1971年在ASME第卷的附录G中列入了核容器设计时应思索的防止因裂纹性缺陷导致压力容器发生低应力脆断的“防脆断设计内容。在ASME规范第卷附录A中引入了核容器在役检验时如何用断裂力学方法对裂纹缺陷进展平安评定的内容。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (四)高温容器蠕变设计的开展 高温容器常规的设计方法仅表达在许用应力按高温蠕变强度或耐久强度选取，缺乏以表达高

30、温容器的寿命设计问题。高温蠕变失效问题的深化研讨，将高温下蠕变的变形速率及变形量作为高温容器寿命设计的主要内容，构成了近代高温容器设计的新准那么。由于高温问题的复杂性，这一设计方法目前尚未进入规范。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五)欧盟EN13445规范的问世 美国ASME锅炉压力容器规范在世界各国产生了近一个世纪的艰苦影响。欧洲规范化组织(CEN)制定的EN 13445非直接火压力容器规范已于2002年问世，涵盖了0.05MPa以上压力容器的常规设计方法、应力分类法、分析设计法与疲劳设计法，而且提出了许多设计的新概念及新设计方法。针对防止密封失效所提出

31、的限定各种走漏率的密封设计方法是非常有特征的。以致在世界压力容器技术规范方面构成了美国ASME和欧盟13445两大体系的新格局。这些都非常值得注重和深化研讨。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五)欧盟EN13445规范的问世 EN13445适用于设计压力大于0.5巴，资料为铁素体或奥氏体钢的非直接接触火焰压力容器，设计温度低于钢材蠕变控制许用应力的相应温度。该规范不适用于以下承压设备：挪动式压力容器；失效后导致辐射影响的核设备上的压力容器；能产生110以上过热水蒸气的压力容器；采用铆接构造的压力容器；灰口铸铁和其他EN13445-2和EN13445-6中没有

32、包括的资料制造的压力容器；多层容器和经自加强处置包括内外表挤压处置的容器；长输管道和工业管道。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445规范的问世 主要内容规范共分七篇： (1) EN13445-1 总那么，引见规范运用的主要根本原理，并提出适用于规范的一些定义、物理量、符号以及单位。在这一部分中还要求制造厂商编制完备的设计阐明书和相关技术文件。 (2) EN13445-2 资料，详细阐明了规范支持的用于非直接接触火焰压力容器的金属资料种类以及资料的选择、审查、检测和标志。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五

33、) 欧盟EN13445规范的问世 主要内容规范共分七篇： (3) EN13445-3 设计，提供了内、外压容器和承压元件的设计原理与计算方法。主要包括各种外形的壳体、矩形截面容器、换热器管板以及开孔补强等的设计方法。同时也给出受部分载荷或非压力载荷作用下容器各个部件的设计方法。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445规范的问世 主要内容规范共分七篇： (4) EN13445-4 制造，详细阐明了各个部件制造过程中的要求，即资料的制造和分包，加工过程中监测、加工公差、焊接要求、成形加工要求、产品实验、热处置、修缮和最后完成的工序等。这一部分的要

34、求不适用采用分析设计直接法的压力容器。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445规范的问世 主要内容规范共分七篇： (5) EN13445-5 检测与实验，按照该规范对压力容器的要求，引见了各种检测和实验程序，其中包括对设计资料和技术文件的审查。无损检测是这一部分的主要内容，包括检测文件、资料跟踪报告、焊缝两侧的修整以及焊缝检测程序等。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445规范的问世 主要内容规范共分七篇： (6) EN13445-6 球墨铸铁资料压力容器及部件的设计、制造要求，指出了球墨铸

35、铁压力容器的设计与检测方法的特殊要求，如最大许用压力、壁厚和无损检测、外观检测等都需求有其专门的规定。 (7) EN13445-7 规范运用指南，按照该指南的方法，使EN13445的评价方式、危险性目的和容器分类都符合PED的平安性要求。 (Pressure Equipment Directive 97/23/EC, PED) 承压设备法令 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445规范的问世 主要内容规范共分七篇： EN13445的诞生使世界上有了一套全新的压力容器规范，它的本意是为了详细表达欧盟承压设备法令对于压力容器的根本平安要求，废除欧

36、盟各成员国因压力容器规范的不同而构成的贸易壁垒，促进压力容器设备在欧盟范围内的自在贸易及平安运转，同时防止不用要的反复认证和检验而呵斥的浪费。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445规范的问世 主要内容规范共分七篇： 它的许多创新成果对于我国压力容器技术开展和规范制定都有重要的参考价值，比如它在分析设计方面的直接法、在开孔补强方面的压力面积法、在疲劳设计方面的简单疲劳寿命评定法及正在完善中的高温 (蠕变)设计、实验设计方法等等，都是值得我们自创的，它的疲劳设计也在进一步的开展中。 。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第一节 近代化工容器设

37、计技术进展概述 一、容器的失效方式 二、化工容器设计准那么的开展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的运用第六章 压力容器设计技术进展 四、近代设计方法的运用 (一)数值分析法 现代压力容器的分析设计、疲劳设计等，涉及到对容器特殊部位的详细应力分析，大部分情况将必需依托数值计算方法借助电子计算机来完成。常用的数值计算方法是有限元素法。将延续的构造体离散为有限个单元，单元间靠节点相连，有限数量的单元组合体来替代原有的延续体。建立外载荷作用下的方程，这是个大型联立方程组，由计算机完成计算。可用来处理杆系、板、壳、轴对称与非轴对称构造的节点位移、应变与应力的计算。有限元法可求解静态应力、热

38、应力以及稳定问题和振动问题。可求解弹性、弹塑性、蠕变和大挠度问题，还可求解构造发生塑性失效的极限载荷。国际上有许多著名的构造分析的有限元程序，如ANSYS等。涉及构外型性大变形等非线性问题时，用ABAQUSStandard更显优越。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 四、近代设计方法的运用 (二)计算机辅助设计 将容器设计的规范计算方法编制成计算机程序替代人工设计并用计算机完成绘图，这就是现代的计算机辅助设计(CAD)。现将容器计算规范的全部内容编制成一个大型程序，便成为可包罗容器设计计算全部内容的“软件包。设计时只需输入必要的信息和指令，可自动调用软件包中的恣意一章或数章，由计算机完成全部

39、计算，计算结果可全部打印出来。还可由计算机完成绘图任务，大大提高设计任务的效率。用计算机替代人工绘图是采用编制好的化工容器及化工设备绘图软件，根据设计人员的指令进展总图与零部件图的绘制。中国已具有这方面的较为成熟的商品软件，许多专业设计院所已正式采用 。第一节 近代化工容器设计技术进展概述 四、近代设计方法的运用 (三)优化设计与专家系统 压力容器的优化设计就是有综合决策功能的设计。三方面的参数需处置：构造的独立设计参数，如资料性能、设备尺寸、设计压力与温度等；构造形状参数(中间变量)，如应力、形变、压力降等，需经计算分析后获得；构造性能参数，如本钱、利润、分量、容积、效率、功率或精度等，这些

40、是设计追求优化的目的，因此称为目的函数。优化设计是经过优化方法反复迭代演算，得到符合优化目的的明确的最优结果。优化设计必需依托计算机进展，中心问题是选择适当的优化方法。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 四、近代设计方法的运用 (三)优化设计与专家系统 压力容器领域中的许多问题需求由拥有这一领域知识、熟知其规律和方法的专家才干处理。假设建立一计算机软件系统，使其拥有像人类专家一样的分析、推理、学习、综合判别与决策的才干，可以得到和专家一样的结论，起到专家的作用，这就是人工智能技术中的专家系统。普通软件只是用计算机直接搜索现存的答案，而专家系统中储存的是进展逻辑推理的才干、必要的知识库和数据

41、库，容器专家系统可在设计决策、运转管理、缺点分析等方面发扬特殊作用。 第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第一节 近代化工容器设计技术进展概述第二节 化工容器的应力分析设计 第六章 压力容器设计技术进展 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计方法概述 二、容器的应力分类 三、分析设计法对各类应力强度的限制 四、应力分析设计的程序及运用第六章 压力容器设计技术进展 一、分析设计法概述 以上各章所述的容器设计方法都基于弹性失效设计准那么，将容器中最大应力限制在弹性范围内可保证平安。这种“规那么设计方法对设计的容器根本上是平安的，主要着眼于限制容器中的最大薄膜应力或其他由机械载荷直接产生的弯

42、曲应力及剪应力等。这种方法仍是现今设计规范的主流。但该当看到，这种设计方法对容器中的某些应力，例如构造不延续应力，开孔接纳部位的集中应力等并不逐一进展强度校核，特别是当载荷(压力或温度)有交变能够引起构造的疲劳失效时也未对这些应力进展平安性校核。第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 随着技术的开展，核容器和大型化的高参数化工容器的广泛运用，工程师们逐渐认识到各种不同的应力对容器的失效有不同的影响。应从产生应力的缘由、作用的部位及对失效的影响几方面将容器中的应力进展合理的分类，构成了“应力分类的概念和相应的工程设计方法。按不同类别的应力能够引起的失效方式建立起弹性失效、塑性失效、弹

43、塑性失效及疲劳失效的设计与校核方法，并给出不同的应力限制条件。这就是应力分析设计的总体思想。这套方法的根底首先要对容器中关键部位逐一进展应力分析，然后才干进展应力分类。第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (1) 由压力载荷引起的应力由内外介质均布压力载荷在回转壳体中产生的应力。可依托外载荷与内力的平衡关系求解。在薄壁壳体中这种应力即为沿壁厚均匀分布的薄膜应力，并在容器的总体范围内存在。第二节 化工容器的应力分析设计 l厚壁容器中的应力是沿壁厚呈非线性分布形状，可以分解为均布分量和非均布分量。 一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (2) 由机械载荷

44、引起的应力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。这种应力虽求解复杂，但也是符合外载荷与内力平衡关系的。这类载荷引起的应力往往仅存在于容器的部分，亦可称为部分应力。风载与地震载荷也是压力载荷以外的其他机械载荷，也满足载荷与内力的平衡关系，但作用范围不是部分的，而且与时间有关，作为静载荷处置时普及容器整体，是非均布非轴对称的载荷。 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (3) 由不延续效应引起的不延续应力以下三种情况均会产生不延续应力： 几何不延续(如曲率半径有突变)； 载荷不延续； 材质不延续。 例如夹套反响釜的内筒在与夹套相焊接

45、的地方就同时存在几何不延续与载荷不延续(实践上还有轴向温度的不延续)。构造不延续应力不是由压力载荷直接引起的，而是由构造的变形协调引起的，在壳体上的分布范围较大，可称为总体不延续应力。其沿壁厚的分布有的是线性分布有的也呈均布的。 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (4) 由温差产生的热应力： 壳壁温度沿经向(轴向)或径向(厚度方向)存在温差，便引起热膨胀差，经过变形的约束与协调便产生应力，这就是温差应力或称热应力。引起热应力的“载荷是温差，温差阐明该类载荷的强弱，故称为热载荷，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

46、总体范围，有的是部分范围。温差应力沿壁厚方向的分布能够是线性的或非线性的，有些那么能够是均布的。 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 (一)容器的载荷与应力 (5) 由应力集中引起的集中应力： 容器上的开孔边缘、接纳根部、小圆角过渡处因应力集中而构成的集中应力，其峰值能够比根本应力高出数倍。数值虽大，但分布范围很小。应力集中问题的求解普通不涉及壳体中性面的总体不延续问题，主要是部分构造不延续问题，并依托弹性力学方法求解。实践很难求得实际的弹性解，常用实验方法测定或采用数值解求得。 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (1) 薄膜应

47、力(Membrane stress) ：是沿截面厚度均匀分布的应力成分，其等于沿所思索截面厚度的应力平均值。 (2) 弯曲应力(Bending stress) ：是法向应力沿截面厚度上的变化分量。沿厚度的变化可以是线性的，也可以不是线性的。最大值发生在容器的外表处，设计时取最大值。分析设计的弯曲应力是指线性的。(3) 法向应力(Normal stress) ：垂直于所思索截面的应力分量，也称正应力。通常法向应力沿部件厚度的分布是不均匀的，可将法向应力视为由两种成分组成，一是均匀分布的成分，该截面厚度应力的平均值(即为薄膜应力)；另一是沿截面厚度各点而变化的成分，能够是线性的，也能够是非线性的。

48、 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (4) 切应力(Shear stress) ：是与所思索截面相切的应力成分 。 (5) 应力强度(Stress intensity) ：某处的应力假设系三向或二向应力时，其组合应力基于第三强度实际的当量强度。规定为给定点处最大剪应力的两倍，即给定点处最大主应力与最小主应力的代数值(拉应力为正值，压应力为负值)之差。(6) 总体构造不延续(Gross structural discontinuity ) ：指几何外形或资料不延续，使构造在较大范围内的应力或应变发生变化，对构造总的应力分布与变形产生显著影响。总体

49、构造不延续的实例如：封头、法兰、接纳、支座等与壳体的衔接处，不等直径或不等壁厚、或弹性模量不等的壳体的衔接处。 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 (二) 应力分析设计中的术语： (7) 部分构造不延续(Local structural discontinuity ) ：指几何外形和资料的不延续，仅使构造在很小范围内的应力或应变发生变化，对构造总的应力分布和变形无显著影响。例如小的过渡圆角处，壳体与小附件衔接处，以及未全熔透的焊缝处。 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计法概述 (三) 各种应力对容器失效的影响 第二节 化工容器的应力分析设计 爆破总发生在远离封头的圆筒

50、体中部，从中央向两头撕裂 封头与筒体衔接处存在较大的不延续应力，但爆破不从这里开场 不同的应力引起容器失效的方式不同。 一、分析设计法概述 (三) 各种应力对容器失效的影响 第二节 化工容器的应力分析设计 l内压产生的应力使容器在总体范围内发生弹性失效或塑性失效，即膜应力可使筒体屈服变形，以致爆破。外压引起总体刚性失稳，即外形失稳。l其他机械载荷产生的部分应力使容器发生部分范围弹性失效或塑性失效。l总体构造不延续应力，由于相邻部位存在相互约束，能够使部分资料屈服进入弹塑性形状，可呵斥弹塑性失效。l总体热应力也会呵斥容器的弹塑性失效。l应力集中(部分构造不延续)及部分热应力使部分资料屈服，虽然可

51、以呵斥弹塑性失效，但只涉及范围极小的部分，不会呵斥容器过度变形。l在交变载荷作用下，这种应力再叠加上压力载荷的应力及不延续应力会使容器出现疲劳裂纹，主要危害是导致疲劳失效。 一、分析设计法概述 (四) 以应力分析为根底的设计方法 第二节 化工容器的应力分析设计 l应力分析设计的指点思想应力分析设计的指点思想容器上存在不同载荷及不同的应力，而且对容器上存在不同载荷及不同的应力，而且对容器失效的影响又各不一样，因此就该当更为科学地将应力进展分类，容器失效的影响又各不一样，因此就该当更为科学地将应力进展分类，并按不同的失效方式和设计准那么进展应力强度校核。并按不同的失效方式和设计准那么进展应力强度校

52、核。l分析设计法分析设计法按这种设计思想进展容器设计时必先进展详细的应力分析，按这种设计思想进展容器设计时必先进展详细的应力分析，将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进展应力分类，将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进展应力分类，再按不同的设计准那么来限制，保证容器在运用期内不发生各种方式的再按不同的设计准那么来限制，保证容器在运用期内不发生各种方式的失效，这就是以应力分析为根底的设计方法。失效，这就是以应力分析为根底的设计方法。 第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计方法概述 二、容器的应力分类 三、分析设计法对各类应力强度的限制 四、应力分析设计的程序及运

53、用第六章 压力容器设计技术进展 二、容器的应力分类 化工容器中的应力进展分类的根本原那么是： 第二节 化工容器的应力分析设计 l应力产生的缘由，是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的；应力产生的缘由，是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的；l应力的分布，是总体范围还是部分范围的，沿壁厚的分布是均匀的还应力的分布，是总体范围还是部分范围的，沿壁厚的分布是均匀的还是线性的或非线性的；是线性的或非线性的；l对失效的影响，即能否会呵斥构造过度的变形，及能否导致疲劳、韧对失效的影响，即能否会呵斥构造过度的变形，及能否导致疲劳、韧性失效。性失效。 l应力分类法将容器中的应力分为三大类：一次应力

54、；二次应力；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。峰值应力。二、容器的应力分类 (一) 一次应力P(Primary stress) 第二节 化工容器的应力分析设计 l一次应力P也称根本应力，是为平衡压力和其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力，可由与外载荷的平衡关系求得，由此一次应力必然直接随外载荷的添加而添加。l对于理想塑性资料，载荷到达极限形状时即使载荷不再添加，仍会产生不可限制的塑性流动，直至破坏。l这就是一次应力的“非自限性特征。 二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种： 第二节 化工容器的应力分析

55、设计 l一次总体薄膜应力Pm(General primary membrane stress) p这是指在容器总体范围内存在的一次薄膜应力，在到达极限形状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指薄膜应力，或者指沿壁厚截面法向应力的平均值。p一次总体薄膜应力的实例有：圆筒形壳体及任何回转壳体的封头在远离构造不延续部位的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。 二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种： 第二节 化工容器的应力分析设计 l一次弯曲应力Pm(Primary

56、bending stress) p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。如：平板封头远离构造不延续区的中央部位在压力作用下产生的弯曲应力。p一次弯曲应力与一次总体薄膜应力的不同之处在于沿壁厚的分布是线性的而不是均布的。p对受弯的板，当两个外表的应力到达屈服强度时，内部资料仍处于弹性形状，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。 二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种： 第二节 化工容器的应力分析

57、设计 l一次部分薄膜应力PL (General local membrane stress) p这是指由内压或其他机械载荷在构造不延续区产生的薄膜应力(一次的)和构造不延续效应产生的薄膜应力(二次的)的统称，从保守思索将此种应力划为一次部分薄膜应力。p例如圆筒中由压力产生的薄膜应力在远离不延续区的地方称一次总体薄膜应力(Pm)，而在不延续区那么称为一次部分薄膜应力(PL)。p由总体不延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，但从方便和稳妥思索仍保守地视为一次性质应力。p永久性支座或接纳给予壳体的部分力与力矩而产生的薄膜应力也是一次部分薄膜应力。 二、容器的应力分类 (

58、一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种： 第二节 化工容器的应力分析设计 l一次部分薄膜应力PL (General local membrane stress) p“部分与“总体是按经线方向的作用区域来划分的，假设应力强度超越1.1的区域沿经线方向的延伸间隔小于1.0Rt，或者两个超越1.1的一次部分薄膜应力区在经线方向的间隔不小于2.5Rt，都可以以为是部分的，否那么划为总体的。此处R为壳体的第二曲率半径，t为壁厚；假设为两个相邻壳体，那么R0.5(R1+R2)，t0.5(t1+t2)。p当构造部分发生塑性流动时，这类应力将重新分布。假设不加限制，那么

59、当载荷从构造的某一部分(高应力区)传送到另一部分(低应力区)时，会引起过度的塑性变形而失效。 二、容器的应力分类 (二) 二次应力Q (Secondary stress)第二节 化工容器的应力分析设计 l二次应力Q是指由相邻部件的约束或构造的本身约束所引起的法向应力或切应力，根本特征是具有自限性。l筒体与端盖的衔接部位存在“相邻部件的约束，厚壁容器内外壁存在温差时就构成“本身约束。二次应力不是由外载荷直接产生的，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。当约束部位发生部分的屈服和小量的塑性流动使变形得到协调，产生这种应力的缘由(变形差)便得到满足与缓和。亦即应力和变形也遭到构造

60、本身的抑制而不开展，这就是自限性。 二、容器的应力分类 (二) 二次应力Q (Secondary stress)第二节 化工容器的应力分析设计 l二次应力的例子有：l总体构造不延续部位，如筒体与封头、筒体或封头与法兰衔接处的不延续应力中的弯曲应力属二次应力；l总体热应力，如圆筒壳中轴向温度梯度所引起的热应力，由接纳和与之相接壳体间的温差所引起的热应力，由壳壁径向温差引起的热应力的当量线性分量以及厚壁容器由压力产生的应力梯度，这些都属于二次应力。 二、容器的应力分类 (三) 峰值应力F (Peak stress)第二节 化工容器的应力分析设计 l峰值应力F是由部分构造不延续和部分热应力的影响而叠