承压设备设计与安全2浙大课件

1、承压设备设计与安全承压设备设计与安全压力容器疲劳问题压力容器疲劳问题等等压力容器疲劳问题（续压力容器疲劳问题（续1 1）交变应力的基本特性交变应力的基本特性交变应力的基本特性（续交变应力的基本特性（续1 1）高周疲劳与低周疲劳高周疲劳与低周疲劳 疲劳分为高周疲劳分为高周(循环循环)疲劳和低周疲劳和低周(循环循环)疲劳两类。疲劳两类。高周疲劳高周疲劳应力水平较低，材料处于弹性范围，其微观变应力水平较低，材料处于弹性范围，其微观变形是弹性的，即使有塑性变形也是很少量的，这时应力与应变形是弹性的，即使有塑性变形也是很少量的，这时应力与应变基本服从虎克定律。基本服从虎克定律。低周疲劳低周疲劳(1)在循

2、环加载条件下，发生在结构某点处局部在循环加载条件下，发生在结构某点处局部的、永久性的损伤递增过程；的、永久性的损伤递增过程；(2)损伤将产生裂纹，当扩展至贯损伤将产生裂纹，当扩展至贯穿容器的全壁厚，为疲劳失效；穿容器的全壁厚，为疲劳失效；(3)高应力（大应变）；高应力（大应变）；(4)低低周期周期高周疲劳与低周疲劳以循环数高周疲劳与低周疲劳以循环数105次为分界点，高于次为分界点，高于105次的次的称为高周疲劳，低于称为高周疲劳，低于105次称为低周疲劳。次称为低周疲劳。一般压力容器，应力循环次数很少有超过一般压力容器，应力循环次数很少有超过105次的，通常只有次的，通常只有几千次，故属于低周

3、几千次，故属于低周(循环循环)疲劳的范围。疲劳的范围。 疲劳极限疲劳极限 （持久极限）（持久极限）由于在交变载荷作用下，构件中的最大应力低于静由于在交变载荷作用下，构件中的最大应力低于静强度指标时就可能出现疲劳破坏，故屈服极限或强度强度指标时就可能出现疲劳破坏，故屈服极限或强度极限等静强度指标便不能成为疲劳计算的依据。极限等静强度指标便不能成为疲劳计算的依据。 试验证明，在同一循环特性下，最大应力越大，试试验证明，在同一循环特性下，最大应力越大，试件在破坏前经历的循环次数越少；反之，破坏前经历件在破坏前经历的循环次数越少；反之，破坏前经历的循环次数越多。的循环次数越多。 当最大应力减小到某一临

4、界值以后，试件就可以经当最大应力减小到某一临界值以后，试件就可以经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏，这个临界值历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏，这个临界值就称为疲劳极限（又称持久极限），记作就称为疲劳极限（又称持久极限），记作-1。 同一材料在不同循环特性同一材料在不同循环特性R下，下，-1值是不同的，其值是不同的，其中以对称循环下材料的疲劳极限最低，并把它作为衡中以对称循环下材料的疲劳极限最低，并把它作为衡量材料疲劳强度的基本指标。量材料疲劳强度的基本指标。 12tSEmtNC100ln100f0.5fC0.5pNC1100ln1004aESN11amb11ambams,EEmaEeqE

5、eqbEEabm1/EEaeqEmb2sams minmax()s maxsmaxminmax22a maxmin2msa 2samsFeqmaxFFFmas当量交变应力幅的求法当量交变应力幅的求法 （续（续3 3）FFmsaFaFeq1()/FFaeqFsab2ams 02ssm2ams由前面的分析可以看出，当量交变应力幅由前面的分析可以看出，当量交变应力幅eq总是大于或总是大于或等于实际交变应力幅。等于实际交变应力幅。 当平均应力不等于零时，针对上面分析的三种情况，可当平均应力不等于零时，针对上面分析的三种情况，可以通过不同的换算公式求出相应的当量交变应力幅以通过不同的换算公式求出相应的当

6、量交变应力幅 eq，然后查然后查S-N曲线即可得出破坏的循环次数曲线即可得出破坏的循环次数N值。值。 但实际操作往往较为困难。主要是因为：但实际操作往往较为困难。主要是因为： 在上面的推导中，当在上面的推导中，当 时，对应于任何时，对应于任何一个当量交变应力幅都可以有无数个平均应力和交变应力一个当量交变应力幅都可以有无数个平均应力和交变应力幅的组合，要找出每一个组合中的交变应力幅是不现实的。幅的组合，要找出每一个组合中的交变应力幅是不现实的。 存在于容器与其部件中的残余应力，它也是平均应力，存在于容器与其部件中的残余应力，它也是平均应力，应当成为平均应力应当成为平均应力m的一部分，但是很难确定

7、的一部分，但是很难确定。2sams低循环疲劳曲线的修正低循环疲劳曲线的修正 （续（续1 1）FaFmFeqFFbsaeqFbeqFeqFamax2s疲劳曲线疲劳曲线压力容器的疲劳设计基础是应力分析，应在压力容器的疲劳设计基础是应力分析，应在满足一次应满足一次应力和二次应力限制条件的前提下进行力和二次应力限制条件的前提下进行。疲劳分析时，疲劳分析时，=0.5-0.2s/Sa，且，且不小于不小于0.3其设计步骤包括确定交变应力幅、根据交变应力幅由设其设计步骤包括确定交变应力幅、根据交变应力幅由设计疲劳曲线确定允许循环次数、疲劳强度校核等。计疲劳曲线确定允许循环次数、疲劳强度校核等。 确定交变应力幅

8、确定交变应力幅 先通过应力分析确定与时间相对应的各应力分量先通过应力分析确定与时间相对应的各应力分量S=PL+Pb+Q+F，再计算各主应力及主应力差，然后确定，再计算各主应力及主应力差，然后确定在整个应力循环中各主应力差的最大波动范围，其中绝对在整个应力循环中各主应力差的最大波动范围，其中绝对值最大的波动范围的一半为交变应力幅值最大的波动范围的一半为交变应力幅Sa，即即S/2= Sa 。 确定交变应力幅步骤的前提条件是主应力方向不变。确定交变应力幅步骤的前提条件是主应力方向不变。如果主应力方向在循环过程中发生变化，则应采用不同的如果主应力方向在循环过程中发生变化，则应采用不同的方法。方法。压力

9、容器疲劳设计压力容器疲劳设计疲劳设计曲线疲劳设计曲线压力容器疲劳设计压力容器疲劳设计疲劳设计曲线疲劳设计曲线 （续（续1 1）疲劳强度校核疲劳强度校核altStaltaltEESS疲劳分析免除规定疲劳分析免除规定 疲劳分析计算工作量很大，且不是所有承受交变载荷疲劳分析计算工作量很大，且不是所有承受交变载荷的容器都会发生疲劳破坏。的容器都会发生疲劳破坏。为此，在分析设计标准中给出了免除疲劳分析的条件，为此，在分析设计标准中给出了免除疲劳分析的条件，即即在能自然满足疲劳设计的要求时，可不必进行疲劳分在能自然满足疲劳设计的要求时，可不必进行疲劳分析。析。疲劳分析免除的工程考虑原因：疲劳分析免除的工程

10、考虑原因： （1）结构总体上满足）结构总体上满足 Pm(PL)+Pb+Q 3Sm （2）结构中的峰值应力不致过大）结构中的峰值应力不致过大 （3）材料的韧性良好）材料的韧性良好 （4）设计疲劳曲线的保守成分）设计疲劳曲线的保守成分疲劳分析免除的基本假设疲劳分析免除的基本假设 （1） 结构总体上满足结构总体上满足Pm(PL)+Pb+Q 3Sm（2） 几何结构引起的应力集中系数为几何结构引起的应力集中系数为2.0（3） 在在Pm(PL)+Pb+Q=3Sm的点，的点， 应力集中系数为应力集中系数为2.0（4）将大于持久限的循环计入）将大于持久限的循环计入（5）压力和热循环引起的最大应力不同时发生）压

11、力和热循环引起的最大应力不同时发生（6）两点间的温差应力不超过）两点间的温差应力不超过2 ET疲劳分析免除条款的应用疲劳分析免除条款的应用 （1）3.10.1 使用经验疲劳分析免除使用经验疲劳分析免除（2）3.10.2 .1 循环次数疲劳分析免除条件循环次数疲劳分析免除条件（3）3.10.2.2 操作工况操作工况疲劳分析疲劳分析免除条件免除条件（4）3.10.3 非整体结构的非整体结构的疲劳分析疲劳分析免除条件免除条件3.10.1 3.10.1 使用经验疲劳分析免除条件使用经验疲劳分析免除条件（1）有成功的使用经验）有成功的使用经验 （2） 几何结构（下列情况应特别注意）几何结构（下列情况应特

12、别注意） 非整体结构：补强圈、角焊缝连接件等；非整体结构：补强圈、角焊缝连接件等； 管螺纹连接接头：管螺纹连接接头：70mm 螺栓连接件；螺栓连接件； 局部熔透的焊缝；局部熔透的焊缝； 相邻部件之间的厚度明显变化相邻部件之间的厚度明显变化3.10.2.1 3.10.2.1 循环次数疲劳分析免除条件循环次数疲劳分析免除条件（1） 条件：条件：a.整体结构；整体结构；b. b 550MPa（2）免除条件：）免除条件： Na+ Nb +Nc +Nd 1000次次 a. 全幅压力循环全幅压力循环 Na； 整体结构的整体结构的P+Q 3Sm 有效循环有效循环 b. 压力波动压力波动p20%p次数次数 N

13、b;FSKSmtalt21mtaSKSF23.10.2.1 3.10.2.1 循环次数疲劳分析免除条件（续）循环次数疲劳分析免除条件（续） c. 两点间金属温差波动的有效次数两点间金属温差波动的有效次数 Nc; 根据假设条件：温差应力根据假设条件：温差应力 tt，应力集中系应力集中系数数t 假设碳钢的弹性模量假设碳钢的弹性模量E=2.03106 , TESTalt3216 . 6aST 疲劳分析免除规定判断条件疲劳分析免除规定判断条件B B疲劳分析免除规定疲劳分析免除规定变幅载荷和累积损伤变幅载荷和累积损伤 变幅载荷和累积损伤（续变幅载荷和累积损伤（续1 1） 变幅载荷和累积损伤（续变幅载荷和累积损伤（续2 2）3121231iinn