压力容器设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 四 章,压力容器设计,CHAPTER,Design of Pressure Vessel,1,4.1,概述,4.2,设计准则,4.3,常规设计,4.4,分析设计,4.5,疲劳分析,4.6,压力容器设计技术进展,过程设备设计,2,过程设备设计,分析设计方法,不同失效形式,压力容器发 展趋 势,大型化,选用高强度材料,高参数,本章着重,介 绍,压力容器的设计思想,常规设计方法,弹性失效,3,4.1,概 述,设计要求,设计文件,设计条件,是设计的基本知识,过程设备设计,4,什么是压力容器设计？,应综合考虑哪些因素？,过程设备设计,5,压力容器设计：,根据给定的 ，,遵循 规定，,在确保 的前提下，,经济、正确地 ，,并进行,结构,、,强（刚）度,和,密封设计,。,工艺设计条件,现行的规范标准,安全,选择材料,过程设备设计,6,结构设计,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。,强（刚）度设计,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。,密封设计,选择合适的密封结构和材料，保证密封性 能良好。,过程设备设计,7,设计要求,设计文件,设计条件,过程设备设计,8,过程设备设计,4.1.1,设计要求,安全性指结构完整性和密封性。安全是前提，经济是目标在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。,经济性包括材料的节约,高的效率,经济的制造过程,低的操作和维修费用等。,安全性与经济性的统一,9,过程设备设计,4.1.2,设计文件,设计文件：,设计图样、,技术条件、,强度计算书，,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。,设计的表现形式，是设计者的劳动体现,10,包括设计条件、所用规范和标准、材料、腐蚀裕量、,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,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“全国,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，,打印结果中 应有软件程序编号、输入数据和计算结果,等内容。,过程设备设计,强度计算书,:,11,过程设备设计,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,；,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）；,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；,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。,设计图样,总图,零部件图,总图,12,过程设备设计,4.1.3,设计条件,设计的已知条件,设计条件,常用设计条件图表示。,工艺设计条件,设计条件图,原始,数据,工艺,要求,简图,用户,要求,接管,表等,简图,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,内容。,设计,13,过程设备设计,用户要求包括：,（,1,）工作介质,:,介质学名或分子式、主要组分、比重,及危害性等；,（,2,）压力和温度,:,工作压力、工作温度、环境温度等,；,（,3,）操作方式与要求,:,注明连续操作或间隙操作，以,及压力、温度是否稳定；对压力、,温度有波动时，应注明变动频率及,变化范围；对开、停车频繁的容器,应注明每年的开车、停车次数；,（,4,）其它,:,还应注明容积、材料、腐蚀速率、设计寿命、,是否带安全装置、是否保温等。,14,过程设备设计,设计条件图,搅拌容器条件图,塔器条件图,换热器条件图,一般容器条件图,应注明换热管规格、管长及根数、排列形式、换热面积与程数等；,应注明塔型（浮阀塔、筛板塔或填料塔）、塔板数量及间距、基本风压和地震设计烈度和场地土类别等；,应注明搅拌器形式、转速及转向、轴功率等。,15,过程设备设计,4.1.4,设计的基本步骤,1.,物料衡算：,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：,16,过程设备设计,失效形式,失效判据,（选择）,设计准则,（相应）,设计是否合理,（判别）,4.2,设计准则,17,过程设备设计,4.2.1,压力容器失效,失效,压力容器在规定的 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,失去或不能达到原设计要求（包括功能和,寿命等）的现象。,失效表现形式,失效原因,多种多样,泄漏,过度变形,断裂,18,过程设备设计,一、压力容器失效形式,（,1,）强度失效,（,2,）刚度失效,（,3,）失稳失效,（,4,）泄漏失效,失效形式,(,一,),、压力容器基本失效形式,19,过程设备设计,a.,韧性断裂,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,的断裂。,（,1,）强度失效,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（,a,）,韧性断裂、,（,b,）,脆性断裂、（,c,）,疲劳断裂、,（,d,）,蠕变断裂、（,e,）,腐蚀断裂等。,20,过程设备设计,特征,原因,断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，,周长伸长率可达,10,20%,，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。,壁厚过薄,和,内压过高,壁厚未经设计计算和壁厚因 腐蚀而减薄,操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等。,21,严格按照规范设计、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,韧性断裂可以避免,过程设备设计,4.2,设计准则,22,过程设备设计,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；,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,。,特征,b.,脆性断裂,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。,23,过程设备设计,脆性断,裂原因材料脆性和缺陷,。,a.,材料选用不当、焊接与热处理不当使材料,脆化；低温、长期在高温下运行、应变,时效等也会使材料脆化；,b.,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、,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,缺陷，也会导致脆性断裂发生。,24,过程设备设计,交变载荷,指大小和（或）方向都随时间周期性,（或无规则）变化的载荷。,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。,需要指出,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。,c.,疲劳断裂,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。,25,过程设备设计,失效形式,“,未爆先漏”，破坏需要有一定时间。,疲劳破坏,包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。,裂纹源,往往位于接管根部、焊接接头等高应力区或有缺陷的部位。,裂纹扩展区,是疲劳断口最重要的特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。,瞬时断裂区,裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。,疲劳断口,裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。,26,过程设备设计,特征,:,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,发性破坏，接近脆断，危险性很大。,27,过程设备设计,从变形看,具有韧性断裂特征,从应力看,具有脆性断裂特征,d.,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，造成壁厚明显减薄,与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。,28,均匀腐蚀的减薄和,局部腐蚀的凹坑,引起的断裂,晶间腐蚀和应力腐蚀,引起的断裂,过程设备设计,e.,腐蚀断裂,韧性断裂特征脆性断裂特征。,29,过程设备设计,（,2,）刚度失效,由于构件过度的弹性变形引起的失效。,（,3,）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。,（,4,）泄漏失效,泄漏而引起的失效。,危害,:,可能引起中毒燃烧和爆炸等事故，,造成环境污染等。,30,交互失效,多种因素作用下同时发生多种形式的失效。,过程设备设计,(,二,),、交互失效形式,例如：,腐蚀疲劳,腐蚀介质,交变应力,蠕变疲劳,高 温,交变应力,31,过程设备设计,压力容器最可能发生的失效形式,二、失效判据与设计准则,设计思路,求得压力容器在稳态或,瞬态工况下的力学响应,（如应力、应变、固有频率等）,确定力学响应的限制值以,判断压力容器能否安全使用,是否获得满意的使用效果,（根据）,32,过程设备设计,(1),失效判据,将力学分析,结果与简单实验测量结果,相比较，判别压力容器是,否会失效。这种判据，称,为失效判据。,（,2,）设计准则根据失效,判据，再考虑各种不确,定因素，引入安全系数，,得到与失效判据相对应,的设计准则。,分类,强度失效设计准则,刚度失效设计准则,稳定失效设计准则,泄漏失效设计准则,33,适用的设计标准,压力容器设计时,先确定,最有可能的失效形式,选择,合适的失效叛据和设计准则,确定,进行设计、校核,再按照标准要求,过程设备设计,34,4.2.2,强度失效设计准则,强度失效的两种主要形式：,屈服,断裂,（在常温、静载作用下）,常用的强度失效设计准则：,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,过程设备设计,35,弹性失效设计准则,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（韧性材料）,1,、单向拉伸,最大拉应力准则,失效判据的,数学表达试,相应的设计准则,最大拉应力准则,屈服应力,许用应力,最大拉应力,（,4-3,）,过程设备设计,式中,:,36,过程设备设计,2,、任意应力状态,（,1,）最大切应力准则,屈雷斯卡,(,Tresca,),屈服失效判据,任意应力,状态,（,4-4,）,（最大切应力屈服失效判据）,第三强度理论,37,过程设备设计,任意应力状态,（,4-5,）,（,2,）形状改变比能准则,形状改变比能失效判据：,第四强度理论：,38,过程设备设计,3,、应力强度或相当应力,弹性失效设计准则统一：,39,过程设备设计,1,、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,40,过程设备设计,2,、塑性失效设计准则,理想弹塑性材料，内压厚壁圆筒,（,4-6,）,（,4-7,）,设计压力,全屈服压力,全屈服安全系数,41,过程设备设计,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,（,4-8,）,三、爆破失效设计准则,容器爆破作为失效判据,爆破失效设计准则：,爆破压力,爆破安全系数,42,过程设备设计,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,不按同一比例递增、,载荷大小反复变化。初始屈服载荷,最大应力,点进入塑性相对应,的载荷。,四、弹塑性失效设计准则,43,过程设备设计,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 残余应力场 若容器所受的,载荷较小 应力叠加后小于屈服点 保持弹性行为,无新塑性变形,“,安定”状态。,载荷继续增大 反向屈服，或塑性变形累积,丧失安定 渐增塑性变形,“不安定”状态。,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。,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，,安定载荷的安全系数,1.0,，,最大载荷变化范围,安定载荷。,安定状态,44,过程设备设计,低周疲劳,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,10,5,次以下。,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,次数之间的关系曲线。,疲劳失效设计准则,最大虚拟应力幅按低周疲劳设计曲线所确,定的许用循环次数大于容器所需的循环次,数，容器就不会发生疲劳失效。,断裂力学理论,带裂纹的压力容器疲劳设计准则，即按照疲劳,裂纹扩展与断裂的规律对循环载荷作用下的容,器作出安全评定。,五、疲劳失效设计准则,45,过程设备设计,脆性断裂,属于断裂力学的研究范围，认为材料中存在,缺陷，研究缺陷在载荷和环境作用下的破坏,规律。,断裂力学应用,（,1,）指导压力容器的选材和设计,（,2,）在役压力容器的安全评定,六、蠕变失效设计准则,将应力限制在由蠕变极限和持久强度确定的许用应力以内。,七、脆性断裂失效设计准则,46,过程设备设计,防止容器发生脆性破坏措施：,（,1,）材料,根据受压元件的厚度、应力水平、最低金属,温度、载荷性质、介质对材料韧性的影响等,因素，提出材料夏比,V,缺口冲击功或断裂韧性,验收指标。,（,2,）缺陷,尽量减少焊接接头；提高无损检测技术。,（,3,）设计,由无损检测水平,假设高应力区存在裂纹,利用断裂方法,裂纹安全性评估,确保容器,不发生低应力脆性破坏。,47,过程设备设计,（,1,）破损安全设计,假设裂纹存在时，结构还能承受,工作载荷,容器裂纹容限问题。,（,2,）先漏后爆设计,材料具有足够韧性，快速断裂前，,裂纹已穿透壁厚，导致泄漏发生，,可避免突发快速断裂，减少损失。,脆性断裂失效设计准则,说明,：假设裂纹，真实裂纹（漏检或在使用中产生）,48,过程设备设计,（,4-9,）,4.2.3,刚度失效设计准则,在载荷作用下，要求构件的,弹性位移,转角,不超过规定的数值,49,过程设备设计,4.2.4,稳定失效设计准则,防止失稳发生,周向失稳,轴向失稳,局部失稳,4.2.5,泄漏失效设计准则,密封装置的介质泄漏率不得超过许用泄漏率,失效判据：,设计准则：,50,