壓力容器設計技術進展-近代化工容器設計技術進展概述

主講教師：潘家禎華東理工大學機械與動力工程學院,6.1 近代化工容器設計技術進展概述,II、壓力容器設計準則的發(fā)展,慕課課程：Massive Open Online Course Pressure Vessel Design 壓力容器設計,第6章 壓力容器設計技術進展,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,2,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器設計準則的發(fā)展 三、容器設計規(guī)范的主要進展 四、近代設計方法的應用,第六章 壓力容器設計技術進展,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,3,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (1) 彈性失效設計準則 這是為防止容器總體部位發(fā)生屈服變形，將總體部位的最大設計應力限制在材料的屈服點以下，保證容器的總體部位始終處于彈性狀態(tài)而不會發(fā)生彈性失效。這是最傳統(tǒng)的設計方法，也正是本書前面各章所介紹的方法，這仍然是現今容器設計首先應遵循的準則。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,4,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (2) 塑性失效設計準則 容器某處(如厚壁筒的內壁)彈性失效后并不意味著容器失去承載能力。將容器總體部位進入整體屈服時的狀態(tài)或局部區(qū)域沿整個壁厚進入全屈服狀態(tài)稱為塑性失效狀態(tài)，若材料符合理想塑性假設，載荷不需繼續(xù)增加，變形會無限制發(fā)展下去，稱此載荷為極限載荷。將極限載荷作為設計依據加以限制，防止總體塑性變形，稱極限設計?！皹O限設計準則即塑性失效設計準則。用塑性力學方法求解結構的極限載荷是這種設計準則的基礎。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,Treaca屈服條件或Mises屈服條件,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,5,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (3) 爆破失效設計準則 非理想塑性材料在屈服后尚有增強的能力，對于容器(主要是厚壁的)在整體屈服后仍有繼續(xù)增強的承載能力，直到容器達到爆破時的載荷才為最大載荷。若以容器爆破作為失效狀態(tài)，以爆破壓力作為設計的依據并加以限制，以防止發(fā)生爆破，這就是容器的爆破失效設計準則。高壓容器章所介紹的Faupel公式就是這一準則的體現。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,6,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (4) 彈塑性失效設計準則 如果容器的某一局部區(qū)域，一部分材料發(fā)生了屈服，而其他大部分區(qū)域仍為彈性狀態(tài)，而彈性部分又能約束著塑性區(qū)的塑性流動變形，結構處于這種彈塑性狀態(tài)可以認為并不一定意味著失效。只有當容器某一局部彈塑性區(qū)域內的塑性區(qū)中的應力超過了由“安定性原理”確定的許用值時才認為結構喪失了“安定”而發(fā)生了彈塑性失效。安定性原理作為彈塑性失效的設計準則，亦稱為安定性準則。本章第二節(jié)將具體介紹這一準則。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,7,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (5) 疲勞失效設計準則 為防止容器發(fā)生疲勞失效，將容器應力集中部位的最大交變應力的應力幅限制在由低周疲勞設計曲線確定的許用應力幅之內時才能保證在規(guī)定的循環(huán)周次內不發(fā)生疲勞失效，這就是疲勞失效設計準則。這是20世紀60年代由美國發(fā)展起來的。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,8,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (6) 斷裂失效設計準則 實際難于避免裂紋，包括制造裂紋(焊接裂紋)和使用中產生或擴展的裂紋(疲勞裂紋、應力腐蝕裂紋)，為防止缺陷導致低應力脆斷，可按斷裂力學限制缺陷的尺寸或對材料提出必須達到的韌性指標，這是防脆斷設計。防脆斷設計并不意味著允許新制造的容器可以存在裂紋，而是對容器使用若干年后的一種安全性估計。新制造的容器，設計時是假定容器內產生了可以檢測到的裂紋，通過斷裂力學方法對材料的韌性(主要是指斷裂韌性)提出必須保證達到的要求以使容器不會發(fā)生低應力脆斷。在役容器檢測出裂紋，可用斷裂力學評價是否安全，即壓力容器的缺陷評定。這是基于斷裂失效設計準則(或稱防脆斷失效設計準則)的方法。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,9,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (7) 蠕變失效設計準則 將高溫容器筒體的蠕變變形量(或按蠕變方程計算出的相應的應力)限制在某一允許的范圍之內，便可保證高溫容器在規(guī)定的使用期內不發(fā)生蠕變失效，這就是蠕變失效設計準則。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,(8) 失穩(wěn)失效設計準則 外壓容器的失穩(wěn)皺折需按照穩(wěn)定性理論進行穩(wěn)定性校核，這就是失穩(wěn)失效的設計準則。大型直立設備(如塔設備)在風載與地震載荷下的縱向穩(wěn)定性校核也屬此類。,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,10,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (9) 剛度失效設計準則 通過對結構的變形分析，將結構中特定點的線位移及角位移限制在允許的范圍內，即保證結構有足夠的剛度。例如大型板式塔內大直徑塔盤很薄，就應限制塔盤板的撓度，不致使液層厚薄不一而引起穿過塔盤氣體分布不均和降低板效率。又如法蘭設計時除應保證強度外還應采用剛度校核法以限制法蘭的偏轉變形 。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,11,二、化工容器的設計準則發(fā)展 (10) 泄漏失效設計準則 法蘭的密封設計及轉軸密封設計中合理的設計方法應限制介質的泄漏率不得超過允許的泄漏率。由于介質的泄漏率與結構設計、密封材料的性能和緊固件所施加的載荷密切有關，非常復雜，所以泄漏失效設計準則很難建立。大多數國家的設計規(guī)范中尚未采用。但歐盟承壓設備規(guī)范中已在大量研究與試驗的基礎上建立了泄漏失效的設計準則與方法。,第一節(jié) 近代化工容器設計技術進展概述,6.2近代化工容器設計技術進展概述-壓力容器設計準則的發(fā)展,12,二、化工容器的設計準則發(fā)展 以上設計準則都是近代化工容器中已被采用的，除彈性失效設計準則、塑性失效設計準則、爆破失效設計準則和失穩(wěn)失效設計準則在20世紀60年代以前就逐步成熟運用于容器的工程設計之外，彈塑性失效設計準則、疲勞失效設計準則、斷裂失效設計準則以及蠕變失效設計準則均是這個年代及以后逐步出現并成熟起來的，反映出設計理論的進展與突破。腐蝕失效所對應的設計準則比較復雜，它所涉及的不是一個獨立的準則。 各種不同的腐蝕失效形態(tài)所對應的設計準則是多種多樣的，有些還沒有相應的設計準則。,第一節(jié) 近代化工容器設計技