壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（課件）壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則失效準(zhǔn)則（設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）?一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，采用何種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是采用何種失效準(zhǔn)則的問(wèn)題。?一種設(shè)計(jì)上的共識(shí)，且經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的。?防止某一（幾）種失效模式發(fā)生，不意味著符合某種失效準(zhǔn)則時(shí)容器就破壞了。?針對(duì)具體的失效模式，選擇不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，是設(shè)計(jì)者應(yīng)該掌握的技能。2.1彈性失效準(zhǔn)則為防止容器總體部位發(fā)生屈服變形，將總體部位的最大應(yīng)力限制在材料的屈服點(diǎn)以下，保證容器的總體部位始終處于彈性狀態(tài)而不會(huì)發(fā)生彈性失效。1） 規(guī)定屈服極限是容器失效的應(yīng)力，考慮安全系數(shù)后，容器實(shí)際應(yīng)力處在彈性范圍內(nèi)。2） 主要著眼于限制容器中的最大薄膜應(yīng)力或其他由機(jī)械載荷直接產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力及剪應(yīng)力等。3） 應(yīng)用：常規(guī)設(shè)計(jì)方法準(zhǔn)則，如，GB150、ASMEVII1—1：內(nèi)壓圓筒、凸形封頭等元件設(shè)計(jì)。2.2塑性失效準(zhǔn)則容器某處（如厚壁筒的內(nèi)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(jìn)入整體屈服時(shí)的狀態(tài)或局部區(qū)域沿整個(gè)壁厚進(jìn)入全屈服狀態(tài)稱(chēng)為塑性失效狀態(tài)，若材料符合理想塑性假設(shè)，載荷不需繼續(xù)增加，變形會(huì)無(wú)限制發(fā)展下去，稱(chēng)此載荷為極限載荷。Pyo=叮111財(cái)2牛=亍叮MTreaca屈服條件或Mises屈服條件1） 外載荷V極限載荷：結(jié)構(gòu)塑性變形是局部、可控的；2） 將極限載荷作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的判據(jù)加以限制，防止總體塑性變形，又稱(chēng)極限分析（設(shè)計(jì)）。如何求的極限載荷，是該準(zhǔn)則的基礎(chǔ)。3） 準(zhǔn)則應(yīng)用：?JB4732、ASMEVffl—2；?GB150:平板、整體法蘭（含按整體法蘭設(shè)計(jì)的任意式法蘭）連接的圓筒徑部等元件設(shè)計(jì)或

應(yīng)力計(jì)算公式。4） 適用范圍：材料，載荷5） 極限載荷設(shè)計(jì)原理的保守性?用矩形截面梁極限狀態(tài)作為依據(jù)，梁只需要一個(gè)塑性鉸即到達(dá)極限狀態(tài)，而壓力容器可近似看作多個(gè)矩形截面梁拼合而成，即需要多個(gè)塑性鉸才能塑性失效。是偏安全的。極限載荷設(shè)計(jì)原理將板、殼看作由若干受拉彎作用下的矩形截面梁，材料為理想彈塑性；當(dāng)拉伸為0時(shí)考察純彎梁應(yīng)力隨M的變化：Uy=—=±——1）彈性階段；5網(wǎng)MTOC\o"1-5"\h\zCT=a Jia -u2）當(dāng)上下表面m*卜（Rel或Rp02）時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大彎矩： 6部 的 虬 有W 1、「％3） 當(dāng)繼續(xù)增加載荷從彈性層減少，塑性層增加，直到整個(gè)截面屈服，此時(shí)不增加載荷截面梁變形也無(wú)限增大，即形成“塑性鉸”變形也無(wú)限增大，即形成“塑性鉸”，此時(shí):“塑性鉸”：梁某截面全部進(jìn)入塑性狀態(tài)后，該處曲率可以任意增大，稱(chēng)該點(diǎn)出現(xiàn)了一個(gè)塑性鉸。此時(shí)M’即為極限載荷，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力：2.3彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1） 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(dòng)變形，結(jié)構(gòu)處于這種彈塑性狀態(tài)可以認(rèn)為并不一定意味著失效。2） 只有當(dāng)容器某一局部彈塑性區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)中應(yīng)力超過(guò)了由“安定性原理”確定的許用值（安定載荷）時(shí)才認(rèn)為結(jié)構(gòu)喪失了“安定性”而發(fā)生了彈塑性失效。3） 安定性原理作為彈塑性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，亦稱(chēng)安定性準(zhǔn)則。4） 概念：?安定性一結(jié)構(gòu)除在初始階段少數(shù)幾個(gè)載荷循環(huán)中產(chǎn)生一定的塑性變形外，在繼續(xù)施加的循環(huán)外載荷作用下不再發(fā)生新的塑性變形，或者說(shuō)不出現(xiàn)塑性疲勞或棘輪現(xiàn)象。此時(shí)結(jié)構(gòu)處于安定狀態(tài)。?棘輪現(xiàn)象：構(gòu)件受機(jī)械載荷、熱應(yīng)力或二者同時(shí)作用的循環(huán)作用，產(chǎn)生遞增的非彈性變形的現(xiàn)象。?安定載荷一安定與不安定的臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的載荷變化范圍。5） 與極限載荷的區(qū)別：載荷達(dá)到安定載荷時(shí)，只是損傷累積的開(kāi)始，到達(dá)破壞還有緩慢的過(guò)程，因此對(duì)“安定”不加安全系數(shù)，只要施加的載荷小于安定載荷。2.4爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1）非理想塑性材料屈服后還有增強(qiáng)的能力，對(duì)于厚壁容器在整體屈服后仍有繼續(xù)增強(qiáng)的承載能力，直到容器達(dá)到爆破時(shí)的載荷才為最大載荷。4

二奩4

二奩KIiVJuttfIf,

月，(A(BCCCD2） 以容器爆破作為失效狀態(tài)，以爆破壓力作為設(shè)計(jì)的判據(jù)加以限制，以防止發(fā)生爆破，這就是容器的爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。3） 應(yīng)用：超高壓容器設(shè)計(jì)。2-^InT22-^InT2.5疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1） 定義：為防止容器發(fā)生疲勞失效，將容器應(yīng)力集中部位的最大交變應(yīng)力的應(yīng)力幅限制在由低周疲勞設(shè)計(jì)曲線確定的許用應(yīng)力幅之內(nèi)時(shí)才能保證在規(guī)定的循環(huán)周次內(nèi)不發(fā)生疲勞失效。2） 壓力容器的疲勞屬于高應(yīng)變（即在屈服點(diǎn)以上的）低周次（循環(huán)次數(shù)小于105次）的疲勞失效，亦稱(chēng)“低周疲勞”。3） 根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)研究和理論分析建立了安全應(yīng)力幅（Sa）與許用循環(huán)周次（N）的低周疲勞設(shè)計(jì)曲線，即Sa-N曲線。2.6失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1） 外壓容器的失穩(wěn)皺折需按照穩(wěn)定性理論進(jìn)行穩(wěn)定性校核，這就是失穩(wěn)失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。2） 大型直立設(shè)備（如塔設(shè)備）在風(fēng)載與地震載荷下的縱向穩(wěn)定性校核也屬此類(lèi)。3） 應(yīng)用:GB150、JB4732外壓容器設(shè)計(jì)。2.7其他失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1） 艮葉防脆斷失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”，按斷裂力學(xué)概念，以造成容器低應(yīng)力脆斷的應(yīng)力或裂紋尺寸作為臨界狀態(tài)的一種計(jì)算準(zhǔn)則。2） 為防止缺陷導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷，可按斷裂力學(xué)限制缺陷的尺寸或?qū)Σ牧咸岢霰仨氝_(dá)到的韌性指標(biāo)，這是防脆斷設(shè)計(jì)。3） 準(zhǔn)則應(yīng)用：安全評(píng)定；壽命評(píng)估；蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1） 定義：將高溫容器筒體的蠕變變形量（或按蠕變方程計(jì)算出的相應(yīng)的應(yīng)力）限制在某一允許的范圍之內(nèi)，以保證高溫容器在規(guī)定的使用期內(nèi)不發(fā)生蠕變失效。2） 應(yīng)用：GB150JB4732不適用。例：Q245R、Q345R剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1） 為保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形分析，將結(jié)構(gòu)中特定點(diǎn)的線位移及角位移限制在允許的范圍內(nèi)。2） 例：大型板式塔內(nèi)大直徑塔盤(pán)法蘭設(shè)計(jì)泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：通過(guò)法蘭設(shè)計(jì)方法和特殊密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)要求以及對(duì)密封墊片和螺柱、螺母的要求，防止接頭泄漏的發(fā)生。2.8失效準(zhǔn)則的選擇1）我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的失效準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)GB150，JB/T4735JB4732設(shè)計(jì)準(zhǔn)則彈性、失穩(wěn)失效準(zhǔn)則彈性、塑性、彈塑性、失穩(wěn)、疲勞失效準(zhǔn)則應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論為基礎(chǔ)，引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)彈性力學(xué)、板殼理論公式；彈性有限元法；塑性分析；實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析2）其他失效準(zhǔn)則的應(yīng)用（設(shè)計(jì)者需要考慮）?選材;?結(jié)構(gòu)優(yōu)化；?制造要求；?使用控制；例如：低溫容器，“防脆斷失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”高溫容器，“蠕變失效準(zhǔn)則”不銹鋼制壓力容器，“腐蝕失效準(zhǔn)則”壓力容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展?以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都是近代化工容器中已被采用的，除彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在20世紀(jì)60年代以前就逐步成熟運(yùn)用于容器的工程設(shè)計(jì)之