《過程設(shè)備設(shè)計》課件-4.壓力容器設(shè)計（下）

《過程設(shè)備設(shè)計》壓力容器設(shè)計目錄

4.1概述

4.2設(shè)計準(zhǔn)則

4.3常規(guī)設(shè)計

4.4分析設(shè)計

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展分析設(shè)計14.4分析設(shè)計1.高溫高壓厚壁容器，當(dāng)最大應(yīng)力超過許用應(yīng)力時怎么辦？2.對圓柱形容器，封頭與筒體連接處往往存在應(yīng)力集中，而爆破實驗時卻破在筒體中部，為什么？3.如何保障壓力容器全壽命周期安全？壓力容器設(shè)計常規(guī)設(shè)計分析設(shè)計4.4分析設(shè)計JB4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB/T150《壓力容器》4.4.1.1分析設(shè)計的基本思想①不同類型的載荷，在容器中所產(chǎn)生的應(yīng)力與分布及其對容器失效的影響各不相同;分析設(shè)計是指以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)、采用精細(xì)的力學(xué)分析手段的壓力容器設(shè)計方法。目前，分析設(shè)計主要包括應(yīng)力分類法和基于失效模式的直接法。②將各種載荷作用下產(chǎn)生的彈性應(yīng)力分別計算出來，然后根據(jù)塑性失效準(zhǔn)則進(jìn)行分類，再按等安全裕度原則限制各類應(yīng)力。

4.4.1概述（1）應(yīng)力分類法壓力容器設(shè)計的重要任務(wù)是防止其失效。根據(jù)壓力容器結(jié)構(gòu)和服役條件,先確定壓力容器潛在的失效模式，如總體塑性變形失效、漸增塑性變形失效、失穩(wěn)失效、疲勞失效等,再結(jié)合不同的載荷工況,對每種失效模式進(jìn)行設(shè)計校核,直至全部合格。這種設(shè)計方法稱為基于失效模式的直接法。設(shè)計校核通常有兩種方法,即結(jié)構(gòu)應(yīng)變法、載荷系數(shù)法。（2）基于失效模式的直接法4.4.1.2常規(guī)設(shè)計的局限性（1）載荷載荷常規(guī)設(shè)計分析設(shè)計靜載荷√√交變載荷×√（2）應(yīng)力計算應(yīng)力計算常規(guī)設(shè)計分析設(shè)計方法簡化模型分析、數(shù)值、實驗方法區(qū)域筒體所有部位（3）壓力容器結(jié)構(gòu)分類常規(guī)設(shè)計分析設(shè)計結(jié)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)任何結(jié)構(gòu)4.4.2.1應(yīng)力分類依據(jù)：應(yīng)力對容器強(qiáng)度失效所起作用的大小。應(yīng)力分類:一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力取決于兩個因素:(1)應(yīng)力產(chǎn)生的原因;(2）應(yīng)力的作用區(qū)域與分布形式4.4.2壓力容器的應(yīng)力分類定義：指平衡外加機(jī)械載荷所必需的應(yīng)力。必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系?；咎卣鳎悍亲韵扌苑诸愐淮慰傮w薄膜應(yīng)力(

)、一次局部薄膜應(yīng)力(

)和一次彎曲應(yīng)力()（1）一次應(yīng)力P

：平封頭中部在壓力作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。實例:薄壁圓筒或球殼中遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位由內(nèi)壓力引起的薄膜應(yīng)力;厚壁圓筒中由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力以及周向應(yīng)力沿厚度的平均值。：殼體和封頭連接處的薄膜應(yīng)力；在容器的支座或接管處由外部的力或力矩引起的薄膜應(yīng)力。若薄膜應(yīng)力強(qiáng)度超過

的區(qū)域沿經(jīng)線方向延伸的距離不大于,則認(rèn)為是局部的。此處R為該區(qū)域內(nèi)殼體中面的第二曲率半徑,δ為該區(qū)域的最小厚度,為設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度。一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度超過

的兩個相鄰應(yīng)力區(qū)之間應(yīng)彼此隔開,它們之間沿經(jīng)線方向的間距不得小于,否則應(yīng)劃為一次總體薄膜應(yīng)力。其中

，

而R1與R2分別為所考慮兩個區(qū)域的殼體中面第二曲率半徑;δ1與δ2分別為所考慮區(qū)域的最小厚度。一次總體薄膜應(yīng)力和一次局部薄膜應(yīng)力是按薄膜應(yīng)力沿經(jīng)線方向的作用長度來劃分的。定義：由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的正應(yīng)力或切應(yīng)力?；咎匦裕鹤韵扌园ǎ孩倏傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力；②總體熱應(yīng)力。（2）二次應(yīng)力Q定義：由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)

力之上的應(yīng)力增量，介質(zhì)溫度急劇變化在器璧或管壁中引起的

熱應(yīng)力也歸入峰值應(yīng)力?；咎匦裕焊叨鹊木植啃裕蚨灰鹑魏蚊黠@的變形；其有害性僅是可能引起疲勞或脆性斷裂。（3）峰值應(yīng)力F表4-15壓力容器典型部位的應(yīng)力分類4.4.2.2容器典型部位的應(yīng)力分類表4-15壓力容器典型部位的應(yīng)力分類（續(xù)）圖4-56內(nèi)壓厚壁圓筒環(huán)向應(yīng)力的分解

圖4-57外加熱厚壁圓筒環(huán)向熱應(yīng)力的線性化處理該點(diǎn)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力（拉應(yīng)力為正值、壓應(yīng)力為負(fù)值）之差。五類基本的應(yīng)力強(qiáng)度：,,,and(1)一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ，

(2)一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ(3)一次薄膜（總體或局部）加一次彎曲應(yīng)力（P）強(qiáng)度SⅢ(4)一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ(5)峰值應(yīng)力強(qiáng)度SⅤ（1）應(yīng)力強(qiáng)度:4.4.3應(yīng)力強(qiáng)度計算在所考慮的點(diǎn)上，選取一正交坐標(biāo)系，如徑向、環(huán)向與法向分別用下標(biāo)x,q,z表示，用σx,σθ

和σz

表示該坐標(biāo)系中的正應(yīng)力，τxθ、τxz、τzθ表示該坐標(biāo)系中的切應(yīng)力。(2)計算各種載荷作用下的各應(yīng)力分量，并根據(jù)定義將各組應(yīng)力分量分別

歸入以下的類別：一次總體薄膜應(yīng)力Pm,一次局部薄膜應(yīng)力PL,一次

彎曲應(yīng)力Pb,二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力F。(3)將各類應(yīng)力按同種分量分別疊加，得到

Pm、PL、PL+Pb、PL+Pb+

Q

共四組應(yīng)力分量，每組一般有6個。（2）應(yīng)力強(qiáng)度計算步驟:(4)由每組6個應(yīng)力分量，計算各自的主應(yīng)力σ1,σ2和σ3，取σ1>σ2>σ3。(5)計算每組的最大主應(yīng)力差各組的即為與、、、和相對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度、、、和。

Sm=min(,,)式中

——常溫下材料的最低屈服強(qiáng)度——常溫下材料的最低抗拉強(qiáng)度——設(shè)計溫度下材料的屈服強(qiáng)度,,——相應(yīng)的材料設(shè)計系數(shù)JB4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中：

,

4.4.4.1設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度4.4.4應(yīng)力強(qiáng)度限制極限分析和安定分析被用來確定應(yīng)力強(qiáng)度的極限。圖4-59純彎曲矩形截面梁的極限分析全塑性(Mp)

ssssss虛擬彈塑性彈性(Me)Mbh4.4.4.2極限分析和安定性分析(1)極限分析其中Me為彈性失效極限載荷，Mp為塑性失效極限載荷or分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中取一次彎曲應(yīng)力（）的上限為。若按彈性應(yīng)力分布，則極限載荷下的虛擬應(yīng)力：塑性失效極限載荷：彈性失效極限載荷：

保證結(jié)構(gòu)安定的條件是，由于，分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，將一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度限制在以內(nèi)。es

e1

e

s

ss

s1

2ss

B’

C

B

A

O

s

-ss

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s2ss

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e

B’

F

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C

D

B

A

O

（a）圖4-60安定性分析圖

(2)安定性分析（b）4.4.4.2應(yīng)力強(qiáng)度限制應(yīng)力種類一次應(yīng)力二次應(yīng)力峰值應(yīng)力總體薄膜局部薄膜彎曲QF符號PmPLPb應(yīng)力分量的組合和應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限用工作載荷

1.5KSm

1.5KSm

3Sm

Sa

KSm用設(shè)計載荷PL+Pb+QSⅤSⅣSⅢSⅡPL+Pb+Q+FPLPL+PbSⅠPm圖4-61應(yīng)力分類和應(yīng)力強(qiáng)度極限值（1）應(yīng)力分析設(shè)計一般步驟（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計（2）建立力學(xué)分析模型（3）應(yīng)力分析（4）應(yīng)力分類（5）應(yīng)力強(qiáng)度計算（6）應(yīng)力強(qiáng)度校核4.4.5分析設(shè)計的應(yīng)用常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)各自為一個整體，兩個設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可以選其一。一般認(rèn)為在下列情況之一時，可考慮采用分析設(shè)計。（1）作為常規(guī)設(shè)計的替代方法；（2）常規(guī)設(shè)計適用范圍以外的壓力容器，如受變動載荷作用的壓力容器、結(jié)構(gòu)或者載荷特殊的壓力容器；（3）壓力高、直徑大的高參數(shù)壓力容器；（4）超過常規(guī)設(shè)計制造允差的例外情況。（2）分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用疲勞分析2疲勞失效的特征：（1）沒有明顯的塑性變形;（2）低應(yīng)力水平;（3）起源于高應(yīng)力區(qū)。4.5.1概述壓力容器疲勞失效增加的原因：（1）越來越多的壓力容器要承受交變載荷；（2）高強(qiáng)度材料的廣泛應(yīng)用。即

對稱循環(huán)R=0脈動循環(huán)R=+1靜載即

即

t

最大應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力比R

最小應(yīng)力交變應(yīng)力幅圖4-62應(yīng)力循環(huán)曲線描述疲勞載荷的參數(shù)疲勞分為高循環(huán)疲勞和低循環(huán)疲勞；高循環(huán)疲勞:N＞105;低循環(huán)疲勞:N=102~105;對于一般壓力容器，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)很少有超過105次的，通常只有幾千次，故屬于低循環(huán)疲范圍。勞的圖4-63高循環(huán)疲勞曲線

8

應(yīng)力幅a

103

104

105

106

107

10-1

103

102

循環(huán)次數(shù)N

式中

——斷裂時的真應(yīng)變，——斷面收縮率。（1）低循環(huán)疲勞計算曲線

——疲勞試驗中的總應(yīng)變，

——疲勞試驗中的塑性應(yīng)變，虛擬應(yīng)力幅塑性應(yīng)變和壽命的關(guān)系4.5.2低循環(huán)疲勞曲線

（4-94）（4-95）（4-96）

——疲勞試驗中的彈性應(yīng)變。式中虛擬應(yīng)力幅和壽命關(guān)系：循環(huán)次數(shù)N10102103104105106102103104105

試驗曲線計算曲線設(shè)計曲線圖4-64低循環(huán)疲勞曲線

應(yīng)力幅Sa/MPa壓力容器的典型負(fù)載（脈動循環(huán)）：Goodman方程:（4-97）

圖4-65平均應(yīng)力的影響—Goodman直線（2）平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響圖4-66平均應(yīng)力的調(diào)整(1)（4-98）（3）平均應(yīng)力調(diào)整以及當(dāng)量交變應(yīng)力幅的求法平均應(yīng)力不等于0的當(dāng)量交變應(yīng)力幅：平均應(yīng)力等于0的平均應(yīng)力調(diào)整原則：等壽命原則圖4-67當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系sssss2max<<

(2)（4-99）圖4-68σa+σm≥2σs應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(3)無需對交變應(yīng)力幅進(jìn)行修正（4）低循環(huán)疲勞曲線的修正圖4-69經(jīng)平均應(yīng)力修正后的疲勞曲線問題：容器或部件中往往存在殘余應(yīng)力，

平均應(yīng)力很難準(zhǔn)確確定。解決方法：用最大平均應(yīng)力進(jìn)行修正。①確定交變應(yīng)力幅；②使用設(shè)計疲勞曲線計算允許循環(huán)次數(shù)N；③將預(yù)計的工作循環(huán)次數(shù)n與允許循環(huán)次數(shù)N進(jìn)行比較。

如果n＞N，則再次重新設(shè)計。（1）基于試驗的疲勞設(shè)計（2）以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計（3）采用設(shè)計疲勞曲線的疲勞設(shè)計圖4-70焊接接頭設(shè)計疲勞曲線4.5.3壓力容器的疲勞設(shè)計一、壓力容器的疲勞設(shè)計圖4-71溫度不超過375℃的碳鋼、低合金鋼的設(shè)計疲勞曲線循環(huán)次數(shù)N許用應(yīng)力幅度Sa(Mpa)注(1)E=210×103MPa

(2)對抗拉強(qiáng)度介于552~896MPa用內(nèi)插法壓力容器在實際運(yùn)行中所受的交變載荷幅有時是隨時間變化的,其大小載荷幅的作用順序甚至是隨機(jī)的,若總按其中的最大幅值來計算交變應(yīng)力幅就太保守。對于變幅疲勞或隨機(jī)疲勞問題,工程上普遍采用線性疲勞累積損傷準(zhǔn)則來解決。線性疲勞累積損傷準(zhǔn)則認(rèn)為各交變應(yīng)力幅造成的損傷程度累計疊加不應(yīng)超過1,即：二、交幅載荷與疲勞累積損傷對于常溫抗拉強(qiáng)度鋼材，若下列4條中總循環(huán)次數(shù)不超過1000次，容器整體部位可以不作疲勞分析。（1）包括啟動與停車在內(nèi)的全范圍壓力循環(huán)的預(yù)計(設(shè)計)循環(huán)次數(shù);（2）壓力波動范圍超