压力容器应力分析与安全设计.ppt

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1、第二章 压力容器应力分析与安全设计,第一节 压力容器应力分析和变形特点,一、压力容器应力和变形特点,1. 压力容器结构特点,薄壁容器：,2. 薄壁压力容器应力和变形特点,1）基本概念, 回转壳体, 轴对称问题：,指壳体的几何形状约束条件和所受外力都对称于回转轴的问题。, 中间面,指与壳体内外表面等距离的曲面。, 母线：AB, 经线：AB、AB, 法线：(n), 纬线：CND圆,第一曲率半径：,指中间面上的一点M处经线的曲率半径：R1=MK1,第二曲率半径：,通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面，其与中间面相交形成曲线ME，此曲线在M点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径：R2=MK2,2）薄

2、壁容器变形特点,当容器内部压力P大于外部压力P外时，容器产生两种变形：拉伸变形和弯曲变形，其中拉伸应力拉远大于弯曲应力弯。,承受内压圆筒中的薄膜应力, 无力矩理论的基本假设, 直法线假设, 互不挤压假设,变形前后壳体厚度不变。,忽略壳壁的法向应力。,3）薄膜应力理论的应力计算公式, m：经向应力,：环向应力, 环向应力计算公式,外力的合力在微元体法线方向的投影：,经向应力的合力在法线n上的投影：,环向应力的合力在法线n上的投影：,根据法线方向力的平衡条件，得：,即,因为：,整理得：,作用在该部分的外力在z轴方向上合力为Pz,作用在该截面上的应力在z轴上投影为Nz, 经向应力计算公式,由z轴方向

3、的平衡条件：,即,(2-1),(2-2), 轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围,薄壁无力矩应力状态的存在，必须满足壳体是轴对称的，即几何形状、材料、载荷的对称性和连续性，同时需保证壳体应具有自由边缘。当这些条件不能全部满足时，就不能应用无力矩理论去分析发生弯曲时的应力状态。但远离局部区域的情况，无力矩理论仍然有效。,4）受气体内压的壳体的受力分析,圆筒形壳体,圆筒壳的第一曲率半径R1=，第二曲率半径R2=D/2代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（2-2）得：,分析：,薄壁圆筒受内压环向应力是经向应力两倍。问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?,应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱

4、程度，使环向应力不致增加很多。,分析：,问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？,筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。,例：,球形壳体,球壳的R1R2=D/2，代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（2-2）得：,椭圆形壳体,椭圆壳的经线为一椭圆，设其经线方程为,由此方程可得第一曲率半径为：,根据上图，第二曲率半径为：,将所得R1与R2代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（2-2）得：,椭圆封头的经向应力分布,圆锥形壳体,右图所示为一圆锥形壳，半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：,代入薄膜应力理论计算公式（2-1）和（2-2）得A点处的应力：,

5、可见，在锥顶的经向应力和环向应力都为零；而在锥底 r = D/2,二、压力容器的边缘问题及特性,1. 边缘问题, 曲率变化导致的弯曲应力。, 联接边缘区的变形与应力,2. 边缘应力的特点,局部性 不同性质的联接边缘产生不同的边缘应力，但它们大多数都有明显的衰减波特性，随着离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。,自限性 由于边缘应力是两联接件弹性变形不一致，相互制约而产生的，一旦材料产生了塑性变形，弹性变形的约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，这就是边缘应力的自限性。,3. 对边缘应力的处理,若用塑性好的材料制造筒体，可减少容器发生破坏的危险性。 正是由于边缘应力的局部性与自限性，设计中一般不按

6、局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。,第二节 压力容器的安全设计,压力容器设计是保障压力容器安全的首要环节。压力容器设计从安全角度包括强度安全设计和结构安全设计，两者都离不开正确选材，不同材料的容器的承载能力与结构可靠程度是不同的。 压力容器的安全设计，指在确定的容器结构尺寸下，所选材料在容器寿命期内有足够抵抗各种外来载荷和经受周围环境条件破坏的能力；而结构的安全设计则是设计容器的总体或局部结构时，尽量避免制造和使用中附加的削弱容器强度的因素。,1.设计压力容器 根据化工生产工艺提出的条件，确定设计所需参数（p，t，D），选定材料和结构型式，通过

7、强度计算确定容器筒体及封头壁厚。已经制定标准的受压元件，可直接选取。2.校核在用容器 判定在一个检验周期内，或在剩余寿命期内，容器是否还能在原设计条件下安全使用。 对于已不能在原设计条件下使用的容器，应通过强度计算，为容器提出最高允许工作压力。 如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判废提供依据。,一、压力容器强度计算的内容,二薄壁圆筒强度计算公式,1. 理论计算厚度,st设计温度t下，筒体材料的许用应力，MPa。,考虑焊接接头系数,容器筒体一般由钢板卷焊而成。由于在焊接加热过程中，对焊缝金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本

8、体的强度。因此，钢板的许用应力 st应该用强度较低的焊缝许用应力代替。办法是把钢板的许用应力乘以焊接接头系数f，f1。,使用圆筒内直径,工艺设计中确定的是容器内径Di，在制造过程中测量的也是圆筒的内径，而受力分析中的D指的却是筒体中面直径。,2. 设计厚度与名义厚度,（1）钢板的负偏差C1。,（2）腐蚀裕量C2,考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，在计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕度C2。由此得到筒体的设计厚度为 ：,而筒体的名义厚度为 ：,3. 有效厚度,碳素钢、低合金钢容器：min不小于3mm； 高合金制容器：min不小于2mm；,最小厚度（min）考虑容器的刚性 制造、运输、

9、吊装； 不包括腐蚀裕量；,不包括腐蚀裕量,3. 压力容器的最小厚度,三、薄壁球壳强度计算公式,四、 设计参数的确定,设计技术参数,设计压力,设计温度,厚度附加量等,焊接接头系数,许用应力,1、设计压力 为压力容器的设计载荷条件之一，其值 不低于最高工作压力。,设计压力应视内压或外压容器分别取值。,容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。,外压：取1.25倍的最大内外压差或0.1 MPa,重锤杠杆式安全阀,弹簧式安全阀,爆破片,2、正拱开缝型,1、正拱普通拉伸型,3、反拱型,计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截 面厚度的压力，其中包括液柱静压力。,通常情况下，计算压力=设计压力

10、+液柱静压力,当元件所承受的液柱静压力5%设计压力时，可忽略不计。,3、许用应力容器壳体、封头等受压元件的材料许用强 度，取材料强度失效判据的极限值与相应 的材料设计系数（又称安全系数）之比。,同时考虑基于高温蠕变极限,或持久强度,的许用应力,即,或,钢制压力容器用材料许用应力的取值方法,表9-2 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法,接头形式,无损检测要求及长度比例,焊缝缺陷,夹渣、未熔透、裂纹、气孔等,焊缝热影响区晶粒粗大,母材强度或塑性降低,薄弱环节,4、焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器 强度受削弱的程度。,影响因素,焊缝系数的大小与材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接结构

11、、坡 口型式、焊接方法、焊缝无损检测长度比例以及焊前预热处理及焊后热处理等因素有关。目前我国钢制压力容器中的焊缝系数主要依据焊缝结构、坡口型式、无损检测的要求等确定。焊缝系数的选择见下表。,表 钢制压力容器的焊接接头系数值,5、厚度附加量,成形后厚度制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二 次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工 减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。 一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度 要求。,加工减薄量根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造 厂而并非由设计人员确定。,厚度关系示意图,腐蚀裕量防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而 导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接

12、接触的筒 体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的 腐蚀裕量。,五、压力容器结构的安全设计,1、要求结构便于制造，以利于保证制造质量和避免、减少制造缺陷；2、要求结构便于无损检验，使制造和使用中产生的缺陷能及时、准确地检查出来；3、结构设计中要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中。,降低局部附加应力和应力集中：,（1）结构不连续处应平滑过渡。图2-14（2）引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开，避免高应力叠加。图2-15（3）避免采用刚性过大的焊接结构。图2-16（4）受热系统及部件的胀缩不要受限制。图2-17,六、材料选择 材料是压力容器的物质基础, 正确地选用压力容器材料是保证压力容器长期

13、安全使用的一个基本条件。压力容器是在承压状态下进行工作, 有些还要同时承受高温、低温或腐蚀介质的联合作用, 由此对构成压力容器的材料提出了更高的要求。 目前绝大部分压力容器都是钢制的,压力容器材料的选择,应着重考虑材料的机械性能、工艺性能和耐腐蚀性能。,1.材料的机械性能 (1)强度指标 强度是材料抵抗外力作用而避免产生屈服和断裂破坏的能力, 它是决定钢材许用应力值的依据。其常用强度指标有抗拉强度b和屈服强度s,高温工作时,还应考虑蠕变极限bt和持久极限Dt。 材料的机械强度关系到容器的厚度和总重,选用强度较高的钢材在高压容器设计和目前压力容器日趋高参数(高温、高压)及大型化的条件下更有其重要

14、意义。一般而言,钢材强度级别的提高总伴随着延塑性和冲击韧性的下降,从而带来了制造工艺性的困难和防止脆性破坏性能的下降。高强度钢对应力集中比较敏感,抗低循环疲劳的能力也较差。,(2)塑性指标 塑性指标反映材料塑性变形的能力,一般以钢材在断裂前塑性变形量的大小来衡量。表示钢材塑性的指标主要是延伸率以及断面收缩率。 压力容器在制造过程中的次序、热加工成型都要求材料具有良好的塑性, 塑性好的钢材在断裂时一般都表现出塑性破坏的特征,即在破坏前产生明显的塑性变形,破坏时呈剪切撕裂断口不产生碎片,所以相对脆性破坏而言易于检查发现并避免,即使破坏所构成的危害性较小。塑性好的材料可使容器某些应力集中处产生的高应

15、力因屈服而重新分布, 使应力分布趋于均匀化, 避免脆断的发生。,国际标准化组织(ISO)推荐压力容器用钢其延伸率对于碳钢及锰钢不小于16%,对于合金钢不小于14%。材料的冷弯性能也是材料塑性及其抵抗弯曲断裂能力的一个标志。 表示材料塑性的另一个标志是屈强比,s/b屈强比越高,s和b的差距越小,材料的塑性储备也越小。高强度钢的屈强比较大,故塑性较差,相应其韧性也较低。,(3)韧性指标 韧性是反映钢材塑性和强度的综合指标,反映钢材在断裂破坏前吸收能量的能力。 材料的韧性是影响压力容器低应力脆断的重要因素。长期以来人们对压力容器发生脆断的原因及对材料的韧性要求作了大量的研究,防止发生低应力脆断的主要

16、指标是材料的冲击韧性和材料的断裂韧性KIc或临界裂纹张开位移c。以上指标对材料的脆性转变温度十分敏感。 容器在进行压力试验时,须对试验介质的最低温度加以控制,这是为了防止材料在低温下冲击韧性下降而突然发生脆断的措施之一。,2. 制造工艺性能 低合金强度钢的广泛应用,对钢材焊接性的评定提出了新的要求。试验表明,钢材强度越高,焊接热影响区的硬度也越高,出现焊接裂纹的可能性也越大。为了保证钢材的焊接性,必须对钢材的含碳量或碳当量加以限制。我国“安全技术监察规程”规定,含碳量大于0.25的钢材不能用于焊接容器。日本焊接学会制订的“焊接结构用高强度钢板标准”中规定了碳当量的计算式为 Ceq=(C+Si/

17、24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14)% 控制碳当量的目的在于保证钢材的焊接工艺性。 GB150还要求与受压元件相焊接的非受压元件用钢,也必须为可焊性好的材料。,3. 材料耐腐蚀性能 耐腐蚀性能是材料在使用工艺条件下抵抗介质腐蚀的能力。材料遭到腐蚀后,其重量、厚度、力学性能、组织结构及电极过程等都可能发生变化,所以,它直接关系到容器的强度。在容器断裂破坏的事例中,腐蚀破坏也占很大比重。防止腐蚀破坏的重要措施之一是正确选材,而正确的结构型式对防止腐蚀破坏也有一定的作用,例如,当容器停止操作时,务使容器的各处不积存任何残液。 腐蚀破坏的形式有均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀

18、和疲劳腐蚀等五种。其中最危险的是晶间腐蚀和应力腐蚀,它除了与受压元件的应力有关外,还与材料的化学组成、金相组织有关,为了防止晶间腐蚀和应力,还应保证钢材化学成分的控制值和热处理状态。,七、压力试验 容器制成后必须进行压力试验,以检验压力容器的宏观强度和致密性。所谓压力试验就是用液体或气体作为加压介质,在容器内施加比它的最高使用压力还要高的试验压力,并检查容器在试验压力下是否有渗漏、明显的塑性变形以及其他的缺陷。压力试验分为液压试验和气压试验两种。,压力试验压力与设计压力的比值,与采用的容器设计安全系数有关。按照我国情况,必须符合下述规定: PT=1.25p/t 且不小于(p+0.1) MPa

19、(液压试验) PT=1.15p/t 且不小于(p+0.1) MPa (气压试验) 式中 PT试验压力,MPa; p设计压力,MPa; 试验温度下材料的许用应力,MPa; t设计温度下材料的许用应力,MPa。 其中/t之比值最高不应超过1.8。,为了确保压力试验时容器材料处于弹性状态,圆筒形容器中的薄膜应力应满足下述要求 T=PT(Di+e)/2e0.9sMPa(液压试验) T=PT(Di+e)/2e 0.8sMPa(气压试验) 式中e圆筒的有效厚度，mm。 焊缝系数 如不能满足上述要求,应增加容器壁厚。,在压力试验时,为了避免材料的低温脆性破裂,试验环境和水温必须高于材料的无塑性转变温度。 根

20、据我国目前压力容器用材的情况,压力试验时,如用碳素钢、16MnR制造容器,液体温度不低于5; 对于其他低合金钢(不包含低温容器), 则液体温度不得低于15。 如果由于板厚等因素造成材料脆性转变温度升高,还要相应地提高液体的试验温度。气压试验时,气体温度不应低于15。,液压试验时,容器的顶部应设排气口,以排尽容器内的空气,使液体充满。试验时压力应缓慢上升,达到规定的试验压力后,根据容积大小保持1030min,然后将压力降到设计压力至少保持30min,检查所有焊缝和连接部位有无泄漏和明显的残余变形。 气压试验时,压力应缓慢升至规定试验压力的10%,保持10min，然后对所有焊缝和连接部位进行初次检

21、查,合格后继续升压到规定试验压力的50%。其后按每级为规定试验压力的10%的级差逐级升压到试验压力,保持1030 min,然后降到设计压力至少保持30 min,同时进行检查,如有泄漏或明显缺陷,修补后重新试验。,习 题,1. 计算下列各种承受气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应力和： （1）球壳上任一点。已知p2.5MPa，Di1000mm，8mm。（2）圆柱壳上任一点，已知p1MPa，Di2000mm，20mm。,习 题,2. 计算下图中椭球壳上A、B两点的薄膜应力和。已知：p = 2 MPa，a = 1000 mm，b = 500 mm，= 10 mm。,习 题,3、某化工厂反应釜

22、，内径为Di2000 mm，工作温度为5105 ，工作压力为1.5 MPa，釜体材料选用0Cr18Ni10Ti，采用双面焊对接接头，局部无损探伤，凸形封头上装有安全阀，厚度附加量为C=2 mm，材料的许用应力t137 MPa，s253 MPa，试设计釜体厚度，并作水压试验校核。,知识要点,基本概念：1、薄膜应力及无力矩理论；2、第一曲率半径和第二曲率半径；3、边缘应力及其特性；4、工作压力与设计压力5、焊接接头系数6、厚度附加量、设计厚度、名义厚度,知识要点,7、压力容器结构的安全设计包括哪些注意事项？8、液压试验的程序气压试验的程序气密试验方法,知识要点,基本公式与计算,1受内压的圆筒形壳体的应力计算公式,2受内压的球形壳体的应力计算公式,3受内压的圆锥形壳体应力计算公式,锥顶的经向应力和环向应力都为零；而在锥底 r = D/2,5、筒体名义厚度的求取,6、压力试验的应力校核,