压力容器强度结构与应力分析教学内容.ppt

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1、1 第一节 压力容器设计技术(jsh)概述 第二节 压力容器常规设计技术(jsh)压力容器强度(qingd)结构与应力分析第一页，共70页。2第一节 压力容器设计(shj)技术概述 一、压力容器的失效模式 二、压力容器设计(shj)准则的发展压力容器强度(qingd)结构与应力分析第二页，共70页。3第一节 压力容器设计技术(jsh)概述一、容器的失效模式容器设计的核心问题是安全(nqun)。压力容器设计技术的近代进展时基本的出发点也是安全(nqun)。容器的安全(nqun)就是防止容器发生失效。容器的传统设计思想实质上就是防止容器发生“弹性失效”。两种最基本的失效模式两种最基本的失效模式韧性

2、破坏脆性破坏脆性破坏l随着技术的发展，遇到的容器失效有各种类型，针对不同的失效形式进而出现了不同的设计准则。在讨论这些设计技术进展之前有必要首先弄清容器的各种形式的失效，尤其最基本的爆破(bop)失效过程更需要弄清楚。下面就容器的韧性爆破(bop)和脆性爆破(bop)过程先作一些阐述：第三页，共70页。4(一)容器的超压爆破过程 1容器的韧性爆破过程 一台受压容器，如果材料塑性韧性正常，设计正确(zhngqu)，制造中未留下严重的缺陷，加压直至爆破的全过程一般属于韧性爆破过程。韧性爆破的全过程可以用图示容器液压爆破曲线OABCD来说明，加压的几个阶段如下：整体屈服(qf)压力爆破(bop)压力

3、(A)弹性变形阶段(OA段)(B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段)(D)爆破阶段(CD段)第一节 压力容器设计技术概述第四页，共70页。5(一)容器的超压爆破过程(1)弹性变形阶段 见OA，随着进液量(即体积膨胀量)的增加，容器的变形增大，内压随之上升。这一阶段的基本特征是内压与容器变形量成正比，呈现出弹性行为。A点表示内壁应力开始屈服(qf)，或表示容器的局部区域出现屈服(qf)，整个容器的整体弹性行为到此终止。(A)弹性变形阶段(jidun)(OA段)(B)屈服阶段(jidun)(AB段)(C)强化阶段(jidun)(BC段)(D)爆破阶段(jidun)(CD段)第一节 压力容器

4、设计技术(jsh)概述第五页，共70页。6(一)容器的超压爆破过程(2)屈服变形阶段 AB段，容器从局部屈服到整体屈服的阶段，以内壁屈服到外壁也进入屈服的阶段。B点表示容器已进入整体屈服状态。如果容器的钢材(gngci)具有屈服平台，这阶段包含塑性变形越过屈服平台的阶段，这是一个包含复杂过程的阶段，不同的容器、不同的材料，这一阶段的形状与长短不同。(A)弹性变形(bin xng)阶段(OA段)(B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段)(D)爆破阶段(CD段)第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第六页，共70页。7(一)容器(rngq)的超压爆破过程(3)变形强化阶段 BC段，材料发生塑

5、性变形不断强化，容器(rngq)承载能力不断提高。但体积膨胀使壁厚减薄，承载能力下降。两者中强化影响大于减薄影响，强化提高承载能力的行为变成主要因素。强化的变化率逐渐降低，到C点时两种影响相等，达到总体“塑性失稳”状态，承载能力达到最大即将爆破，此时容器(rngq)已充分膨胀。(A)弹性变形阶段(jidun)(OA段)(B)屈服阶段(jidun)(AB段)(C)强化阶段(jidun)(BC段)(D)爆破阶段(jidun)(CD段)第一节 压力容器设计(shj)技术概述第七页，共70页。8(一)容器的超压爆破过程(4)爆破阶段 在CD段，减薄的影响大于强化的影响，容器的承载能力随着容器的大量(d

6、ling)膨胀而明显下降，壁厚迅速减薄，直至D点而爆裂。(A)弹性变形阶段(OA段)(B)屈服阶段(AB段)(C)强化(qinghu)阶段(BC段)(D)爆破阶段(CD段)第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第八页，共70页。9(一)容器(rngq)的超压爆破过程 C点的内压力为爆破压力，正常韧性爆破的容器(rngq)，爆破的体积膨胀量(即进液量)在容器(rngq)体积的10以上，该值越高，容器(rngq)的韧性越好，材料的塑性韧性和制造质量都很好，该容器(rngq)在设计压力下很安全。承受的压力，爆破压力越高，爆破压力与设计压力的比值越大则越安全。(A)弹性变形阶段(OA段)(B)屈服(q

7、f)阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段)(D)爆破阶段(CD段)第一节 压力容器设计(shj)技术概述爆破压力第九页，共70页。10(一)容器(rngq)的超压爆破过程韧性破坏韧性破坏(phui)-(phui)-照片照片第一节 压力容器设计(shj)技术概述第十页，共70页。112容器的脆性爆破(bop)过程现象：现象：低应力，低应力，体积变形很小，体积变形很小，无明显塑性变形原因原因：1 1）材料很脆，）材料很脆，2 2）有严重缺陷危害危害危害危害：无征兆、很多产生碎片、带来无征兆、很多产生碎片、带来无征兆、很多产生碎片、带来无征兆、很多产生碎片、带来灾难性后果灾难性后果灾难性后果灾难性后

8、果第一节 压力容器设计(shj)技术概述第十一页，共70页。122容器的脆性爆破过程 容器的脆性爆破过程如图中OA，(或OA”)曲线。这种爆破指容器在加压过程中没有发生充分的塑性变形鼓胀，甚至尚未达到屈服的时候(sh hou)就发生爆破。爆破时容器尚在弹性变形阶段至多是少量屈服变形阶段。(A)弹性变形阶段(jidun)(OA段)(B)屈服阶段(jidun)(AB段)(C)强化阶段(jidun)(BC段)(D)爆破阶段(jidun)(CD段)第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第十二页，共70页。132容器的脆性爆破过程 脆性爆破的容器是由材料(cilio)的脆性(例如低温下的脆性)，或是由于

9、有严重的焊接缺陷(例如裂纹)引起。也可能两者同时起作用，既有严重缺陷又遇材料(cilio)变脆(如焊接热影响区的脆化或容器长期在中高温度下服役致使材料(cilio)显著脆化)从而引起脆断。(A)弹性变形(bin xng)阶段(OA段)(B)屈服阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段)(D)爆破阶段(CD段)第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第十三页，共70页。142容器的脆性爆破过程 脆性爆破的容器由于体积变形量很小，其安全裕量很少，应竭力防止。发生脆断，容器爆裂出碎片飞出，产生极大的危害，带来灾难性的后果(hugu)。容器的韧性爆破和脆性爆破是容器爆破的两种基本典型的形式。实际容器的失效不

10、一定是爆破，而有更多的原因和模式，下面将讨论容器的失效模式问题和容器设计应采用的相应的准则(A)弹性变形阶段(OA段)(B)屈服(qf)阶段(AB段)(C)强化阶段(BC段)(D)爆破阶段(CD段)第一节 压力容器设计(shj)技术概述第十四页，共70页。15一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (1)过度变形 容器的总体(zngt)或局部发生过度变形，包括过量的弹性变形，过量的塑性变形，塑性失稳(增量垮坍)，例如总体(zngt)上大范围鼓胀，或局部鼓胀，应认为容器已失效，不能保障使用安全。过度变形说明容器在总体(zngt)上或局部区域发生了塑性失效，处于十分危险的状态。例如法兰的设计稍薄

11、，强度上尚可满足要求，但由于刚度不足产生永久变形，导致介质泄漏，这是由于塑性失效的过度变形而导致的失效。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第十五页，共70页。16一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (2)韧性爆破 容器发生了塑性(sxng)大变形的破裂失效，相当于图中曲线BCD阶段情况下的破裂，这属于超载下的爆破，一种可能是超压，另一种可能是本身大面积的壁厚较薄。这是一种经过塑性(sxng)大变形的塑性(sxng)失效之后再发展为爆破的失效，亦称为“塑性(sxng)失稳”(Plastic collapse)，爆破后易引起灾难性的后果。第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第十六页，共

12、70页。17一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (3)脆性爆破 这是一种没有(mi yu)经过充分塑性大变形的容器破裂失效。材料的脆性和严重的超标缺陷均会导致这种破裂，或者两种原因兼有。脆性爆破时容器可能裂成碎片飞出，也可能仅沿纵向裂开一条缝；材料愈脆，特别是总体上愈脆则愈易形成碎片。如果仅是焊缝或热影响区较脆，则易裂开一条缝。形成碎片的脆性爆破特别容易引起灾难性后果。第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第十七页，共70页。18一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (4)疲劳失效 交变(jio bin)载荷容易使容器的应力集中部位材料发生疲劳损伤，萌生疲劳裂纹并扩展导致疲劳失效。疲

13、劳失效包括材料的疲劳损伤(形成宏观裂纹)并疲劳扩展和结构的疲劳断裂等情况。容器疲劳断裂的最终失效方式一种是发生泄漏，称为“未爆先漏”(LBB,Leak Before Break)，另一种是爆破，可称为“未漏先爆”。爆裂的方式取决于结构的厚度、材料的韧性，并与缺陷的大小有关。疲劳裂纹的断口上一般会留下肉眼可见的贝壳状的疲劳条纹。第一节 压力容器设计(shj)技术概述 疲劳(plo)辉纹(3000)第十八页，共70页。19一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (5)蠕变失效 容器长期在高温下运行和受载，金属材料会随时间不断发生蠕变损伤，逐步出现明显的鼓胀与减薄，破裂而成事故。即使载荷恒定和应力

14、低于屈服点也会发生蠕变失效，不同材料在高温下的蠕变行为有所不同。材料高温下的蠕变损伤是晶界的弱化和在应力作用下的沿晶界的滑移，晶界上形成蠕变空洞。时间愈长空洞则愈多愈大，宏观上出现蠕变变形。当空洞连成片并扩展时即形成蠕变裂纹，最终发生蠕变断裂的事故。材料经受蠕变损伤后在性能上表现出强度(qingd)下降和韧性降低，即蠕变脆化。蠕变失效的宏观表现是过度变形(蠕胀)，最终是由蠕变裂纹扩展而断裂(爆破或泄漏)。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第十九页，共70页。20一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (6)腐蚀失效 这是与环境介质有关的失效形式。化工容器接触的腐蚀性介质十分复杂，腐蚀机理

15、属于两大类：化学腐蚀与电化学腐蚀。区别在于形成腐蚀化合物过程中是否在原子间有电荷的转移。就腐蚀失效的形态可分为如下几种典型情况：全面腐蚀(亦称均匀腐蚀)；局部腐蚀；集中腐蚀(即点腐蚀)；晶间腐蚀；应力腐蚀；缝隙腐蚀；氢腐蚀；选择性腐蚀。腐蚀发展到总体强度不足(由全面腐蚀、晶间腐蚀或氢腐蚀引起)或局部强度不足时，可认为已腐蚀失效。腐蚀发展轻者造成(zo chn)泄漏、局部塑性失稳或总体塑性失稳，严重时可导致爆破。由应力腐蚀形成宏观裂纹，扩展后也会导致泄漏或低应力脆断。第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第二十页，共70页。21一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (7)失稳失效 容器在外压

16、(包括真空)的压应力作用(zuyng)下丧失稳定性而发生的皱折变形称为失稳失效。皱折可以是局部的也可以是总体的。高塔在过大的轴向压力(风载、地震载荷)作用(zuyng)下也会皱折而引起倒塌。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第二十一页，共70页。22一、容器的失效模式 1容器常见的失效模式 (8)泄漏(xilu)失效 容器及管道可拆密封部位的密封系统中每一个零部件的失效都会引起泄漏(xilu)失效。例如法兰的刚性不足导致法兰的过度变形而影响对垫片的压紧，紧固螺栓因设计不当或锈蚀而过度伸长也会导致泄漏(xilu)，垫片的密封比压不足、垫片老化缺少反弹能力都会引起泄漏(xilu)失效。系统中每

17、一零部件均会导致泄漏(xilu)失效，所以密封失效不是一个独立的失效模式，而是综合性的。第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第二十二页，共70页。23一、容器的失效模式 2容器的交互失效模式 (1)腐蚀疲劳 在交变载荷和腐蚀介质(jizh)交互作用下形成裂纹并扩展的交互失效。由于腐蚀介质(jizh)的作用而引起抗疲劳性能的降低，在交变载荷作用下首先在表面有应力集中的地方发生疲劳损伤，在连续的腐蚀环境作用下发展为裂纹，最终发生泄漏或断裂。对应力腐蚀敏感与不敏感的材料都可能发生腐蚀疲劳，交变应力和腐蚀介质(jizh)均加速了这一损伤过程的进程，使容器寿命大为降低。第一节 压力容器设计(shj)技

18、术概述第二十三页，共70页。24一、容器的失效模式 2容器的交互失效模式 (2)蠕变疲劳 这是指高温容器既出现了蠕变变形又同时承受交变载荷作用而在应力集中的局部区域出现过度膨胀以至形成裂纹直至(zhzh)破裂。蠕变导致过度变形，载荷的交变导致萌生疲劳裂纹和裂纹扩展。因蠕变和疲劳交互作用失效的容器既有明显宏观变形的特点又有疲劳断口光整的特点。第一节 压力容器设计技术(jsh)概述第二十四页，共70页。25第一节 压力容器设计技术概述 一、压力容器的失效(sh xio)模式 二、压力容器设计准则的发展 压力容器设计(shj)技术进展 第二十五页，共70页。26二、化工容器的设计准则发展(1)弹性失

19、效设计准则 这是为防止容器总体部位发生屈服变形，将总体部位的最大设计应力限制在材料的屈服点以下，保证容器的总体部位始终处于(chy)弹性状态而不会发生弹性失效。这是最传统的设计方法，是现今容器设计首先应遵循的准则。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第二十六页，共70页。27二、化工容器的设计准则发展(2)塑性失效设计准则 容器某处(如厚壁筒的内壁)弹性失效后并不意味着容器失去承载能力。将容器总体部位进入整体屈服时的状态或局部区域沿整个壁厚进入全屈服状态称为塑性失效状态，若材料(cilio)符合理想塑性假设，载荷不需继续增加，变形会无限制发展下去，称此载荷为极限载荷。将极限载荷作为设计依据加

20、以限制，防止总体塑性变形，称极限设计。“极限设计准则即塑性失效设计准则。用塑性力学方法求解结构的极限载荷是这种设计准则的基础。第一节 压力容器设计(shj)技术概述Treaca屈服(qf)条件或Mises屈服(qf)条件第二十七页，共70页。28二、化工容器的设计准则发展(3)爆破失效设计准则 非理想塑性材料在屈服后尚有增强的能力，对于容器(主要是厚壁的)在整体屈服后仍有继续增强的承载能力，直到容器达到爆破时的载荷才为最大载荷。若以容器爆破作为失效状态，以爆破压力作为设计的依据(yj)并加以限制，以防止发生爆破，这就是容器的爆破失效设计准则。高压容器中所介绍的Faupel公式就是这一准则的体现

21、。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第二十八页，共70页。29二、化工容器的设计准则发展(4)弹塑性失效设计准则 如果容器的某一局部区域(qy)，一部分材料发生了屈服，而其他大部分区域(qy)仍为弹性状态，而弹性部分又能约束着塑性区的塑性流动变形，结构处于这种弹塑性状态可以认为并不一定意味着失效。只有当容器某一局部弹塑性区域(qy)内的塑性区中的应力超过了由“安定性原理”确定的许用值时才认为结构丧失了“安定”而发生了弹塑性失效。安定性原理作为弹塑性失效的设计准则，亦称为安定性准则。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第二十九页，共70页。30二、化工容器的设计准则发展(5)疲劳失效(sh

22、 xio)设计准则 为防止容器发生疲劳失效(sh xio)，将容器应力集中部位的最大交变应力的应力幅限制在由低周疲劳设计曲线确定的许用应力幅之内时才能保证在规定的循环周次内不发生疲劳失效(sh xio)，这就是疲劳失效(sh xio)设计准则。这是20世纪60年代由美国发展起来的。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第三十页，共70页。31二、化工容器的设计准则发展(6)断裂(dun li)失效设计准则 实际难于避免裂纹，包括制造裂纹(焊接裂纹)和使用中产生或扩展的裂纹(疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹)，为防止缺陷导致低应力脆断，可按断裂(dun li)力学限制缺陷的尺寸或对材料提出必须达到的韧性指

23、标，这是防脆断设计。防脆断设计并不意味着允许新制造的容器可以存在裂纹，而是对容器使用若干年后的一种安全性估计。新制造的容器，设计时是假定容器内产生了可以检测到的裂纹，通过断裂(dun li)力学方法对材料的韧性(主要是指断裂(dun li)韧性)提出必须保证达到的要求以使容器不会发生低应力脆断。在役容器检测出裂纹，可用断裂(dun li)力学评价是否安全，即压力容器的缺陷评定。这是基于断裂(dun li)失效设计准则(或称防脆断失效设计准则)的方法。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第三十一页，共70页。32二、化工容器的设计准则发展(7)蠕变失效设计准则 将高温容器筒体的蠕变变形量(或按

24、蠕变方程计算出的相应的应力(yngl)限制在某一允许的范围之内，便可保证高温容器在规定的使用期内不发生蠕变失效，这就是蠕变失效设计准则。第一节 压力容器设计技术(jsh)概述(8)失稳失效设计准则 外压容器的失稳皱折需按照稳定性理论进行稳定性校核，这就是失稳失效的设计准则。大型直立设备(shbi)(如塔设备(shbi)在风载与地震载荷下的纵向稳定性校核也属此类。第三十二页，共70页。33二、化工容器的设计准则发展(9)刚度失效设计准则 通过对结构的变形分析，将结构中特定点的线位移及角位移限制在允许的范围内，即保证结构有足够的刚度。例如大型板式塔内大直径塔盘很薄，就应限制塔盘板的挠度，不致使液层

25、厚薄不一而引起穿过塔盘气体分布不均和降低板效率。又如法兰设计时除应保证强度外还应采用刚度校核(xio h)法以限制法兰的偏转变形。第一节 压力容器设计(shj)技术概述第三十三页，共70页。34第一节 压力容器设计技术概述(i sh)第二节 压力容器常规设计技术 压力容器强度、结构(jigu)及应力分析 第三十四页，共70页。35第二节 压力容器常规设计(shj)技术一、压力容器强度计算一、压力容器强度计算(j sun)(j sun)概述概述二、压力容器强度校核二、压力容器强度校核三、压力容器的结构概述三、压力容器的结构概述第三十五页，共70页。36压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述(i

26、 sh)(i sh)设设计压力范围计压力范围一、一、常用设计规范及适用的压力范围常用设计规范及适用的压力范围GB1501998钢制压力容器，弹性钢制压力容器，弹性(tnxng)失效准则，第一强度理论。失效准则，第一强度理论。设计压力设计压力P：0.135 MPa；真空度：真空度：0.02 MPa JB473295钢钢制制压压力力容容器器-分分析析设设计计标标准准，弹弹塑塑性性失失效效准准则则，第第三三强强度度理理论。论。设计压力设计压力P：0.1100 MPa；真空度：真空度：0.02 MPa 疲劳载荷；高温蠕变疲劳载荷；高温蠕变 因因为为容容规规的的监监察察范范围围是是以以最最高高工工作作压

27、压力力定定义义，而而容容器器的的分分类类以以设设计计压压力力分分类类，故故假假设设有有一一个个设设计计压压力力1MPa而而最最大大工工作作压压力力0.08的的容容器器，则则不不受受容容规监察。规监察。GB1511999管壳式换热器管壳式换热器 设计压力设计压力P：0.135 MPa；真空度：；真空度：0.02 MPaGB123371998钢制球形储罐钢制球形储罐 设计压力：设计压力：P4MPa；公称容积：；公称容积：V50M3第三十六页，共70页。37压力容器强度压力容器强度(qingd)(qingd)计算概述计算概述设计设计载荷载荷二、二、设计时应考虑的载荷设计时应考虑的载荷GB150199

28、8钢制压力容器：钢制压力容器：（1）内压、外压或最大压差；）内压、外压或最大压差；（2）液体静压力）液体静压力(5%P)；需要时，还应考虑以下载荷需要时，还应考虑以下载荷（3）容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装）容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料物料 的重力载荷；的重力载荷；（4）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；（5）风载荷、地震力、雪载荷；）风载荷、地震力、雪载荷；（6）支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；）支座、座底圈、支耳及其他形式支

29、撑件的反作用力；（7）连接管道和其他部件）连接管道和其他部件(bjin)的作用力；的作用力；（8）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；）温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；（9）包括压力急剧波动的冲击载荷；）包括压力急剧波动的冲击载荷；（10）冲击反力）冲击反力,如流体冲击引起的反力等；如流体冲击引起的反力等；（11）运输或吊装时的作用力。）运输或吊装时的作用力。第三十七页，共70页。38压力容器强度压力容器强度(qingd)(qingd)计算概述计算概述术术语压力语压力三、重要名词术语三、重要名词术语1、压力（除注明者外，压力均为表压力）、压力（除注明者外，压力均为表压力）（1）工作压力）工

30、作压力Pw：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。（2）设计压力）设计压力P：指设定：指设定(sh dn)的容器顶部的最高压力，与相应的设计的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。（3）计算压力）计算压力PC：指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中：指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽设计压力时，可忽略不计。略不计。（4）试验

31、压力）试验压力PT：在压力试验时，容器顶部的压力。：在压力试验时，容器顶部的压力。第三十八页，共70页。39压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述(i sh)(i sh)术术语压力语压力1、压力（除注明者外，压力均为表压力）、压力（除注明者外，压力均为表压力）（5）最最大大允允许许工工作作压压力力Pw：指指在在设设计计温温度度下下，容容器器(rngq)顶顶部部所所允允许许承承受受的的最最大大表表压压力力。该该压压力力是是根根据据容容器器(rngq)壳壳体体的的有有效效厚厚度度计计算算所所得，且取最小值。得，且取最小值。最最大大允允许许工工作作压压力力可可作作为为确确定定保保护护容容器器(rn

32、gq)的的安安全全泄泄放放装装置置动动作作压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。（6）安安全全阀阀的的开开启启压压力力PZ：安安全全阀阀阀阀瓣瓣开开始始离离开开阀阀座座，介介质质呈呈连连续续排排出出状状态态时时，在在安安全全阀阀进进口口测测得得的的压压力力。介介于于容容器器(rngq)最最大大工工作作压压力力和和设设计压力之间。计压力之间。（7）爆破片的标定爆破压力）爆破片的标定爆破压力Pb：爆破片铭牌上标明的爆破压力。：爆破片铭牌上标明的爆破压力。1.0-1.1第三十九页，共70页。40压力容器强度压力容器强度(qingd)(qi

33、ngd)计算概述计算概述设设计压力选取计压力选取第四十页，共70页。41压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述(i sh)(i sh)术术语温度语温度2、温度、温度（1）温度）温度 金属温度：容器元件沿截面厚度的温度平均值。金属温度：容器元件沿截面厚度的温度平均值。工作温度：容器在正常工作情况下介质温度。工作温度：容器在正常工作情况下介质温度。（2）最最高高、最最低低工工作作温温度度：容容器器在在正正常常工工作作情情况况下下可可能能出出现现介介质质最最高高、最低温度。最低温度。（3）设设计计(shj)温温度度：容容器器在在正正常常工工作作情情况况，设设定定的的元元件件的的金金属属温温度度（沿

34、元件金属截面的温度平均值）。（沿元件金属截面的温度平均值）。设设计计(shj)温温度度与与设设计计(shj)压压力力一一起起作作为为压压力力容容器器的的设设计计(shj)载荷条件。载荷条件。（4）试验温度：系指压力试验时容器壳体的金属温度。）试验温度：系指压力试验时容器壳体的金属温度。第四十一页，共70页。42压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述术语术语(shy)(shy)厚厚度度3、厚度、厚度（1）计计算算厚厚度度：由由计计算算压压力力计计算算（设设计计压压力力加加静静压压力力）得得到到，容容器器受受压压元元件件为为满满足足强强度度及及稳稳定定性性要要求求，按按相相应应公公式式计计算算得

35、得到到的的不不包包括括厚厚度度附附加加量的厚度。量的厚度。（2）设计厚度）设计厚度d：计算厚度与腐蚀裕量之和。：计算厚度与腐蚀裕量之和。（3）名名义义厚厚度度n（即即图图样样标标注注厚厚度度）：设设计计厚厚度度加加上上钢钢材材厚厚度度负负偏偏差差后后，向上圆整至钢材（钢板或钢管向上圆整至钢材（钢板或钢管(gnggun)）标准规格的厚度。）标准规格的厚度。（4）有有效效厚厚度度e：名名义义厚厚度度减减去去厚厚度度附附加加量量（腐腐蚀蚀裕裕量量与与钢钢材材厚厚度度负负偏偏差差之和）。之和）。（5）最最小小实实测测厚厚度度：实实际际测测量量的的容容器器壳壳体体厚厚度度的的最最小小值值。厚厚度度校校核

36、核时时如如果果局局部部减减薄薄用用检检规规的的G0校校核核，如如果果均均匀匀减减薄薄，则则需需要要考考虑虑腐腐蚀蚀余余量量后后校核。校核。（6）厚厚度度附附加加量量：设设计计容容器器受受压压元元件件时时所所必必须须考考虑虑的的附附加加厚厚度度，包包括括钢钢板板（或钢管（或钢管(gnggun)）厚度负偏差）厚度负偏差C1及腐蚀裕量及腐蚀裕量C2。注意：容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度注意：容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度min：对碳素钢、低合金钢，不小于对碳素钢、低合金钢，不小于3mm 对高合金钢，不小于对高合金钢，不小于2mm第四十二页，共70页。43压力容器强度计算压力容

37、器强度计算(j sun)(j sun)概述概述失失效准则、强度理论效准则、强度理论四、失效准则四、失效准则:容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆破，因此容器强度失效准则有三种观点：爆破，因此容器强度失效准则有三种观点：（1 1）弹性失效）弹性失效常规设计（常规设计（GB150GB150等）等）弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆将应力限制在弹性范围，按照强度

38、理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。筒内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。材料的拉伸曲线，弹性、塑性、屈服、屈服硬化阶段。材料的拉伸曲线，弹性、塑性、屈服、屈服硬化阶段。（2 2）塑性失效）塑性失效分析设计（分析设计（JB4732JB4732）塑性失效准则将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服塑性失效准则将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外(niwi)(niwi)壁面全屈服时才为承载的最大极限。壁面全

39、屈服时才为承载的最大极限。（3 3）爆破失效）爆破失效高压、超高压设计高压、超高压设计,国内没有设计准则，国外国内没有设计准则，国外ASME ASME 有有 爆破失效准则认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便爆破失效准则认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限。极限。*用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。用途：设计的理论基础，指标限制，什么时候算失效，不能用。对特定参数的容器，按照弹性准则设计的容器需要的壁厚最大对特定

40、参数的容器，按照弹性准则设计的容器需要的壁厚最大第四十三页，共70页。44压力容器强度计算概述压力容器强度计算概述(i sh)(i sh)失失效准则、强度理论效准则、强度理论五、强度理论：五、强度理论：第一强度理论（最大主应力理论）第一强度理论（最大主应力理论）常规设计（常规设计（GB150GB150等）等）这个理论也叫做这个理论也叫做“最大正应力理论最大正应力理论”，该理论假定材料的破坏只取，该理论假定材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力，就是说，材料不论在什么复杂的应力决于绝对值最大的正应力，就是说，材料不论在什么复杂的应力状态下，只要三个主应力中有一个达到轴向拉伸或压缩中破坏应状态下，只

41、要三个主应力中有一个达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时，材料就要发生破坏。适合脆性力的数值时，材料就要发生破坏。适合脆性(cuxng)(cuxng)材料。适合材料。适合常规设计。常规设计。对容器来说，对容器来说，11为环向，为环向，2 2为轴向，为轴向，3 3对薄壁对薄壁的为的为0 0。第二强度理论（最大变形理论）第二强度理论（最大变形理论）这个理论也称为这个理论也称为“最大线应变理论最大线应变理论”，它认为材料的破坏取决于最，它认为材料的破坏取决于最大线应变，即最大相对伸长或缩短。适合脆性大线应变，即最大相对伸长或缩短。适合脆性(cuxng)(cuxng)材料。目材料。目前应用较少。前应用

42、较少。第三强度理论（最大剪应力理论）第三强度理论（最大剪应力理论）分析设计（分析设计（JB4732JB4732）此即此即“最大剪应力理论最大剪应力理论”。该理论认为，无论材料在什么应力状态。该理论认为，无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发下，只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。目前应用较多。生破坏。目前应用较多。第四强度理论（剪切变形能理论）第四强度理论（剪切变形能理论）该理论也称作该理论也称作“形状改变比能理论形状改变比能理论”认为材料的破坏取决于变形比认为材料的破坏取决于变形比能，把材料的破坏归结为应力与变形的综合。能，把材

43、料的破坏归结为应力与变形的综合。*用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系用途：将复杂应力状态进行等效简化，以便建立强度条件关系式。式。第四十四页，共70页。45压力容器强度计算压力容器强度计算(j sun)(j sun)概述概述计计算算(j sun)(j sun)公式筒体公式筒体六、计算公式六、计算公式(gngsh)(gngsh)1.1.内压圆筒体计算公式内压圆筒体计算公式(gngsh)(gngsh)2.2.内压球壳计算公式内压球壳计算公式(gngsh)(gngsh)注意：注意：1 1、公式、公式(gngsh)(gngsh)中各参数的含义、单位制、确定原则及注意事项。中各参数的

44、含义、单位制、确定原则及注意事项。2 2、d=+C2 d=+C2 （设计厚度计算厚度腐蚀裕量）（设计厚度计算厚度腐蚀裕量）n=+C2+C1+(n=+C2+C1+(圆整圆整)（名义厚度（名义厚度 ）e=+e=+（有效厚度）（有效厚度）第四十五页，共70页。46压力容器强度计算压力容器强度计算(j sun)(j sun)概述概述计计算算(j sun)(j sun)公式筒体公式筒体sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi t第四十六页，共70页。47过程过程(guchng)(guchng)设设备设计备设计应应 力力(yngl)求解求解 圆圆周周(yunzhu)(yunzhu)平衡：平衡：静定图2-

45、2轴向平衡：轴向平衡：=第四十七页，共70页。48无力矩(l j)理论拉普拉斯方程拉普拉斯方程(fngchng)(fngchng)。第四十八页，共70页。49区域平衡(pnghng)方程 无力矩理论的两个基本无力矩理论的两个基本无力矩理论的两个基本无力矩理论的两个基本(jbn)(jbn)方方方方程程程程微元平衡微元平衡(pnghng)方程方程区域平衡区域平衡(pnghng)方程方程从而得到各种回转薄壳的薄膜应力从而得到各种回转薄壳的薄膜应力从而得到各种回转薄壳的薄膜应力从而得到各种回转薄壳的薄膜应力第四十九页，共70页。50压力容器强度压力容器强度(qingd)(qingd)计算概述计算概述计

46、算公式封头计算公式封头第五十页，共70页。51压力容器强度压力容器强度(qingd)(qingd)计算概述计算概述计计算公式封头算公式封头第五十一页，共70页。52压力容器强度校核压力容器强度校核(xio h)(xio h)校核校核(xio h)(xio h)公式公式一、校核一、校核(xio h)(xio h)公式公式1.1.内压圆筒体内压圆筒体按壁厚校核按壁厚校核(xio h)(xio h)测测2.2.内压圆筒体内压圆筒体按压力校核按压力校核(xio h)(xio h)P P 第五十二页，共70页。53压力容器强度校核压力容器强度校核校核参数校核参数(cnsh)(cnsh)选取（选取（1 1

47、）二、校核参数的选取二、校核参数的选取（1 1）原则：腐蚀裕量）原则：腐蚀裕量=腐蚀速率（腐蚀速率（mm/mm/年）年）至下一个检验周期的年数至下一个检验周期的年数 实际：用减薄量估算实际：用减薄量估算（2 2）压力）压力PcPc：取容器实际最高工作压力；取容器实际最高工作压力；装有安全泄放装置取装有安全泄放装置取:安全阀开启压力或爆破片爆破压力；安全阀开启压力或爆破片爆破压力；盛盛装装液液化化气气体体(qt)(qt)容容器器取取原原设设计计压压力力。注注意意温温度度、组分组分 当当容容器器的的液液柱柱静静压压力力5%Pc,5%Pc,要要计计入入液液柱柱静静压压力力（球球形形储储罐罐均均要要计

48、计入入液液柱静压力）。柱静压力）。（3 3）温温度度：温温度度主主要要用用来来确确定定材材料料许许用用应应力力，强强度度校校核核温温度度一一般般取取实实际际最最高高壁壁温温，当当无无准准确确壁壁温温值值时时，取取容容器器的的实实际际最最高高工工作作温温度度（热热介介质质的最高工作温度），低温压力容器，取常温（的最高工作温度），低温压力容器，取常温（2020）值。）值。（4 4）许许用用应应力力，GB150GB150屈屈服服1.61.6，抗抗拉拉3.03.0安安全全系系数数。如如16MnR16MnR抗抗拉拉510MPa/3.0=170(510MPa/3.0=170(许许用用应应力力）（见见GB1

49、50GB150），对对屈屈服服345/1.6345/1.6216216，故故按照保守，取按照保守，取170170许用应力。许用应力。从从理理论论上上来来说说，耐耐压压取取1.251.25的的系系数数，而而实实际际屈屈服服安安全全系系数数1.61.6，故故不不会会塑塑性性变变形形，但但是是仍仍然然需需要要校校核核水水压压薄薄膜膜应应力力，主主要要是是1.251.25后后边边有有个个温温度因子。度因子。压压力力容容器器的的材材料料牌牌号号明明确确的的，直直接接按按相相应应材材料料牌牌号号选选取取许许用用应应力力，当当材材料料牌牌号号不不明明确确，可可按按压压力力容容器器同同类类材材料料的的最最低低

50、标标准准值值选选取取，如如不不能能满满足足强强度度要要求求时时，则则进进行行材材料料化化验验、硬硬度度测测定定确确定定强强度度等等级级，选选取取许用应力值。许用应力值。选取许用应力值时取最高工作温度或壁温下的许用应力；选取许用应力值时取最高工作温度或壁温下的许用应力；液化气储罐，取设计温度下的许用应力；液化气储罐，取设计温度下的许用应力；低温容器取低温容器取2020下的许用应力。下的许用应力。第五十三页，共70页。54压力容器强度校核压力容器强度校核校核参数校核参数(cnsh)(cnsh)选取（选取（2 2）二、校核参数的选取二、校核参数的选取（5 5）直径：内直径按实测最大值选取。）直径：内