壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)基本概念(下)

1、1,壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí),,基本概念(下),2,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí),3,(1) 了解外壓容器失穩(wěn)破壞特點(diǎn)，掌握彈性失穩(wěn)、非彈性失穩(wěn)、臨界壓力、圓筒計(jì)算長度、臨界長度等概念及外壓容器穩(wěn)定性條件。(2) 掌握典型受載條件下(側(cè)向均布外壓、側(cè)向與軸向同時(shí)受均布外壓、僅軸向受壓)圓筒臨界壓力(或應(yīng)力)計(jì)算公式及其用作設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)m的取值。(3) 理解外壓圓筒圖算法原理，正確選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，并熟練運(yùn)用圖算法對外壓圓筒和封

2、頭進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。(4) 掌握外壓圓筒加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算方法，了解加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)和制造要求。,4.1 基本要求,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),4,(1) 外壓容器處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)，可能出現(xiàn)的兩種失效形式是壓縮屈服破壞和失穩(wěn)破壞(即殼體在壓應(yīng)力下的突然皺折變形)，失穩(wěn)破壞是外壓薄壁容器的主要失效形式。容器失穩(wěn)時(shí)器壁中的壓應(yīng)力?低于材料比例極限?pt，則稱為彈性失穩(wěn)，反之為非彈性失穩(wěn)，因容器用鋼?pt與?yt相近，故可近似認(rèn)為?<?yt為彈性失穩(wěn)

3、。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),5,(2) 使容器發(fā)生失穩(wěn)的最小外壓力稱為臨界壓力pcr，其主要影響因素有：① 容器材料的E、?或?y（非彈性失穩(wěn)）。② 容器結(jié)構(gòu)尺寸Do/te、L/Do及形狀偏差。其中，L/Do只針對外壓圓筒而言，反映端部約束對筒體的支承作用。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),6,(3) 受側(cè)向均布外壓的圓筒按端部約束是否影響筒體穩(wěn)定性可劃分為短圓筒和長圓筒，其中約束的影響以約束件間的筒體

4、長度即筒體計(jì)算長度L表征，劃分標(biāo)志是圓筒臨界長度Lcr。 如L>Lcr則約束件作用對筒體pcr無影響，稱為長圓筒，失穩(wěn)皺折波數(shù)n=2。 如L≤Lcr則約束件作用對筒體pcr有影響，稱為短圓筒，失穩(wěn)皺折波數(shù)n>2。 一圓筒上有多個(gè)剛性約束件(如封頭、法蘭、加強(qiáng)圈、夾套封閉件等)即為多段圓筒，其中凸形封頭所在圓筒段的計(jì)算長度L應(yīng)包括封頭直邊段及1/3的封頭深度。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),

5、7,(4) 外壓容器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)目的是防止發(fā)生失穩(wěn)破壞，條件是設(shè)計(jì)外壓力p不得高于穩(wěn)定性計(jì)算確定的許用外壓[p]，即滿足穩(wěn)定性條件p≤[p]=pcr/m；其中，設(shè)計(jì)外壓力p定義與內(nèi)壓時(shí)定義相同，具體取值方法可查表。許用外壓[p]由臨界壓力除以相應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)m確定；穩(wěn)定性系數(shù)m是考慮公式準(zhǔn)確性和制造所能控制的容器形狀偏差等因素后所取的安全系數(shù)。穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的核心問題是計(jì)算pcr并確定相應(yīng)的m，即可計(jì)算作用外壓[p]。,4.2 內(nèi)容提

6、要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),8,(5) 圓筒臨界壓力pcr（或應(yīng)力?cr）計(jì)算（?=0.3）① 受側(cè)向均布外壓的圓筒：其pcr為可得圓筒臨界長度為：失穩(wěn)皺折波數(shù)n可近似計(jì)算,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),(4-2),(4-3),(4-4),(4-5),9,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),10,(6) 外壓圓筒設(shè)計(jì)（包括側(cè)向均布外壓或側(cè)向與軸向同時(shí)受均布外壓）① 穩(wěn)定性系數(shù)m：目前制造技術(shù)水平下GB150

7、規(guī)定外壓圓筒m=3，相應(yīng)要求圓筒直徑偏差e=Dmax-Dmin不得大于規(guī)定值。② 解析法設(shè)計(jì)：一般p、m、E、L、Di可一次性給定或計(jì)算，所以設(shè)計(jì)過程核心是根據(jù)假定的tn計(jì)算pcr(或[p])，直到滿足穩(wěn)定性條件p≤[p]=pcr/m 式。但解析法選用公式時(shí)要先假設(shè)長圓筒或短圓筒、彈性或非彈性失穩(wěn)，并由結(jié)果對假設(shè)進(jìn)行校核，所以應(yīng)用不方便，尤其不便于解非彈性問題，因此工程設(shè)計(jì)一般用圖算法。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),11

8、,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),③圖算法原理：因?yàn)橹芟蚺R界應(yīng)力所以將長、短圓筒Pcr統(tǒng)一寫成長圓筒短圓筒于是根據(jù)許用外壓可得,(4-7),12,解析法求[p]核心是計(jì)算上式右邊項(xiàng)，而圖算法則將該項(xiàng)計(jì)算分成兩步：第一步先計(jì)算應(yīng)變?cr，因?cr與E無關(guān)、且僅需D0/te、L/D0兩個(gè)獨(dú)立變量，故將其作圖以便由從D0/te、L/D0直接查取?cr。該圖稱為外壓圓筒幾何參數(shù)計(jì)算圖，圖中?cr用A表示，長短圓筒、彈性或

9、非彈性失穩(wěn)均適用。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),13,第二步再由?cr計(jì)算2/3E?cr，將應(yīng)力一應(yīng)變曲線縱坐標(biāo)乘以2/3便可作出?cr計(jì)算2/3E?cr之關(guān)系曲線圖，稱為壁厚計(jì)算圖。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),橫坐標(biāo)：A=?cr，縱坐標(biāo)：2/3E?cr＝[P]D0/te用B表示，由A查B即得[p]。因塑性范圍使用了Et，故對非彈性失穩(wěn)亦適用。,14,④ 圖算法設(shè)計(jì)步驟：確定p、T、L、Di、C及材料→假

10、定tn計(jì)算te、D0、D0/te、L/D0 →由L/D0 、 D0/te查幾何參數(shù)計(jì)算圖得A →(根據(jù)材料及溫度T)由A查壁厚計(jì)算圖得B或?qū)椥允Х€(wěn)B＝2/3AE →計(jì)算[p]＝B/(D0/te) →校核p≤[p]是否滿足，若滿足且接近則tn合理，反之重設(shè)tn再次計(jì)算，直至滿足穩(wěn)定性條件。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),,15,(7) D0/te＜10的筒體(無論長短)失穩(wěn)時(shí)?cr ＞10％，可能發(fā)生塑性失穩(wěn)或屈服，應(yīng)同時(shí)考

11、慮穩(wěn)定性和強(qiáng)度校核。此時(shí)許用外壓[p]為：其中 ，B的計(jì)算與上相同，但當(dāng)D0/te＜4時(shí)，B由 查取,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),(4-8),16,(8) 軸向受壓圓筒：按式(4-6)，取穩(wěn)定性系數(shù)m=4得彈性失穩(wěn)許用壓應(yīng)力[?]cr=?cr/m=0.0625E(te/Ri)。圖算法設(shè)計(jì)：不用前述幾何

12、參數(shù)計(jì)算圖，用前述壁厚計(jì)算圖，并規(guī)定B=[?]cr，因原圖中B=2EA/3，兩者相等得A=0.094/(Ri/te)，設(shè)計(jì)時(shí)由A查壁厚圖得B，即[?]cr，然后校核軸向壓應(yīng)力是否滿足穩(wěn)定性條件：?≤[?]cr,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),,17,(９) 外壓圓筒設(shè)置加強(qiáng)圈可減小計(jì)算長度，達(dá)到提高穩(wěn)定性或減小壁厚的目的。加強(qiáng)圈設(shè)置應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)要求：①加強(qiáng)圈間距　　

13、 ，以滿足短圓筒體穩(wěn)定性要求。②加強(qiáng)圈與殼體有效段實(shí)際組合慣性距Ｊs≥穩(wěn)定性要求的最小慣性距Ｊ，以滿足加強(qiáng)圈自身的剛度要求。③加強(qiáng)圈不得任意割斷，與筒體的焊接必須符合相關(guān)規(guī)定，以與筒體同時(shí)承載，起到加強(qiáng)作用。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),18,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),19,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),(10) 外壓封頭設(shè)計(jì)(?=0.3)① 半球形封頭

14、：彈性小撓度臨界壓力公式:取m=14.52 (或經(jīng)驗(yàn)式 許用外壓 )圖算法設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)時(shí)由 ，根據(jù)B=2EA/3，查取B值，得 ，其它步驟類似外壓圓筒。②橢圓形封頭：取當(dāng)量曲率半徑Ri=KDi，然后按球殼設(shè)

15、計(jì)方法計(jì)算，Ｋ見“教材”表4-1或GB150，其中標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K=1。,20,③碟形封頭：與球殼設(shè)計(jì)方法相同，其中Ri為封頭球殼部分的內(nèi)半徑。④錐形封頭：半錐角α>60?按平板設(shè)計(jì)；α≤60?看成當(dāng)量圓筒，按外壓圓筒方法設(shè)計(jì)。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),21,(11) 外壓容器按內(nèi)壓容器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，液壓試驗(yàn)壓力的確定見下表。,4.2 內(nèi)容提要,第四章 外壓容器設(shè)計(jì),22,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)

16、,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力5.2 高壓容器的設(shè)計(jì),,23,本章主要研究厚壁圓筒在內(nèi)外壓力和溫差載荷作用下的應(yīng)力和變形等方面的概念和理論，及其計(jì)算方法。目的是解決高壓容器的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題。,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),24,(1) 理解厚壁圓筒應(yīng)力、變形的特點(diǎn)。(2) 了解拉美公式的推導(dǎo)過程，熟悉厚壁圓筒內(nèi)外壓力作用下應(yīng)力和位移的計(jì)算，掌握應(yīng)力的基本特征。(3) 掌握厚壁圓筒溫差應(yīng)力的分布規(guī)律，正確判斷在與壓力產(chǎn)生的彈性應(yīng)力組合時(shí)危險(xiǎn)點(diǎn)

17、的位置。(4) 了解組合厚壁圓筒提高筒體承載能力的原理及應(yīng)力計(jì)算的方法。(5) 理解厚壁圓筒彈性應(yīng)力的概念及自增強(qiáng)計(jì)算的基本原理,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 基本要求,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),25,(1) 工程上通常將外徑與內(nèi)徑之比Do/Di>1.2的高壓圓筒形容器或管道等統(tǒng)稱為“厚壁圓筒”。在許多應(yīng)用場合，圓筒為等壁厚，并承受均勻的內(nèi)壓pi、外壓po和沿徑向分布不均的溫度變化T(從均勻基準(zhǔn)溫度起計(jì))，且T通常僅為徑向

18、坐標(biāo)r之函數(shù)。在這樣條件下，圓筒的變形對稱于圓筒軸。此外，在離開圓筒與端蓋連接處足夠遠(yuǎn)時(shí)，變形與軸向坐標(biāo)z亦無關(guān)。由于只考慮軸對稱載荷和軸對稱約束，因此其位移、應(yīng)力、應(yīng)變均僅為r之函數(shù)(軸對稱)。,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),26,(2)厚壁圓筒與薄壁圓筒的根本差別在于必須考慮徑向應(yīng)力?r，且這一應(yīng)力在其數(shù)量上足以與周向應(yīng)力??、軸向應(yīng)力?z相較量；此外，厚壁圓筒沒有薄壁圓筒中關(guān)于??沿全壁厚是

19、常數(shù)的基本假定，即厚壁圓筒中的應(yīng)力是三向的，其分布也非全均勻性，因此也是靜不定性的，要從幾何、物理和靜力等三方面進(jìn)行綜合分析。,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),27,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),28,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),29,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),4 在穩(wěn)定溫度

20、變化和軸對稱條件下，單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力為：式中α為材料的線膨脹系數(shù)；△t＝ti-to；ti內(nèi)壁面溫度，to外壁面溫度，C。,30,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),表5-2 單層厚壁圓筒內(nèi)外壁面處的溫差應(yīng)力,31,多層圓筒溫差應(yīng)力內(nèi)外壁面上的近似值為 ?0t≈?it＝2.0△t 在內(nèi)壓內(nèi)加熱情況下，當(dāng)△t≤1

21、.1p或保溫良好，△t極小或高溫作業(yè)已達(dá)到發(fā)生蠕變變形可不予考慮溫差應(yīng)力。(5) 當(dāng)內(nèi)壓與溫差同時(shí)存在時(shí)，呈線彈性厚壁圓筒中的綜合應(yīng)力可由上述3、4的結(jié)果疊加，其內(nèi)外壁面處的綜合應(yīng)力如下表所示。,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),32,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),33,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),厚壁圓筒內(nèi)壓下的應(yīng)

22、力分布,單層厚壁圓筒的溫差應(yīng)力分布,34,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),就周向應(yīng)力而言，當(dāng)內(nèi)壓內(nèi)加熱時(shí)，最大應(yīng)力在外壁處，外加熱時(shí)最大應(yīng)力在內(nèi)壁處；當(dāng)外壓內(nèi)加熱時(shí)，最大應(yīng)力在內(nèi)壁處，外加熱時(shí)最大應(yīng)力在外壁外。,厚壁筒內(nèi)的綜合應(yīng)力,35,(6) 厚壁圓筒可以靠在最大應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生與工作應(yīng)力符號相反的殘余應(yīng)力分布——“預(yù)應(yīng)力法”來提高承載能力： 一是由兩個(gè)或更多個(gè)開口圓筒靠過盈配合而組成一個(gè)組合圓筒，

23、因過盈量在圓筒的接觸表面之間產(chǎn)生裝配壓力，由這種壓力在圓筒上產(chǎn)生了殘余應(yīng)力； 另一種是對單個(gè)圓筒在一開始承受很高內(nèi)壓使圓筒發(fā)生非彈性變形，卸去高壓后在圓筒中留下了有利的殘余應(yīng)力分布——“自增強(qiáng)技術(shù)”。 前者應(yīng)力分析的關(guān)鍵在于確定適當(dāng)?shù)倪^盈量，以及過盈量與筒體之間套合壓力的關(guān)系；后者要合理確定自增強(qiáng)壓力以及殘余應(yīng)力的計(jì)算。,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),36,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2

24、 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),37,5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),38,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí),5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力5.2 高壓容器的設(shè)計(jì),39,(1) 理解高壓圓筒三種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基本觀點(diǎn)及相應(yīng)的最大承載能力。(2) 掌握單層和多層圓筒壁厚的工程設(shè)計(jì)方法。(3) 了解幾種高壓容器密封結(jié)構(gòu)的原理與特點(diǎn)，學(xué)會(huì)對金屬平墊和雙錐墊的密封計(jì)算和被聯(lián)接件的強(qiáng)度核算。,5.2 高

25、壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.1 基本要求,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),40,(1) 高壓容器一般處在高壓高溫和化學(xué)性介質(zhì)條件下工作，作為工程設(shè)計(jì)的核心問題首先是形成強(qiáng)度必需的厚壁，其次是密封所需的結(jié)構(gòu)，因此高壓容器的設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)型式的多樣性、制造要求的嚴(yán)格性、密封結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而有別于中低壓容器。(2) 高壓圓筒按其喪失功能的可能方式或形式建立了三種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即彈性失效、塑性失效和爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，它們的基本概念及最大承載能力(計(jì)算壓力)的比較如表

26、5-5所示。,5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),41,5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),42,(3) 工程上，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力小于35MPa或K≤1.2時(shí)，高壓圓筒的計(jì)算壁厚仍按照彈性夫效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的中徑公式計(jì)算，即當(dāng)器壁在操作壓力和溫差同時(shí)作用下，應(yīng)作如下當(dāng)量組合應(yīng)力校核①內(nèi)壓內(nèi)加熱筒體：②內(nèi)壓外加熱筒體：,5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章

27、 高壓容器設(shè)計(jì),43,對于多層組合圓筒，在不計(jì)筒體預(yù)應(yīng)力下，除熱應(yīng)力計(jì)算以及材料[σ]t取法不同外，其余跟單層圓筒計(jì)算相同。(4) 高壓容器密封按其工作原理分為強(qiáng)制式密封與自緊式密封兩大類。強(qiáng)制密封完全依靠緊固件的預(yù)緊力壓緊密元件使之密封；自緊密封主要依靠工作內(nèi)壓壓緊密封元件實(shí)現(xiàn)工作密封。前者結(jié)構(gòu)簡單，連接件(如主螺栓)尺寸大，壓力溫度波動(dòng)時(shí)密封性差；后者結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但密封可靠。表5-6比較了分別為其代表的金屬平墊和雙錐環(huán)墊密封的結(jié)構(gòu)

28、牲及密封載荷的計(jì)算方法。,5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),44,5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),45,(5) 高壓容器的主要零部件包括筒體端部或端部法蘭、端蓋或底蓋，及連接件(如主螺栓)等。設(shè)計(jì)計(jì)算的任務(wù)是分析受載情況建立簡化的力學(xué)模型，確定初步尺寸和危險(xiǎn)截面的應(yīng)力計(jì)算公式，進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，反復(fù)對尺寸進(jìn)行修正，直到滿足強(qiáng)度要求為止。學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意力學(xué)模型如何從實(shí)

29、際中抽象出來，怎樣進(jìn)行簡化與假定，以及由此建立的計(jì)算公式應(yīng)用時(shí)的條件限制，這也是對任何承壓部件解題的基本方法之一。,5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要,第五章 高壓容器設(shè)計(jì),46,壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí),第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 近代壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì),47,(1) 了解壓力容器的失效模式(2) 了解壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展(3) 了解壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范的主要進(jìn)展(4) 了解近代壓

30、力設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.1 基本要求,48,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 一臺(tái)受壓容器，如果材料塑性韌性正常，設(shè)計(jì)正確，制造中未留下嚴(yán)重的缺陷，加壓直至爆破的全過程一般屬于韌性爆破過程。韌性爆破的全過程可以用圖示容器液壓爆破曲線OABCD來說明，加壓的幾個(gè)階段如下：,整體屈服壓力,爆破壓力,(A

31、)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,49,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 ① OA段：彈性變形階段 內(nèi)壓與容器變形量成正比，呈現(xiàn)出彈性行為。A點(diǎn)表示內(nèi)壁應(yīng)力開始屈服，或表示容器的局部區(qū)域出現(xiàn)屈服，容器的整體彈性行為到此終止。,整體屈服壓力,爆破壓力,(

32、A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,50,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 ② AB段：屈服變形階段 容器從局部屈服到整體屈服的階段，以內(nèi)壁屈服到外壁也進(jìn)入屈服的階段。B點(diǎn)表示容器已進(jìn)入整體屈服狀態(tài)。如果容器的鋼材具有屈服平臺(tái)，這階段包含塑性變形越過屈

33、服平臺(tái)的階段，這是一個(gè)包含復(fù)雜過程的階段，不同的容器、不同的材料，這一階段的形狀與長短不同。,整體屈服壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,51,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 ③ BC段：變形強(qiáng)化階段 材料發(fā)生塑性變形強(qiáng)化，容器承載

34、能力提高。但體積膨脹使壁厚減薄，承載能力下降。兩者中強(qiáng)化影響大于減薄影響，強(qiáng)化提高承載能力的行為變成主要因素。強(qiáng)化的變化率逐漸降低，到C點(diǎn)時(shí)兩種影響相等，達(dá)到總體“塑性失穩(wěn)”狀態(tài)，承載能力達(dá)到最大即將爆破。,整體屈服壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,52,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6

35、.1.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的韌性爆破過程 ④ CD段：爆破階段，減薄的影響大于強(qiáng)化的影響，容器的承載能力隨著容器的大量膨脹而明顯下降，壁厚迅速減薄，直至D點(diǎn)而爆裂。,整體屈服壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,53,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,整體屈服

36、壓力,爆破壓力,(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段),脆性爆破過程,韌性爆破過程,(2) 容器的脆性爆破過程 容器的脆性爆破過程如圖中OA’，(或OA”)曲線。這種爆破指容器在加壓過程中沒有發(fā)生充分的塑性變形鼓脹，甚至未達(dá)到屈服的時(shí)候就發(fā)生爆破。爆破時(shí)容器尚在彈性變形階段或少量屈服變形階段。,54,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展

37、 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ① 過度變形 容器的總體或局部發(fā)生過度變形，包括過量的彈性變形，過量的塑性變形，塑性失穩(wěn)(增量垮坍)，例如總體上大范圍鼓脹，或局部鼓脹，應(yīng)認(rèn)為容器已失效，不能保障使用安全。過度變形說明容器在總體上或局部區(qū)域發(fā)生了塑性失效，處于十分危險(xiǎn)的狀態(tài)。例如法蘭的設(shè)計(jì)稍薄，強(qiáng)度上尚可滿足要求，但由于剛度不足產(chǎn)生永久變形，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，這是由于塑性失效的過度變形而導(dǎo)致的失效。,55,第六章 壓

38、力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ② 韌性爆破 容器發(fā)生了塑性大變形的破裂失效，相當(dāng)于圖中曲線BCD階段情況下的破裂，這屬于超載下的爆破，一種可能是超壓，另一種可能是本身大面積的壁厚較薄。這是一種經(jīng)過塑性大變形的塑性失效之后再發(fā)展為爆破的失效，亦稱為“塑性失穩(wěn)”(Plastic collapse)，爆破后易引起災(zāi)難性的后果。,56,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓

39、力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ③ 脆性爆破 這是一種沒有經(jīng)過充分塑性大變形的容器破裂失效。材料的脆性和嚴(yán)重的超標(biāo)缺陷均會(huì)導(dǎo)致這種破裂，或者兩種原因兼有。脆性爆破時(shí)容器可能裂成碎片飛出，也可能僅沿縱向裂開一條縫；材料愈脆，特別是總體上愈脆則愈易形成碎片。如果僅是焊縫或熱影響較脆，則易裂開一條縫。形成碎片的脆性爆破特別容易引起災(zāi)難性后果。,57,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展

40、 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ④ 疲勞失效 交變載荷容易使容器的應(yīng)力集中部位材料發(fā)生疲勞損傷，萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展導(dǎo)致疲勞失效。疲勞失效包括材料的疲勞損傷(形成宏觀裂紋)并疲勞擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂等情況。容器疲勞斷裂的最終失效方式一種是發(fā)生泄漏，稱為“未爆先漏”(LBB, Leak Before Break)，另一種是爆破，可稱為“未漏先爆”。爆裂的方式取決于結(jié)構(gòu)的厚度、材料的韌性，并與缺陷的大小有關(guān)。疲勞裂紋的

41、斷口上一般會(huì)留下肉眼可見的貝殼狀的疲勞條紋。,58,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ⑤蠕變失效 容器長期在高溫下運(yùn)行和受載，金屬材料隨時(shí)間不斷發(fā)生蠕變損傷，逐步出現(xiàn)明顯的鼓脹與減薄，破裂而成事故。即使載荷恒定和應(yīng)力低于屈服點(diǎn)也會(huì)發(fā)生蠕變失效，不同材料在高溫下的蠕變行為有所不同。 材料高溫下的蠕變損傷是晶界的弱化和在應(yīng)力作用下的沿晶界的滑移，晶界上形成蠕

42、變空洞。時(shí)間愈長空洞則愈多愈大，宏觀上出現(xiàn)蠕變變形。 當(dāng)空洞連成片并擴(kuò)展時(shí)即形成蠕變裂紋，最終發(fā)生蠕變斷裂的事故。 材料經(jīng)受蠕變損傷后在性能上表現(xiàn)出強(qiáng)度下降和韌性降低，即蠕變脆化。 蠕變失效的宏觀表現(xiàn)是過度變形(蠕脹)，最終是由蠕變裂紋擴(kuò)展而斷裂(爆破或泄漏)。,59,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ⑥ 腐蝕失效 這是與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)的失效形式

43、?；と萜鹘佑|的腐蝕性介質(zhì)十分復(fù)雜，腐蝕機(jī)理屬于兩大類：化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕。區(qū)別在于形成腐蝕化合物過程中是否在原子間有電荷的轉(zhuǎn)移。就腐蝕失效的形態(tài)可分為如下幾種典型情況： ①全面腐蝕(亦稱均勻腐蝕)；②局部腐蝕；③集中腐蝕(即點(diǎn)腐蝕)；④晶間腐蝕；⑤應(yīng)力腐蝕；⑥縫隙腐蝕；⑦氫腐蝕；⑧選擇性腐蝕。 腐蝕發(fā)展到總體強(qiáng)度不足(由全面腐蝕、晶間腐蝕或氫腐蝕引起)或局部強(qiáng)度不足時(shí)，可認(rèn)為已腐蝕失效。腐蝕發(fā)展輕者造成泄漏、局部塑性失穩(wěn)或總體

44、塑性失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致爆破。由應(yīng)力腐蝕形成宏觀裂紋，擴(kuò)展后也會(huì)導(dǎo)致泄漏或低應(yīng)力脆斷。,60,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ⑦ 失穩(wěn)失效 容器在外壓(包括真空)的壓應(yīng)力作用下喪失穩(wěn)定性而發(fā)生的皺折變形稱為失穩(wěn)失效。皺折可以是局部的也可以是總體的。高塔在過大的軸向壓力(風(fēng)載、地震載荷)作用下也會(huì)皺折而引起倒塌。,61,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容

45、器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 容器的失效模式 ⑧ 泄漏失效 容器及管道可拆密封部位的密封系統(tǒng)中每一個(gè)零部件的失效都會(huì)引起泄漏失效。例如法蘭的剛性不足導(dǎo)致法蘭的過度變形而影響對墊片的壓緊，緊固螺栓因設(shè)計(jì)不當(dāng)或銹蝕而過度伸長也會(huì)導(dǎo)致泄漏，墊片的密封比壓不足、墊片老化缺少反彈能力都會(huì)引起泄漏失效。系統(tǒng)中每一零部件均會(huì)導(dǎo)致泄漏失效，所以密封失效不是一個(gè)獨(dú)立的失效模式，而是綜合性的。,62,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1

46、 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(3) 容器的交互失效模式① 腐蝕疲勞 在交變載荷和腐蝕介質(zhì)交互作用下形成裂紋并擴(kuò)展的交互失效。由于腐蝕介質(zhì)的作用而引起抗疲勞性能的降低，在交變載荷作用下首先在表面有應(yīng)力集中的地方發(fā)生疲勞損傷，在連續(xù)的腐蝕環(huán)境作用下發(fā)展為裂紋，最終發(fā)生泄漏或斷裂。對應(yīng)力腐蝕敏感與不敏感的材料都可能發(fā)生腐蝕疲勞，交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)均加速了這一損傷過程的進(jìn)程，使容器壽命大為降低。,63,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)

47、進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(3) 容器的交互失效模式 ②蠕變疲勞 這是指高溫容器既出現(xiàn)了蠕變變形又同時(shí)承受交變載荷作用而在應(yīng)力集中的局部區(qū)域出現(xiàn)過度膨脹以至形成裂紋直至破裂。蠕變導(dǎo)致過度變形，載荷的交變導(dǎo)致萌生疲勞裂紋和裂紋擴(kuò)展。因蠕變和疲勞交互作用失效的容器既有明顯宏觀變形的特點(diǎn)又有疲勞斷口光整的特點(diǎn)。,64,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(4) 化工容

48、器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 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)則逐步成熟運(yùn)用于容器的工程設(shè)計(jì)。彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，反映設(shè)計(jì)理論的進(jìn)展與突破。腐蝕失效所對應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則比較復(fù)雜，它所涉及的不是一個(gè)獨(dú)立的準(zhǔn)則。 各種不同的腐蝕失效形態(tài)所對應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是多種多樣的，有些還沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。,65,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.

49、1.2 內(nèi)容提要,(5) 分析設(shè)計(jì)規(guī)范大型高參數(shù)及高強(qiáng)材料的容器如何設(shè)計(jì)得更安全而又合理，一方面依靠詳細(xì)的應(yīng)力分析，另一方面更重要的是要正確估計(jì)各種應(yīng)力對容器失效的不同影響。將不同類型的應(yīng)力分別按不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行限制。對容器的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，根據(jù)原因和性質(zhì)對應(yīng)力進(jìn)行分類，按各類應(yīng)力對容器失效的危害性的差異采用不同的準(zhǔn)則加以限制。即“以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)”，簡稱“分析設(shè)計(jì)”(Design by Analysis)。,

50、66,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(5) 分析設(shè)計(jì)規(guī)范ASME規(guī)范第Ⅷ卷“壓力容器”分為兩冊，第一冊(ASMEⅧ—1)為傳統(tǒng)的規(guī)則設(shè)計(jì)(Design by Rules)規(guī)范，第二冊(ASMEⅧ—2)即為“分析設(shè)計(jì)”規(guī)范 (Design by Analysis) 。中國的容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范于1995年以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式正式公布，稱為“JB 4732鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”。,67,

51、第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(6) 疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范在交變載荷作用下容器應(yīng)力集中區(qū)域特別容易發(fā)生疲勞失效，壓力容器的疲勞屬于高應(yīng)變(即在屈服點(diǎn)以上的)低周次的疲勞失效，亦稱“低周疲勞”。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。成了壓力容器疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于疲勞設(shè)計(jì)必須以應(yīng)力分析和應(yīng)力分類為基礎(chǔ)，疲勞設(shè)計(jì)是壓力容器分析設(shè)計(jì)

52、的重要組成部分。,68,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(7) 防脆斷設(shè)計(jì)規(guī)范 低應(yīng)力脆斷是壓力容器的主要失效形式之一，特別是由高強(qiáng)度材料制成的厚壁焊接容器中容易發(fā)生。容器設(shè)計(jì)中加入了“防脆斷設(shè)計(jì)”這一內(nèi)容。ASME規(guī)范第Ⅺ卷附錄A中引入了核容器在役檢驗(yàn)時(shí)如何用斷裂力學(xué)方法對裂紋缺陷進(jìn)行安全評定的內(nèi)容。我國于1984年制定了CVDA壓力容器缺陷評定規(guī)范。,69,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)

53、進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(8) 高溫容器蠕變設(shè)計(jì)的發(fā)展 高溫容器常規(guī)的設(shè)計(jì)方法僅在許用應(yīng)力按高溫蠕變強(qiáng)度或持久強(qiáng)度選取，不足以體現(xiàn)高溫容器的壽命設(shè)計(jì)問題。高溫蠕變失效問題的深入研究，將高溫下蠕變的變形速率及變形量作為高溫容器壽命設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，形成了近代高溫容器設(shè)計(jì)的新準(zhǔn)則。由于高溫問題的復(fù)雜性，這一設(shè)計(jì)方法目前尚未進(jìn)入規(guī)范。,70,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2

54、內(nèi)容提要,(9) 歐盟EN13445標(biāo)準(zhǔn)的問世 歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織(CEN)制訂的EN 13445非直接火壓力容器標(biāo)準(zhǔn)已于2002年問世，涵蓋了0.05MPa以上壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法、應(yīng)力分類法、分析設(shè)計(jì)法與疲勞設(shè)計(jì)法，而且提出了許多設(shè)計(jì)的新概念及新設(shè)計(jì)方法。針對防止密封失效所提出的限定各種泄漏率的密封設(shè)計(jì)方法是非常有特色的。以致在世界壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面形成了美國ASME和歐盟13445兩大體系的新格局。這些都非常值得重視和深入研究

55、。,71,壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí),第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 近代壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì),72,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.1 基本要求,(1) 了解分析設(shè)計(jì)的基本概念(2) 掌握對壓力容器各部分應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力分類的方法。(3) 了解安定性原理。(4) 了解對壓力容器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的方法和步驟。,73,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6

56、.2.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的載荷與應(yīng)力 ① 由壓力載荷引起的應(yīng)力由內(nèi)外介質(zhì)均布壓力載荷在回轉(zhuǎn)殼體中產(chǎn)生的應(yīng)力?？梢揽客廨d荷與內(nèi)力的平衡關(guān)系求解。在薄壁殼體中這種應(yīng)力即為沿壁厚均勻分布的薄膜應(yīng)力，并在容器的總體范圍內(nèi)存在。厚壁容器中的應(yīng)力是沿壁厚呈非線性分布狀態(tài)，可以分解為均布分量和非均布分量。,74,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.2 內(nèi)容提要,(1) 容器的載荷與應(yīng)力 ② 由機(jī)械載荷引

57、起的應(yīng)力 壓力以外的其他機(jī)械載荷(如重力、支座反力、管道的推力)產(chǎn)生的應(yīng)力。這種應(yīng)力雖求解復(fù)雜，但也是符合外載荷與內(nèi)力平衡關(guān)系的。 這類載荷引起的應(yīng)力往往僅存在于容器的局部，亦可稱為局部應(yīng)力。 風(fēng)載與地震載荷也是壓力載荷以外的其他機(jī)械載荷，也滿足載荷與內(nèi)力的平衡關(guān)系，但作用范圍不是局部的，而且與時(shí)間有關(guān)，作為靜載荷處理時(shí)遍及容器整體，是非均布非軸對稱的載荷。,75,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.

58、2 內(nèi)容提要,容器的載荷與應(yīng)力 (3) 由不連續(xù)效應(yīng)引起的不連續(xù)應(yīng)力——以下三種情況均會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力： ①幾何不連續(xù)(如曲率半徑有突變)； ②載荷不連續(xù)； ③材質(zhì)不連續(xù)。 例如夾套反應(yīng)釜的內(nèi)筒在與夾套相焊接的地方就同時(shí)存在幾何不連續(xù)與載荷不連續(xù)(實(shí)際上還有軸向溫度的不連續(xù))。 結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力不是由壓力載荷直接引起的，而是由結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)引起的，在殼體上的分布范圍較大，可稱為總體不連續(xù)應(yīng)力。其沿壁厚的分布有的是線性

59、分布有的也呈均布的。,76,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.2 內(nèi)容提要,容器的載荷與應(yīng)力 (4) 由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力： 殼壁溫度沿經(jīng)向(軸向)或徑向(厚度方向)存在溫差，便引起熱膨脹差，通過變形的約束與協(xié)調(diào)便產(chǎn)生應(yīng)力，這就是溫差應(yīng)力或稱熱應(yīng)力。引起熱應(yīng)力的“載荷”是溫差，溫差表明該類載荷的強(qiáng)弱，故稱為熱載荷，以區(qū)別于機(jī)械載荷。熱應(yīng)力在殼體上的分布取決于溫差在殼體上的作用范圍，有的屬于總體范圍

60、，有的是局部范圍。溫差應(yīng)力沿壁厚方向的分布可能是線性的或非線性的，有些則可能是均布的。,77,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.2 內(nèi)容提要,容器的載荷與應(yīng)力 (5) 由應(yīng)力集中引起的集中應(yīng)力： 容器上的開孔邊緣、接管根部、小圓角過渡處因應(yīng)力集中而形成的集中應(yīng)力，其峰值可能比基本應(yīng)力高出數(shù)倍。數(shù)值雖大，但分布范圍很小。 應(yīng)力集中問題的求解一般不涉及殼體中性面的總體不連續(xù)問題，主要是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)

61、問題，并依靠彈性力學(xué)方法求解。 實(shí)際很難求得理論的彈性解，常用實(shí)驗(yàn)方法測定或采用數(shù)值解求得。,78,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 (1) 薄膜應(yīng)力(Membrane stress) ：是沿截面厚度均勻分布的應(yīng)力成分，其等于沿所考慮截面厚度的應(yīng)力平均值。 (2) 彎曲應(yīng)力(Bending stress) ：是法向應(yīng)力沿截面厚度上的變化分量。沿厚度的變化可以是

62、線性的，也可以不是線性的。最大值發(fā)生在容器的表面處，設(shè)計(jì)時(shí)取最大值。分析設(shè)計(jì)的彎曲應(yīng)力是指線性的。(3) 法向應(yīng)力(Normal stress) ：垂直于所考慮截面的應(yīng)力分量，也稱正應(yīng)力。通常法向應(yīng)力沿部件厚度的分布是不均勻的，可將法向應(yīng)力視為由兩種成分組成，一是均勻分布的成分，該截面厚度應(yīng)力的平均值(即為薄膜應(yīng)力)；另一是沿截面厚度各點(diǎn)而變化的成分，可能是線性的，也可能是非線性的。,79,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力

63、容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 (4) 切應(yīng)力(Shear stress) ：是與所考慮截面相切的應(yīng)力成分 。 (5) 應(yīng)力強(qiáng)度(Stress intensity) ：某處的應(yīng)力若系三向或二向應(yīng)力時(shí)，其組合應(yīng)力基于第三強(qiáng)度理論的當(dāng)量強(qiáng)度。規(guī)定為給定點(diǎn)處最大剪應(yīng)力的兩倍，即給定點(diǎn)處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的代數(shù)值(拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值)之差。(6) 總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)(Gross structura

64、l discontinuity ) ：指幾何形狀或材料不連續(xù)，使結(jié)構(gòu)在較大范圍內(nèi)的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化，對結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布與變形產(chǎn)生顯著影響?？傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)的實(shí)例如：封頭、法蘭、接管、支座等與殼體的連接處，不等直徑或不等壁厚、或彈性模量不等的殼體的連接處。,80,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 (7) 局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)(Local structural discont

65、inuity ) ：指幾何形狀和材料的不連續(xù)，僅使結(jié)構(gòu)在很小范圍內(nèi)的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化，對結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布和變形無顯著影響。例如小的過渡圓角處，殼體與小附件連接處，以及未全熔透的焊縫處。,81,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 各種應(yīng)力對容器失效的影響,內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力使容器在總體范圍內(nèi)發(fā)生彈性失效或塑性失效，即膜應(yīng)力可使筒體屈服變形，以致爆破。外壓引起總體剛

66、性失穩(wěn)，即形狀失穩(wěn)。其他機(jī)械載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力使容器發(fā)生局部范圍彈性失效或塑性失效。總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，由于相鄰部位存在相互約束，可能使部分材料屈服進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，可造成彈塑性失效。,82,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 各種應(yīng)力對容器失效的影響,總體熱應(yīng)力也會(huì)造成容器的彈塑性失效。應(yīng)力集中(局部結(jié)構(gòu)不連續(xù))及局部熱應(yīng)力使局部材料屈服，雖然可以造成彈

67、塑性失效，但只涉及范圍極小的局部，不會(huì)造成容器過度變形。在交變載荷作用下，這種應(yīng)力再疊加上壓力載荷的應(yīng)力及不連續(xù)應(yīng)力會(huì)使容器出現(xiàn)疲勞裂紋，主要危害是導(dǎo)致疲勞失效。,83,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(3) 容器的應(yīng)力分類 應(yīng)力進(jìn)行分類的基本原則是：,①應(yīng)力產(chǎn)生的原因，是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的；②應(yīng)力的分布，是總體范圍還是局部范圍的，沿壁厚的分布是均勻的還是線性

68、的或非線性的；③對失效的影響，即是否會(huì)造成結(jié)構(gòu)過度的變形，及是否導(dǎo)致疲勞、韌性失效。 應(yīng)力分類法將容器中的應(yīng)力分為三大類：①一次應(yīng)力；②二次應(yīng)力；③峰值應(yīng)力。,84,第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要,(3) 容器的應(yīng)力分類 一次應(yīng)力P(Primary stress),一次應(yīng)力P也稱基本應(yīng)力，是為平衡壓力和其他機(jī)械載荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，可由與外載荷的平衡關(guān)系求得，由此一次應(yīng)