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压力容器设计
返回列表 来源: 发布日期: 2023-12-29 16:07:04

1概述

设计的基本知识:

· 设计要求

· 设计文件

· 设计条件

压力容器设计:

    根据给定的工艺设计条件,遵循现行的规范标准规定在确保安全的前提下经济正确地选择材料,并进行结构、强(刚)度、密封设计。

结构设计 —— 确定合理、经济的结构形式,满足制造、检验、装配、运输和维修等要求。 
强(刚)度设计 —— 确定结构尺寸,满足强度或刚度及稳定性要求,以确保容器安全可靠地运行
密封设计 —— 选择合适的密封结构和材料,保证密封性能良好。


1.1设计要求

安全性与经济性的统一

· 安全是前提,经济是目标,在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。安全性主要是指结构完整性和密封性。经济性包括高的效率、原材料的节省、经济的制造方法、低的操作和维修费用等。


1.2 设计文件

    设计文件包括:设计图样、技术条件、设计计算书,必要时还应包括设计或安装、使用说书 若按分析设计标准设计,还应提供应力分析报告

设计的表现形式,是设计者的劳动体现

设计计算书 :

· 包括设计条件、所用规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚度、计算结果等。

· 装设安全泄放装置的压力容器,还应计算压力容器安全 泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积。

· 当采用计算机软件进行计算时,软件必须经“全国锅炉压力容 器标准化技术委员会 ”评审鉴定,并在国家质量监督检验检疫总局 特种设备局认证备案 ”,打印结果中应有软件程序编号、输入数据和计算结果等内容。

设计图样 ——包括总图和零件图

总图

· 包括压力容器名称、类别、设计条件;

· 必要时应注明压力容器使用年限;

· 主要受压元件材料、牌号及材料要求;

· 主要特性参数(如容积、换热器换热面积与程数等);

· 制造要求、热处理要求、防腐蚀要求、无损检测要求;

· 耐压试验和气密性试验要求、安全附件的规格;

· 压力容器铭牌的位置,包装、运输、现场组焊和安装要求,以及其它特殊要求。


1.3 设计条件

工艺设计条件 ——原始数据、工艺要求(常用设计条件图表示)。

设计条件图包括简图、用户要求、接管表

简  ——示意性地画出容器本体、主要内件部分结构尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表达的内容。

用户要求

1)工作介质:介质学名或分子式、主要组分、比重及危害性等;
2)压力和温度:工作压力、工作温度、环境温度等;
3)操作方式与要求: 注明连续操作或间隙操作,以及压力、温度是否稳定;对压力、温度有波动时,应注明变动频
率及变化范围;对开、停车频繁的容器应注明每年的开车、停车次数;
4)其它:还应注明容积、材料、腐蚀速率、设计寿命、是否带安全装置、是否保温等。

设计条件图主要有以下几种:

一般容器条件图
换热器条件图:应注明换热管规格、管长及根数、排列形式、换热面积与程数等;
塔器条件图:应注明塔型(浮阀塔、筛板塔或填料塔)、塔板数量及间距、基本风压和地震设计烈度和场地土类别等;
搅拌容器条件图:应注明搅拌器形式、转速及转向、轴功率等。



2 设计准则

由失效形式——>选择失效判据——>得到相应设计准则——>判断设计是否合理。

2.1 压力容器失效

定义:压力容器在规定的使用环境和时间内,因尺寸、形状或者材料性能变化而危及安全或者丧失正常功能的现象。

失效表现形式:
泄漏、过度变形、断裂

一、压力容器失效形式

1)强度失效——因材料屈服或断裂引起的压力容器失效,称为强度失效,包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。

韧性断裂是压力容器在载荷作用下,产生的应力达到或接近所用材料的强度JI限而发生的断裂。

特征:断后有肉眼可见的宏观变形,如整体鼓胀,周长伸长率可达10~20%,断口处厚度显著减薄;没有碎片,或偶尔有碎片;按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。

原因:壁厚过薄(壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄)和内压过高(操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等)。

严格按照规范设计、选材,配备相应的安全附件,且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定,韧性断裂可以避免。

脆性断裂是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度JI限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生,故又称为低应力脆断。

特征:断裂时容器没有膨胀,即无明显的塑性变形;其断口齐平,并与zui大应力方向垂直;断裂的速度极快,常使容器断裂成碎片。由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低,爆破片、安全阀等安全附件不会动作,其后果要比韧性断裂严重得多。
       
原因:材料脆性和缺陷。材料选用不当、焊接与热处理不当使材料脆化;低温、长期在高温下运行、应变时效等也会使材料脆化;压力容器用钢一般韧性较好,但若存在严重的原始缺陷(如原材料的夹渣、分层、折叠等)、制造缺陷(如焊接引起的未熔透、裂纹等)或使用中产生的缺陷,也会导致脆性断裂发生。

疲劳断裂是指在交变载荷作用下,经过一定周期后发生的断裂。

交变载荷——指大小和(或)方向都随时间周期性(或无规则)变化的载荷。包括运行时的压力波动、开车和停车、加热或冷却时温度变化引起的热应力变化、振动引起的应力变化、容器接管引起的附加载荷的交变而形成的交变载荷等。需要指出,原材料或制造过程中产生的裂纹,也会在交变载荷的反复作用下扩展而导致压力容器疲劳。

疲劳破坏包括裂纹萌生、扩展和zui后断裂三个阶段。疲劳断口由裂纹源、裂纹扩展区和zui终断裂区组成。

· 裂纹源——往往位于接管根部、焊接接头等高应力区或有缺陷的部位。

· 裂纹扩展区——是疲劳断口zui重要的特征区域。常呈现贝纹状,是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。

· zui终断裂区——裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。由剩余截面不能再承受施加的载荷造成的失效形式——“未爆先漏” ,破坏需要有一定时间。

蠕变断裂是压力容器在高温下长期受载,随时间的增加材料不断发生蠕变变形,造成壁厚明显减薄与鼓胀变形,zui终导致压力容器断裂。从变形看具有韧性断裂特征,从应力看具有脆性断裂特征。

腐蚀断裂具有韧性断裂(均匀腐蚀的减薄和局部腐蚀的凹坑引起的断裂)特征/脆性断裂(晶间腐蚀和应力腐蚀引起的断裂
)特征。

2)刚度失效——由于压力容器的变形大到足以影响其正常工作而引起的失效,如塔受风。

3)失稳失效——在压应力作用下,压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。

4)泄漏失效——泄漏而引起的失效。其危害可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故,造成环境污染等。

5)交互失效——实际中可能同时发生多种形式的失效。

二、失效判据与设计准则

设计思路:求得压力容器在稳态或瞬态工况下的力学响应(如应力、应变、固有频率等),根据压力容器zui可能发生的失效形式,确定力学响应的限制值以判断压力容器能否安全使用是否获得满意的使用效果。

失效判据——将力学分析结果与简单实验测量结果相比较,判别压力容器是否会失效。这种判据,称为失效判据。

设计准则——根据失效判据,再考虑各种不确定因素,引入安全系数,得到与失效判据相对应的设计准则。
        
 分类:强度失效设计准则
      刚度失效设计准则
      失稳失效设计准则
      泄漏失效设计准则
    
压力容器设计时先确定zui可能的失效形式,然后选择合适的失效判据和设计准则,确定使用的设计标准,再按照标准大额要求进行设计、校核。

2.2 强度失效设计准则

强度失效的两种主要形式:屈服、断裂

常用的强度失效设计准则:

一、 弹性失效设计准则(韧性材料)——将容器总体部位的初始屈服视为失效。

1、单向拉伸——zui大拉应力准则

image.png


2、任意应力状态

1)zui大切应力准则

屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判据——zui大切应力屈服失效判据——第三强度理论

       image.png       image.png

2)形状改变比能准则

     ——形状改变比能失效叛据——第四强度理论

       image.png
            (4-5)

3、应力强度或相当应力
     弹性失效设计准则统一:image.png
     image.png

二、塑性失效设计准则

1、弹性失效准则与塑性失效准则的对比:

 弹性失效设计准则塑性失效设计准则依据危险点的应力强度达到许用应力整个危险面屈服应用韧性材料各处应力分布均匀,如薄壁容器 韧性材料应力分布不均匀,如厚壁圆筒

2、塑性失效设计准则

     ——理想弹塑性材料,内压厚壁圆筒

     由image.png
 ——> image.png,P——设计压力,Pso——全屈服压力,image.png——全屈服安全系数
三、爆破失效设计准则

      ——容器爆破作为失效叛据 ——压力容器一般具有应变硬化现象爆破压力大于全屈服压力

    爆破失效设计准则:image.png

四、弹塑性失效设计准则

——又称为安定性准则,认为载荷变化范围达到安定载荷,容器就失效。    

应用场合:适用于各种载荷不按同一比例递增、载荷大小反复变化。
     
初始屈服载荷——zui大应力点进入塑性相对应的载荷。

安定状态——>容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷——>少量的局部塑性变形——>残余应力场——>若容器所受的载荷较小——>应力叠加后小于屈服点——>保持弹性行为——>无新塑性变形——>“安定”状态;——>载荷继续增大——>反向屈服,或塑性变形累积——>丧失安定——>渐增塑性变形。

安定载荷——安定和不安定的临界状态相对应的载荷变化范围。

工程上:由于超过安定载荷后容器并不立即破坏,安定载荷的安全系数=1.0,zui大载荷变化范围 < 安定载荷。

五、疲劳失效设计准则

低周疲劳——每次循环中材料都将产生一定的塑性应变,疲劳破坏时的循环次数较低,一般在105次以下。

低周疲劳设计曲线——由试验及理论得,虚拟应力幅与许用循环次数之间的关系曲线。
    
疲劳失效设计准则——zui大虚拟应力幅按低周疲劳设计曲线所确定的许用循环次数大于容器所需的循环次数,容器就不会发生疲劳失效。
    
断裂力学理论——带裂纹的压力容器疲劳设计准则,即按照疲劳裂纹扩展与断裂的规律对循环载荷作用下的容器作出安全评定。

六、蠕变失效设计准则

将应力限制在由蠕变JI限和持久强度确定的许用应力以内。

七、脆性断裂失效设计准则

脆性断裂——属于断裂力学的研究范围,认为材料中存在缺陷,研究缺陷在载荷和环境作用下的破坏规律。
 
断裂力学应用——(1)指导压力容器的选材和设计(2)在役压力容器的安全评定
 
脆性断裂失效设计准则:

1)破损安全设计——假设裂纹存在时,结构还能承受工作载荷——容器裂纹容限问题。
2)先漏后爆设计——材料具有足够韧性,快速断裂前,裂纹已穿透壁厚,导致泄漏发生,可避免突发快速断裂,减少损失
 说明:假设裂纹,真实裂纹(漏检或在使用中产生)

防止容器发生脆性破坏:

1)材料——根据受压元件的厚度、应力水平、zui低金属温度、载荷性质、介质对材料韧性的影响等因素,提出材料夏比V缺口冲击功或断裂韧性验收指标。
2)缺陷——尽量减少焊接接头;提高无损检测技术。
3)设计——由无损检测水平—假设高应力区存在裂纹—利用断裂方法—裂纹安全性评估—确保容器不发生低应力脆性破坏。 

2.3 刚度失效设计准则

在载荷作用下,要求构件的弹性位移和(或)转角不超过规定的数值。

image.png(4-9)

2.4 稳定失效设计准则

——防止失稳发生(周向失稳、轴向失稳、局部失稳)

2.5 泄漏失效设计准则

对于泄漏,常用紧密性(Tightness)这一概念来比较或评价密封的有效性。紧密性用被密封流体在单位时间内通过泄漏通道的体积或质量,即泄漏率来表示。漏与不漏(或零泄漏)是相对于某种泄漏检测仪器的灵敏度范围而言的。

压力容器泄漏失效设计准则是指容器发生的泄漏率(L)不超过允许泄漏率([L]),
L≤[L]


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