主講教師：潘家禎華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,6.1 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,II、壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,慕課課程：Massive Open Online Course Pressure Vessel Design 壓力容器設(shè)計(jì),第6章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,2,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展 三、容器設(shè)計(jì)規(guī)范的主要進(jìn)展 四、近代設(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,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,3,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (1) 彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 這是為防止容器總體部位發(fā)生屈服變形，將總體部位的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力限制在材料的屈服點(diǎn)以下，保證容器的總體部位始終處于彈性狀態(tài)而不會發(fā)生彈性失效。這是最傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，也正是本書前面各章所介紹的方法，這仍然是現(xiàn)今容器設(shè)計(jì)首先應(yīng)遵循的準(zhǔn)則。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,4,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (2) 塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 容器某處(如厚壁筒的內(nèi)壁)彈性失效后并不意味著容器失去承載能力。將容器總體部位進(jìn)入整體屈服時的狀態(tài)或局部區(qū)域沿整個壁厚進(jìn)入全屈服狀態(tài)稱為塑性失效狀態(tài)，若材料符合理想塑性假設(shè)，載荷不需繼續(xù)增加，變形會無限制發(fā)展下去，稱此載荷為極限載荷。將極限載荷作為設(shè)計(jì)依據(jù)加以限制，防止總體塑性變形，稱極限設(shè)計(jì)。“極限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則即塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。用塑性力學(xué)方法求解結(jié)構(gòu)的極限載荷是這種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,Treaca屈服條件或Mises屈服條件,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,5,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (3) 爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 非理想塑性材料在屈服后尚有增強(qiáng)的能力，對于容器(主要是厚壁的)在整體屈服后仍有繼續(xù)增強(qiáng)的承載能力，直到容器達(dá)到爆破時的載荷才為最大載荷。若以容器爆破作為失效狀態(tài)，以爆破壓力作為設(shè)計(jì)的依據(jù)并加以限制，以防止發(fā)生爆破，這就是容器的爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。高壓容器章所介紹的Faupel公式就是這一準(zhǔn)則的體現(xiàn)。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,6,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (4) 彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 如果容器的某一局部區(qū)域，一部分材料發(fā)生了屈服，而其他大部分區(qū)域仍為彈性狀態(tài)，而彈性部分又能約束著塑性區(qū)的塑性流動變形，結(jié)構(gòu)處于這種彈塑性狀態(tài)可以認(rèn)為并不一定意味著失效。只有當(dāng)容器某一局部彈塑性區(qū)域內(nèi)的塑性區(qū)中的應(yīng)力超過了由“安定性原理”確定的許用值時才認(rèn)為結(jié)構(gòu)喪失了“安定”而發(fā)生了彈塑性失效。安定性原理作為彈塑性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，亦稱為安定性準(zhǔn)則。本章第二節(jié)將具體介紹這一準(zhǔn)則。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,7,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (5) 疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 為防止容器發(fā)生疲勞失效，將容器應(yīng)力集中部位的最大交變應(yīng)力的應(yīng)力幅限制在由低周疲勞設(shè)計(jì)曲線確定的許用應(yīng)力幅之內(nèi)時才能保證在規(guī)定的循環(huán)周次內(nèi)不發(fā)生疲勞失效，這就是疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。這是20世紀(jì)60年代由美國發(fā)展起來的。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,8,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (6) 斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 實(shí)際難于避免裂紋，包括制造裂紋(焊接裂紋)和使用中產(chǎn)生或擴(kuò)展的裂紋(疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋)，為防止缺陷導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷，可按斷裂力學(xué)限制缺陷的尺寸或?qū)Σ牧咸岢霰仨氝_(dá)到的韌性指標(biāo)，這是防脆斷設(shè)計(jì)。防脆斷設(shè)計(jì)并不意味著允許新制造的容器可以存在裂紋，而是對容器使用若干年后的一種安全性估計(jì)。新制造的容器，設(shè)計(jì)時是假定容器內(nèi)產(chǎn)生了可以檢測到的裂紋，通過斷裂力學(xué)方法對材料的韌性(主要是指斷裂韌性)提出必須保證達(dá)到的要求以使容器不會發(fā)生低應(yīng)力脆斷。在役容器檢測出裂紋，可用斷裂力學(xué)評價是否安全，即壓力容器的缺陷評定。這是基于斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(或稱防脆斷失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則)的方法。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,9,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (7) 蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 將高溫容器筒體的蠕變變形量(或按蠕變方程計(jì)算出的相應(yīng)的應(yīng)力)限制在某一允許的范圍之內(nèi)，便可保證高溫容器在規(guī)定的使用期內(nèi)不發(fā)生蠕變失效，這就是蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,(8) 失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 外壓容器的失穩(wěn)皺折需按照穩(wěn)定性理論進(jìn)行穩(wěn)定性校核，這就是失穩(wěn)失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。大型直立設(shè)備(如塔設(shè)備)在風(fēng)載與地震載荷下的縱向穩(wěn)定性校核也屬此類。,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,10,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (9) 剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 通過對結(jié)構(gòu)的變形分析，將結(jié)構(gòu)中特定點(diǎn)的線位移及角位移限制在允許的范圍內(nèi)，即保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。例如大型板式塔內(nèi)大直徑塔盤很薄，就應(yīng)限制塔盤板的撓度，不致使液層厚薄不一而引起穿過塔盤氣體分布不均和降低板效率。又如法蘭設(shè)計(jì)時除應(yīng)保證強(qiáng)度外還應(yīng)采用剛度校核法以限制法蘭的偏轉(zhuǎn)變形 。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,11,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 (10) 泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 法蘭的密封設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)軸密封設(shè)計(jì)中合理的設(shè)計(jì)方法應(yīng)限制介質(zhì)的泄漏率不得超過允許的泄漏率。由于介質(zhì)的泄漏率與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封材料的性能和緊固件所施加的載荷密切有關(guān)，非常復(fù)雜，所以泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則很難建立。大多數(shù)國家的設(shè)計(jì)規(guī)范中尚未采用。但歐盟承壓設(shè)備規(guī)范中已在大量研究與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了泄漏失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與方法。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述,6.2近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述-壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展,12,二、化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都是近代化工容器中已被采用的，除彈性失效設(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)則在20世紀(jì)60年代以前就逐步成熟運(yùn)用于容器的工程設(shè)計(jì)之外，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)則均是這個年代及以后逐步出現(xiàn)并成熟起來的，反映出設(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。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技