化工容器設計1化工容器設計化工容器設計2壓力容器設計方法概述設計準則常規設計分析設計疲勞分析設計準則化工容器設計3概述分析設計方法——不同失效形式壓力容器發展趨勢大型化選用高強度材料高參數本章著重介紹壓力容器的設計思想常規設計方法——彈性失效化工容器設計4概述設計要求設計文件設計條件是設計的基本知識壓力容器設計基本要求安全經濟合理選取結構、材料、參數等合理選擇設計方法化工容器設計5什么是壓力容器設計？應綜合考慮哪些因素？概述化工容器設計6概述根據給定的，遵循規定，在確保的前提下，經濟、正確地，并進行結構、強（剛）度和密封設計。工藝設計條件現行的規范標準安全選擇材料壓力容器設計：化工容器設計7概述結構設計——確定合理、經濟的結構形式，滿足制造、檢驗、裝配、運輸和維修等要求。強（剛）度設計——確定結構尺寸，滿足強度或剛度及穩定性要求，以確保容器安全可靠地運行。密封設計——選擇合適的密封結構和材料，保證密封性能良好?；と萜髟O計8設計要求設計文件設計條件概述化工容器設計9用戶提出基本設計要求↓分析容器的工作條件，確定設計參數↓結構分析、初步選材↓選擇合適的規范和標準↓應力分析和強度計算↓確定構件尺寸和材料↓繪制圖紙，提供設計計算書和其它技術文件

壓力容器設計的基本步驟概述化工容器設計10※

設計要求※安全性指結構完整性和密封性。安全是前提，經濟是目標，在充分保證安全的前提下盡可能做到經濟。經濟性包括材料的節約,高的效率,經濟的制造過程,低的操作和維修費用等。

安全性與經濟性的統一工作介質壓力和溫度操作方式和要求其它（材料、設計壽命、腐蝕速率、保溫條件等）設計要求化工容器設計11※設計文件※設計文件：設計圖樣、技術條件、強度計算書，必要時還應包括設計或安裝、使用說明書。若按分析設計標準設計，還應提供應力分析報告。設計的表現形式，是設計者的勞動體現化工容器設計12※強度計算書※★包括設計條件、所用規范和標準、材料、腐蝕裕量、計算厚度、名義厚度、計算應力等?！镅b設安全泄放裝置的壓力容器，還應計算壓力容器安全泄放量、安全閥排量和爆破片泄放面積。★當采用計算機軟件進行計算時，軟件必須經“全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會”評審鑒定，并在國家質量監督檢驗檢疫總局特種設備局認證備案，打印結果中應有軟件程序編號、輸入數據和計算結果等內容?；と萜髟O計13※設計圖紙※包括壓力容器名稱、類別；設計條件；必要時應注明壓力容器使用年限；主要受壓元件材料牌號及材料要求；主要特性參數（如容積、換熱器換熱面積與程數等）；制造要求；熱處理要求；防腐蝕要求；無損檢測要求；耐壓試驗和氣密性試驗要求；安全附件的規格；壓力容器銘牌的位置；包裝、運輸、現場組焊和安裝要求；以及其它特殊要求。設計圖樣總圖零部件圖總圖化工容器設計14※設計條件※設計的已知條件設計條件——常用設計條件圖表示。工藝設計條件設計條件圖原始數據工藝要求簡圖用戶要求接管表等簡圖——示意性地畫出容器本體、主要內件部分結構尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表達的內容。設計化工容器設計15※用戶要求※1.工作介質:

介質學名或分子式、主要組分、比重及危害性等；2.壓力和溫度:

工作壓力、工作溫度、環境溫度等；3.操作方式與要求:

注明連續操作或間隙操作，以及壓力、溫度是否穩定；對壓力、溫度有波動時，應注明變動頻率及變化范圍；對開、停車頻繁的容器應注明每年的開車、停車次數；4.其它:

還應注明容積、材料、腐蝕速率、設計壽命、是否帶安全裝置、是否保溫等?；と萜髟O計16※設計條件圖※設計條件圖攪拌容器條件圖塔器條件圖換熱器條件圖一般容器條件圖應注明換熱管規格、管長及根數、排列形式、換熱面積與程數等應注明塔型（浮閥塔、篩板塔或填料塔）、塔板數量及間距、基本風壓和地震設計烈度和場地土類別等應注明攪拌器形式、轉速及轉向、軸功率等?；と萜髟O計17※設計的基本步驟※制造、驗收與裝配的技術條件施工圖設計4.物料衡算熱量衡算設備的類型選擇設備工藝尺寸確定設備部件的受力分析材料的選擇設備初步設計設備附件的選擇安全附件的配用化工容器設計18※設計準則※失效形式失效判據（選擇）設計準則（相應）設計是否合理（判別）化工容器設計19※壓力容器失效※失效—壓力容器在規定的使用環境和時間內，因尺寸、形狀或材料性能發生改變而完全失去或不能達到原設計要求（包括功能和壽命等）的現象。失效表現形式—

失效原因—多種多樣泄漏過度變形斷裂化工容器設計20※壓力容器失效形式※（1）強度失效（2）剛度失效（3）失穩失效（4）泄漏失效失效形式壓力容器基本失效形式化工容器設計21※壓力容器失效形式※a.韌性斷裂—韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產生的應力達到或接近所用材料的強度極限而發生的斷裂。（1）強度失效——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強度失效，包括:

（a）韌性斷裂（b）脆性斷裂（c）疲勞斷裂（d）蠕變斷裂（e）腐蝕斷裂等?；と萜髟O計22※韌性斷裂※特征原因斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長伸長率可達10～20%，斷口處厚度顯著減??；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實測厚度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當接近壁厚過薄和內壓過高壁厚未經設計計算和壁厚因腐蝕而減薄操作失誤、液體受熱膨脹、化學反應失控等化工容器設計23※韌性斷裂※嚴格按照規范設計、選材，配備相應的安全附件，且運輸、安裝、使用、檢修遵循有關的規定韌性斷裂可以避免化工容器設計24※脆性斷裂※斷裂時容器沒有膨脹，即無明顯的塑性變形；其斷口齊平，并與最大應力方向垂直；斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片。由于脆性斷裂時容器的實際應力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會動作，其后果要比韌性斷裂嚴重得多。特征脆性斷裂——脆性斷裂是指變形量很小、且在殼壁中的應力值遠低于材料的強度極限時發生的斷裂。這種斷裂是在較低應力狀態下發生，故又稱為低應力脆斷?；と萜髟O計25※脆性斷裂※脆性斷裂原因材料脆性和缺陷材料選用不當、焊接與熱處理不當使材料脆化；低溫、長期在高溫下運行、應變時效等也會使材料脆化壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴重的原始缺陷（如原材料的夾渣、分層、折疊等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂紋等）或使用中產生的缺陷，也會導致脆性斷裂發生。

化工容器設計26※疲勞斷裂※

疲勞斷裂—在交變載荷作用下，經一定循環次數后產生裂紋或突然發生斷裂失效的過程。需要指出—原材料或制造過程中產生的裂紋，也會在交變載荷的反復作用下擴展而導致壓力容器疲勞。包括—壓力波動、開車停車；加熱或冷卻時溫度變化引起的熱應力變化；振動或容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷。交變載荷—指大小和（或）方向都隨時間周期性（或無規則）變化的載荷。化工容器設計27※疲勞斷裂※失效形式——“未爆先漏”，破壞需要有一定時間。疲勞破壞—包括裂紋萌生、擴展和最后斷裂三個階段。裂紋源——往往位于接管根部、焊接接頭等高應力區或有缺陷的部位。裂紋擴展區——是疲勞斷口最重要的特征區域。常呈現貝紋狀，是疲勞裂紋擴展過程中留下的痕跡。瞬時斷裂區——裂紋擴展到一定程度時的快速斷裂區。疲勞斷口—裂紋源、裂紋擴展區和瞬時斷裂區組成?；と萜髟O計28※疲勞斷裂※

疲勞斷裂時容器的總體應力值較低，斷裂往往在容器正常工作條件下發生，沒有明顯征兆，是突發性破壞，接近脆斷，危險性很大特征化工容器設計29※蠕變斷裂※蠕變斷裂—壓力容器在高溫下長期受載，隨時間的增加材料不斷發生蠕變變形，造成壁厚明顯減薄與鼓脹變形，最終導致壓力容器斷裂。從變形看具有韌性斷裂特征從應力看具有脆性斷裂特征化工容器設計30※腐蝕斷裂※腐蝕斷裂——韌性斷裂特征／脆性斷裂特征均勻腐蝕的減薄和局部腐蝕的凹坑引起的斷裂晶間腐蝕和應力腐蝕引起的斷裂化工容器設計31※壓力容器失效形式※（2）剛度失效——

由于構件過度的彈性變形引起的失效。（3）失穩失效——在壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規則幾何形狀引起的失效。（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。危害:可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，造成環境污染等。化工容器設計32交互失效形式交互失效——多種因素作用下同時發生多種形式的失效。例如：→腐蝕疲勞腐蝕介質交變應力→蠕變疲勞高溫交變應力化工容器設計33失效判據與設計準則壓力容器最可能發生的失效形式設計思路求得壓力容器在穩態或瞬態工況下的力學響應（如應力、應變、固有頻率等）確定力學響應的限制值以判斷壓力容器能否安全使用是否獲得滿意的使用效果（根據）化工容器設計34失效判據與設計準則(1)失效判據——將力學分析結果與簡單實驗測量結果相比較，判別壓力容器是否會失效。這種判據，稱為失效判據。（2）設計準則——根據失效判據，再考慮各種不確定因素，引入安全系數，得到與失效判據相對應的設計準則。分類強度失效設計準則剛度失效設計準則穩定失效設計準則泄漏失效設計準則化工容器設計35失效判據與設計準則適用的設計標準壓力容器設計時先確定最有可能的失效形式選擇合適的失效叛據和設計準則確定進行設計、校核再按照標準要求化工容器設計36強度失效設計準則強度失效的兩種主要形式：屈服斷裂（在常溫、靜載作用下）常用的強度失效設計準則：彈性失效設計準則塑性失效設計準則爆破失效設計準則彈塑性失效設計準則疲勞失效設計準則蠕變失效設計準則脆性斷裂失效設計準則化工容器設計37彈性失效設計準則彈性失效設計準則——將容器總體部位的初始屈服視為失效。1、單向拉伸——最大拉應力準則失效判據的數學表達試相應的設計準則最大拉應力準則—屈服應力—許用應力—最大拉應力（4-3）式中:化工容器設計38彈性失效設計準則

2、任意應力狀態（1）最大切應力準則屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判據任意應力狀態（4-4）（最大切應力屈服失效判據）第三強度理論化工容器設計39彈性失效設計準則任意應力狀態（4-5）

（2）形狀改變比能準則形狀改變比能失效判據：第四強度理論：化工容器設計40彈性失效設計準則3、應力強度或相當應力彈性失效設計準則統一：化工容器設計41塑性失效設計準則彈性失效準則與塑性失效準則的對比化工容器設計42塑性失效設計準則——理想彈塑性材料，內壓厚壁圓筒

——設計壓力——全屈服壓力——全屈服安全系數化工容器設計43爆破失效設計準則——壓力容器一般具有應變硬化現象爆破壓力大于全屈服壓力——容器爆破作為失效判據爆破失效設計準則：——爆破壓力——爆破安全系數化工容器設計44彈塑性失效設計準則

彈塑性失效設計準則—又稱為安定性準則，認為載荷變化范圍達到安定載荷，容器就失效。應用場合適用于各種載荷不按同一比例遞增、載荷大小反復變化初始屈服載荷最大應力點進入塑性相對應的載荷。化工容器設計45彈塑性失效設計準則

——容器承受稍大于初始屈服載荷的載荷少量的局部塑性變形殘余應力場若容器所受的載荷較小應力疊加后小于屈服點保持彈性行為無新塑性變形“安定”狀態。載荷繼續增大反向屈服，或塑性變形累積喪失安定漸增塑性變形“不安定”狀態。安定載荷——安定和不安定的臨界狀態相對應的載荷變化范圍。工程上:由于超過安定載荷后容器并不立即破壞，危險性較小，安定載荷的安全系數＝1.0，最大載荷變化范圍<安定載荷。安定狀態化工容器設計46疲勞失效設計準則低周疲勞——每次循環中材料都將產生一定的塑性應變，疲勞破壞時的循環次數較低，一般在105次以下。低周疲勞設計曲線——由試驗及理論得，虛擬應力幅與許用循環次數之間的關系曲線。疲勞失效設計準則——最大虛擬應力幅按低周疲勞設計曲線所確定的許用循環次數大于容器所需的循環次數，容器就不會發生疲勞失效。斷裂力學理論——帶裂紋的壓力容器疲勞設計準則，即按照疲勞裂紋擴展與斷裂的規律對循環載荷作用下的容器作出安全評定。化工容器設計47其它失效設計準則脆性斷裂——屬于斷裂力學的研究范圍，認為材料中存在缺陷，研究缺陷在載荷和環境作用下的破壞規律。斷裂力學應用——（1）指導壓力容器的選材和設計（2）在役壓力容器的安全評定六、蠕變失效設計準則將應力限制在由蠕變極限和持久強度確定的許用應力以內。七、