压力容器强度及疲劳设计

爆破压力
(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)
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第一节 压力容器设计技术概述
(一) 容器的超压爆破过程
韧性破坏-照片
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第一节 压力容器设计技术概述
2．容器的脆性爆破过程 现象：低应力，体积变形很小，无明 显塑性变形 危害：无征兆、很多产生碎片、带来 灾难性后果 原因：1）材料很脆，2）有严重缺陷
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第一节 压力容器设计技术概述
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： ①全面腐蚀(亦称均匀腐蚀)；②局部腐蚀；③集中腐蚀(即点腐蚀)；④晶间腐 蚀；⑤应力腐蚀；⑥缝隙腐蚀；⑦氢腐蚀；⑧选择性腐蚀。
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第一节 压力容器设计技术概述
2．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。
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
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第一节 压力容器设计技术概述
2．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(OA段) (B)屈服阶段(AB段) (C)强化阶段(BC段) (D)爆破阶段(CD段)
(2) 韧性爆破 容器发生了塑性大变形的 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。这是一种经过塑性大变形的塑性 失效之后再发展为爆破的失效，亦称为 “塑性失稳”(Plastic collapse)，爆破后易 引起灾难性的后果。
(7) 失稳失效 容器在外压(包括真空)的压应力作用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)作用下也会皱折而引起倒塌。
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第一节 压力容器设计技术概述
一、容器的失效模式 1．容器常见的失效模式
(8) 泄漏失效 容器及管道可拆密封部位的密封系统中每一个零部件的失 效都会引起泄漏失效。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，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失效。系统中每一零部件均会导 致泄漏失效，所以密封失效不是一个独立的失效模式，而是综合性的。
(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)
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第一节 压力容器设计技术概述
(一) 容器的超压爆破过程 (3)变形强化阶段 BC段，材料 发生塑性变形不断强化，容器承 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，此时容器已充 分膨胀。
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第一节 压力容器设计技术概述
一、容器的失效模式
1．容器常见的失效模式
疲劳辉纹(×3000)
(4) 疲劳失效 交变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
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第一节 压力容器设计技术概述
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。
压力容器强度及疲劳设计
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压力容器强度及疲劳设计
第一节 第二节 第三节 第四节
压力容器设计技术概述 压力容器常规设计技术 压力容器应力分析设计 压力容器的疲劳及高温蠕变
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压力容器强度及疲劳设计
第一节 压力容器设计技术概述 一、压力容器的失效模式 二、压力容器设计准则的发展 三、压力容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的应用
(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)
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第一节 压力容器设计技术概述
(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膨胀而明显 下降，壁厚迅速减薄，直至D点 而爆裂。
压力容器强度及疲劳设计第一节压力容器设计技术概述第二节第二节压力容器常规设计技术压力容器常规设计技术压力容器强度及疲劳设计压力容器检验师培训2第三节压力容器应力分析设计第四节压力容器的疲劳及高温蠕变第一节压力容器设计技术概述一压力容器的失效模式压力容器强度及疲劳设计压力容器检验师培训3二压力容器设计准则的发展三压力容器设计规范的主要进展四近代设计方法的应用第一节压力容器设计技术概述化工及石油化工化工及石油化工发展的需求发展的需求大型化大型化高参数高参数高强材料高强材料高强材料高强材料压力容器检验师培训4第一节压力容器设计技术概述近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势大型化大型化高参数高参数?核电站一个1500mw压水堆压力壳工作压力为15mpa工作温度为300?c容器内直高温蠕变高温蠕变压力容器检验师培训5大型化大型化高参数高参数径7800mm壁厚317mm重650吨
一、容器的失效模式
容器设计的核心问题是安全。
压力容器设计技术的近代进展时基本的出发点也是安全。
容器的安全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”。
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 两种最基本的失效模式
则。在讨论这些设计技术进展之前有必要首先
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第一节 压力容器设计技术概述
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。
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。
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第一节 压力容器设计技术概述
一、容器的失效模式 1．容器常见的失效模式
(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)
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第一节 压力容器设计技术概述
(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)
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第一节 压力容器设计技术概述
(一) 容器的超压爆破过程 C点的内压力为爆破压力，正
常韧性爆破的容器，爆破的体积 膨胀量(即进液量)在容器体积的 10％以上，该值越高，容器的韧 性越好，材料的塑性韧性和制造 质量都很好，该容器在设计压力 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。
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第一节 压力容器设计技术概述
化工及石油化工 发展的需求
大型化 高参数 高强材料
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第一节 压力容器设计技术概述
近代压力容器的发展趋势-大型化,高参数
高参数 大型化
核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压 力为15MPa，工作温度为300ºC，容器内直 径7800mm，壁厚317 mm，重650吨；
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，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。
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第一节 压力容器设计技术概述
一、容器的失效模式 1．容器常见的失效模式
煤气化液化装置中的压力容器工作压力为 20MPa，工作温度为454ºC，最大内直径达 5000mm，壁厚为340 mm，重1900吨；
炼 油 厂 加 氢 反 应 器 的 直 径 达 4.5mm, 厚 280mm, 重约1000吨。
高温蠕变 低应力脆断 疲劳问题
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第一节 压力容器设计技术概述
弄清容器的各种形式的失效，尤其最基本的爆 破失效过程更需要弄清楚。下面就容器的韧性
韧性破坏 脆性破坏
爆破和脆性爆破过程先作一些阐述：
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第一节 压力容器设计技术概述
(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， 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：
整理pptຫໍສະໝຸດ 25第一节 压力容器设计技术概述
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交互作用下形成裂纹并扩展的交互 失效。由于腐蚀介质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均加速了这一损伤过程的进程，使容器寿命大 为降低。
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。
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第一节 压力容器设计技术概述
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 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)。
(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)
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第一节 压力容器设计技术概述
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)，例如总体上大范围鼓胀，或局部鼓胀，
整体屈 服压力
爆破压力
(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)
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第一节 压力容器设计技术概述
(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， 或表示容器的局部区域出现 屈服，整个容器的整体弹性 行为到此终止。
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第一节 压力容器设计技术概述
2．容器的脆性爆破过程 脆性爆破的容器是由材料的脆性
(例如低温下的脆性)，或是由于有严 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 料显著脆化)从而引起脆断。
(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)