压力容器技术进展第四章
过程设备设计第四章-3.1-3.2.3
4.3 常规设计
本章重 点
教学重点：
（1）内压圆筒的强度设计；
（2）外压圆筒的图算法；
（3）开孔补强设计。
教学难点：
螺栓法兰连接的密封性设计。
3
4.3.1 概述
过程设备设计
一、设计思想 ——“按规则设计”（Design by Rules） ，只考虑单一的最大 载荷工况，按一次施加的静力载荷处理， 不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永 区别于分 久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。 析设计
K+ 1 p ≤[σ ]t 2( K - 1)
（4-10）
取等号得 径比K为
2[σ ]t + p K= 2[σ ]t - p
（4-11）
筒体壁厚计算式为
2 pRi δ= 2[σ ]t - p
中径公式
（4-12）
7
4.3.1 概述
过程设备设计
二、弹性失效设计准则（续）
将第2章表2-1中仅受内压作用时，厚壁圆筒内壁面处的三向应力 分量计算式，代入弹性失效设计准则式（4-3）～式（4-5）， 表4-1 按弹性失效设计准则的内压厚壁圆筒强度计算式
26
4.3.2.2 内压圆筒的强度设计
4.3.2.2 内压圆筒的强度设计 （续）
过程设备设计
4、说明： Pc 0.4[σ]tφ
采用式（4-4）或式（4-5）较为合理。 但对于内压薄壁回转壳体，在远离结构不连续处，σ
3
0
5
式（4-3）简单，成熟使用经验，将该式作为设计准则。
4.3.1 概述
4.3.1 概述
过程设备设计
二、弹性失效设计准则（续） 内压薄壁圆筒： 经向薄膜应力 周向薄膜应力
pD σφ 4δ
压力容器设计技术进展2-112页文档资料
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
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
(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)
第六章 压力容器设计技术进展
9
第一节 近代化工容器设计技术进展概述
(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。
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)
第六章 压力容器设计技术进展
8
第一节 近代化工容器设计技术进展概述
(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。
第六章 压力容器设计技术进展
3
第一节 近代化工容器设计技术进展概述
压力容器的发展简要回顾
James Watt (1736-1819)
第四章 压力容器安全附件
维修方面产生泄露的原因：如检查失误；维修
■
2、泄露处理措施
装设可燃气体检测仪，及时报警，及时进
行相关处理
中央控制室操作人员控制一切工艺变化
如果仪表系统的压缩空气出了故障，应与氮气
系统相连，并与紧急氮气加压接通，做到紧急
情况下有序停车。
■
第三节压力容器的安全防护装 置
压力容器的安全防护装置指为了使压力 容器能够安全运行而装设在设备上的一 种附属机构。包括连锁装置、警报装置、 计量装置、泄压装置等。
压力表有液柱式、弹性元件式、活塞式和电量式四大类。单弹簧管 式压力表应用较广。
1、弹簧管式压力表结构及工作原理
■
波纹平膜式压力表 工作原理： 工作介 质作用波纹平膜的下 面，压力大，平膜向 上凸起的量大，平膜 上面的柱销向上的位 移就大，从而带动连 杆，使扇形齿轮摆动、 小齿轮转动（常啮 合），指针也同时摆 动（同轴固定）。
压力表必须定期校验，每年至少经计量部门校 验一次。
■
5、压力表有下列情况之一时应停止使用并更换：
有限止钉的压力表，在无压力时，指针不能回到限止 钉处；无限止钉的压力表，在无压力时，指针距零位 的数值超过压力表的允许误差。 表盘封面玻璃破裂或表盘刻度模糊不清。
铅封损坏或超过校验有效期限。
■
四、 温度计
一.常用温度计型式及工作原理 1 .膨胀式温度计 这是根据水银、酒精、甲苯等感温液体 具有热胀冷缩的物理特性制成
２.压力式温度计 这种温度计的温包内装有易挥发的碳氢化 合物液体，测温时，温包内的液体受热产生压 力，并传到弹簧管，与压力表原理相同．
■
压力容器技术进展..
压力容器技术进展北京化工大学机械工程学院CAE中心徐鸿2006-5-121.引言压力容器技术是从上个世纪初叶开始发展的一门应用技术。
这门技术的主要目标是处理好压力容器中安全与经济这对矛盾。
经过上个世纪的发展，现代压力容器技术已成为一门涉及设计、材料、制造、检验、使用和管理等多种技术领域的综合技术。
压力容器技术的发展主要取决于两方面的因素:（1）经济发展对能源和人造（合成）新材料的需要;（2）相关科学技术的发展与进步。
不是仅仅取决于单项相关科学技术的发展，而是取决于多项相关科学技术的集成，也就是说，只有各相关科学技术的协调发展才能有效地促进压力容器技术的进步。
2.压力容器的设计与安全分析计算机技术介入压力容器的设计与安全分析，使压力容器的设计与分析发生了革命性的变化。
2.1 常规设计效率大大提高（1）按常规设计规范的压力容器设计计算已有计算机软件可用，软件带有丰富的数据库，并有自动纠错功能，还可将结果直接打印成完整的设计计算书；（2）铅笔-图版-丁字尺的制图方式已被CAD技术所淘汰，CAD软件带有丰富的图形库和数据库，设计制图的效率与质量都有极大的提高。
2.2 设计的一大进展还体现在安全系数的降低上：美国 n b 由4.0降至3.5；欧洲 n b,min = 1.875；我国正在研究将 n b 降至2.6。
安全系数的降低反映了下列多方面的技术进展：结构分析水平的提高；制造技术的提高；更严格的材料技术要求；更科学的质保体系等。
2.3 分析设计能更理性地处理安全与经济这对矛盾（1）计算机和有限元分析法的发展使基于应力分析的压力容器分析设计成为可能。
比常规设计法更为理性化的分析设计法对压力容器的安全与经济这对矛盾处理得更好，可在保证容器更安全（例如，可预测容器在多种工况下的性能，使得在设计阶段就可消除将来可能发生的许多问题；可预防塑性铰失稳、塑性疲劳、棘轮效应和疲劳断裂等失效的出现）的条件下达到壁厚更薄、重量更轻、成本更低的目的；还可进行结构优化分析，使容器结构更为合理。
压力容器安全技术管理规定(四篇)
压力容器安全技术管理规定第一章总则第一条为了规范压力容器的使用和安全管理，保障生产安全，确保人员和财产的安全，根据国家相关法律法规和标准，制定本规定。
第二条本规定适用于企事业单位压力容器的设计、制造、检验、安装、使用和维护管理的各个环节。
第三条压力容器的分类按照国家相关标准进行，压力容器的安装和使用应符合国家相关技术标准规定的要求。
第四条压力容器的设计、制造、检验、安装、使用和维护管理应符合国家质量监督管理机构制定的相关标准和规范。
第五条企事业单位应建立压力容器使用档案，包括压力容器的设计、制造、检验、安装、使用和维护管理等相关资料，并定期进行更新和维护。
第二章压力容器的设计和制造第六条压力容器的设计和制造应符合国家相关技术标准和规范的要求。
第七条压力容器的设计和制造必须由具备相应资质的单位进行，并应经有关技术监督部门的审核和验收。
第八条压力容器的设计和制造单位应建立健全设计和制造质量管理体系，并定期进行检查和评估。
第九条压力容器的设计和制造过程应遵循科学、严谨、先进的原则，确保产品的质量和安全性。
第十条压力容器的制造过程应进行严格的质量控制，包括原材料的选择、加工工艺的控制、产品结构的合理性等。
第十一条压力容器的制造单位应建立完善的质量追溯体系，能够对产品进行溯源和回溯。
第十二条压力容器的制造单位应定期开展质量安全教育培训，提高员工的安全意识和技能水平。
第三章压力容器的检验和安装第十三条对于压力容器的检验和安装，应严格按照国家相关技术标准和规范进行。
第十四条压力容器的检验应由具备相应资质的检验机构进行，并出具相应检验报告。
第十五条压力容器的安装应由具备相应资质的安装单位进行，并应按照相关安装规范进行操作。
第十六条压力容器的安装前应进行检查和试验，确保其结构完好，安装位置合理并符合要求。
第十七条压力容器的安装过程中，应采取相应的安全防护措施，确保人员和设施的安全。
第四章压力容器的使用和维护管理第十八条压力容器的使用单位应建立健全压力容器的使用管理制度，明确责任分工和操作程序。
压力容器技术进展第4章
图4.9示出了激光全息照相的原理。一束 激光(波长单一)分为二束，一束通过被摄 物体后到达照相软片，另一束经棱镜折射 后也射在软片上，四束光产生干涉。软片 上产生干涉条纹(全息图)。如果被摄物体 内有缺陷，其全息图将是一些明暗相间的 图像。
用激光束照射全息图，从全息图背面沿 激光射来方向看去，就可看到再现的物像
压力容器技术进展 安全评定
8 液晶显示法 有一类液晶——胆甾醇壬酸脂液晶在不同的温度下会
显示出不同的颜色，如图4.10所示。利用此特性，可将该液晶涂抹于 金属表面上，并给金属加热。由于缺陷(内部、外部)而引起金属的密度、 比热和热传导系数不同，会使金属表面液晶的温度也不同，于是会出现 彩色图像。通过分析这些图像，即可判断出缺陷的位置、大小及种类。
压力容器技术进展 安全评定
4.2.1 压力容器安全评定中的断裂力学基础 目前压力容器的断裂安全评定规范都是建立在
断裂力学基础之上的。断裂力学是将各种缺陷简化 为规则的裂纹后而进行的力学分析。一般先将无损 探伤得到的不规则缺陷进行简化处理，将表面缺陷 表征为半椭圆形裂纹，将深埋缺陷表征为椭圆形裂 纹。不同的评定规范有不同的表征方法，具体可参 考有关资料。
压力容器技术进展 安全评定
实际上，有些缺陷的存在并不影响压力容器的安全使用， 这ห้องสมุดไป่ตู้，一个以新的工程概念，即以“合乎使用”为原则对 在役压力容器进行缺陷评定的方法发展起来了，断裂力学 即是使这种方法得以成立的理论基础，它为缺陷评定提供 了依据和手段。
这种“合乎使用”的评定方法可以对在役压力容器的现 状及未来状况进行评估和预测，判断其是否能够继续使用 及安全度如何。显而易见，这将会在安全的前提下使压力 容器的潜能得以充分发挥，从而在最大程度上减少危害与 损失，因此对在役含缺陷压力容器进行安全评定具有重要 意义。
第四章压力容器常用介质及特性
一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略 而致中毒。车间空气中一氧化碳的最高容许含量
第四章压力容器常用介质及特性
第二节、常用气体的特性
<6> 甲烷 （CH4） 甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田 气及煤矿坑道气的主要成分。它可用作燃料及制 造氢气、碳黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛 等物质的原料。 甲烷是碳氢化合物的一种，无色无臭，密度为 0.7167kg/m³，对空气的相对密度为0.55，熔点为
临界温度小于-10℃的为永久气体； 临界温度大于或等于-10℃，且小于或等于70℃ 的为高压液化气体； 临界温度大于70℃的为低压液化气体。 注：《固定式压力容器安全技术监察规程》 TSG
R0004-2009中介质的分类（附件A1、46页）
第四章压力容器常用介质及特性
第一节、气体的分类
特种设备安全技术规范
气体
液体
固体
气相
液相
固相
第四章压力容器常用介质及特性
第二节、状态的变化与相图
1、相图、相变
相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分 关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡 状态，因而是在一定温度、成分条件下热力学 最稳定、自由能最低的状态。
物质的三态中的任何一种聚集状态，都只能在 一定的条件下存在，当条件发生变化时，物质 分子间的相互位置就会发生相应的变化，即表 现为相变。
第四章压力容器常用介质及特性
第二节、常用气体的特性
<2> 氯（CL2）
氯单质由两个氯原子构成，化学式为Cl2。气态氯 单质俗称氯气，液态氯单质俗称液氯。 在常温下，氯气是一种黄绿色、刺激性气味、有 毒的气体。压力为1.01×10Pa时，氯单质的沸点 为-34.4℃，熔点为-101.5℃。氯气可溶于水和碱 性溶液，易溶于二硫化碳和四氯化碳等有机溶剂， 饱和时1体积水溶解2体积氯气。密度为3.214克/ 升。熔点-100.98℃，沸点为零下34.6摄氏度。化 合价-1、+1、+3、+5和+7。有毒，剧烈窒息性 臭味。电离能12.967电子伏特，具有强的氧化能 力，能与有机物和无机物进行取代和加成反应； 同许多金属和非金属能直接起反应。
第四章 压力容器常用介质及其危害
3.65 3.35 3.25
15.35 16.40 18.75
6.0 5.45
13.4 13.5
600 700
100
第二节 介质的燃烧特性和防火技术 （2）初始压力
压力对爆炸上限的影响十分显著，对下限的影响 较小。压力增加爆炸极限范围随之扩大。这是因为 系统压力增加，气体分子间距离缩小，碰撞概率增 加，使燃烧容易进行。压力下降，则气体分子间距 离拉大，爆炸极限范围会变小。
（4）容器
容器的材质和尺寸等对爆炸极限均有影响。试验表明，容器管道的直径 越小，则爆炸范围缩小，当管径小到一定程度时，火焰就不能通过，这 一间距叫临界直径，也称最大灭火间距、阻火直径。 容器材质对爆炸极限也有很大影响，如氢气与氟气在玻璃器皿中混 合，即使在液态空气温度下，置于黑暗之中也会爆炸，而在银器之中， 常温下就发生反应。
UEL(%)
14.0 12.5 9.5 8.5 8.4 10.3 22.0 75.0 74.0 28.0
LEL(%)
5.3 3.0 2.2 1.8 1.8 2.4 4.0 4.0 12.5 15.0
UEL(%)
61.0 66.0 55.0 49.0 48.0 53.0 70.0 94.0 94.0 79.0
第三节 压力容器常用气体的分类及其特性
一、气体的分类： 1. 按燃烧性分：易燃气体、助燃气体、不可燃气体。 2. 按毒性程度分： ①极度危害介质、②高度危害介质、 ③中毒危害介质、④轻度危害介质 3. 按临界温度分： ①压缩气体（tc＜-10℃）、 ②高压液化气体（-10℃≤tc≤70℃） ③低压液化气体（tc＞70℃） 表
二、常见气体的特性 1.压缩气体 2.液化气体 a.高压液化气体 b.低压液化气体 3.溶解气体
4.6 压力容器设计技术进展——【过程设备设计】
过程设备设计第四章 压力容器设计 CHAPTER Ⅳ Design of Pressure Vessel4.6 压力容器设计技术进展14.6 压力容器设计技术进展过程设备设计4.1 概述 4.2 设计准则 4.3 常规设计 4.4 分析设计 4.5 疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展4.6.1 可靠性设计 4.6.2 优化设计 4.6.3 计算机辅助设计24.6 压力容器设计技术进展过程设备设计4.6 压力容器设计技术进展教学重点： 新的设计思想的介绍。
教学难点： 无。
34.6 压力容器设计技术进展4.6 压力容器设计技术进展过程设备设计简要介绍压力容器的可靠性设计 优化设计 计算机辅助设计44.6 压力容器设计技术进展4.6.1 可靠性设计过程设备设计设计参数：强度指标、零部件的尺寸、所受的载荷等。
目前设计状况：把各种参数作为确定量，忽略了由于各 种条件的变化而使这些参数发生变化的 随机因素。
导致设计的压力容器及零部件的结构尺寸偏大， 造成不必要的浪费。
54.6 压力容器设计技术进展4.6.1 可靠性设计（续）可靠性设计定义：过程设备设计设计中考虑各种随机因素的影响，将全部或部分 参数作为随机变量处理，对其进行统计分析并建立统 计模型，运用概率统计方法进行设计计算，全面描述 设计对象，使结果更符合实际情况。
特点：用概率统计方法进行设计64.6 压力容器设计技术进展 4.6.1 可靠性设计（续）可靠性设计的几个概念：过程设备设计（1） 失效可能：可靠性设计中，认为所设计的对象总存在 着一定的失效可能。
（2） 应力：施加于装置或零部件上的物理量，如各种机械 载荷、热载荷、介质特性等，所有可能引起设计对 象失效的因素，一概称之为应力。
（3） 强度或抗力：所有阻止设计对象失效的因素，即装置 或零部件能够承受这种应力的程度称为强度或抗力。
判据：应力作用效果大于强度，则设计对象失效；反之，设计对象可靠。
1-压力容器技术进展(中英文)
压力容器技术进展中国特种设备检测研究院寿比南摘要：近期欧洲和美国相继颁布了新的承压设备标准，特别是在压力容器领域，欧洲的EN13445[1]和美国的ASME VIII-2 2007[2]全面整理和改编了原有的技术内容，在大规模研究的基础上提出了全新的压力容器建造理念和设计方法。
本文将简要介绍目前压力容器技术的技术进展，同时讨论我国压力容器设计技术领域的发展方向和需要深入研究的课题。
关键词：压力容器技术进展一、引言世界已经进入了经济全球化的发展时期，经济全球化的一个必然趋势是标准的国际化。
随着国际资本进入中国建设大型工程装置和国内企业扩大生产装置能力，国际化的工程项目给我国的压力容器行业带来了国际上最先进的技术和管理模式，已经不可避免地给我国的压力容器行业提出了国际竞争,建造大型和高参数压力容器的机会与挑战。
事实上这些装置的建设需求是压力容器行业发展的动力，是发展我国压力容器行业的最好时机，也是和世界先进技术和管理方式融合的最好时机。
因此研究压力容器建造技术和使用最先进的技术手段，提高国家的整体国际竞争力是目前行业关注的焦点。
压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。
随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别是以计算机技术为代表的信息技术的飞速发展，带动了相关产业的发展，在世界各国投入了大量人力物力进行深入的研究的基础上，压力容器技术领域也取得了相应的进展。
为了生产和使用更安全、更具有经济性的压力容器产品，传统的设计、制造、焊接和检验方法已经和正在不同程度地为新技术、新产品所代替，而冶金、机械加工、焊接和无损检测等压力容器相关行业的技术进步，是压力容器行业整体技术水平提高的前提条件。
技术发展的动力在于经济的竞争。
经济全球化和激烈的竞争使得世界各国必须考虑压力容器的安全性和经济性的和谐统一，因此新的设计、建造方法不断出现，对压力容器的技术研究也在不断深入。
第四章压力容器常用介质及特性
相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分 关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡 状态，因而是在一定温度、成分条件下热力学 最稳定、自由能最低的状态。
物质的三态中的任何一种聚集状态，都只能在 一定的条件下存在，当条件发生变化时，物质 分子间的相互位置就会发生相应的变化，即表 现为相变。
每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无 论怎样增大压强，气态物质不会液化，这个温度就 是临界温度。LNG的临界温度为-82.3 ℃。
临界压力：
要使物质液化，首先要设法达到它自身的临界温度。 有些物质如氨、二氧化碳等，它们的临界温度高于 或接近室温，对这样的物质在常温下很容易压缩成 液体。有些物质如氧、氮、氢、氦等的临界温度很 低，其中氦气的临界温度为零下268 ℃。在临界温 度下，使气体液化所必需的压力叫做临界压力。 LNG的临界压力为45.8kg/cm³。
二 、常用气体的分类及特性
第一节、气体的分类 第二节、常用气体的特性
第一节、气体的分类
压力容器中气体的分类很多，这里按其燃烧性、 毒性、临界温度来划分。 1、燃烧性：易燃、助燃、不可燃； 2、毒性：剧毒、有毒、无毒； 3、临界温度：压缩气体、高压液化气体、低压液 化气体、溶解气体等。
临界温度小于-10℃的为永久气体； 临界温度大于或等于-10℃，且小于或等于70℃ 的为高压液化气体； 临界温度大于70℃的为低压液化气体。 注：《固定式压力容器安全技术监察规程》 TSG
一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合 ，进而使血红蛋白不能与氧气结合，从而引起机 体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡。因此一氧 化碳具有毒性。
一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略 而致中毒。车间空气中一氧化碳的最高容许含量
压力容器技术进展
压力容器技术进展北京化工大学机械工程学院CAE中心徐鸿2006—5—121.引言压力容器技术是从上个世纪初叶开始发展的一门应用技术.这门技术的主要目标是处理好压力容器中安全与经济这对矛盾。
经过上个世纪的发展，现代压力容器技术已成为一门涉及设计、材料、制造、检验、使用和管理等多种技术领域的综合技术.压力容器技术的发展主要取决于两方面的因素：(1）经济发展对能源和人造（合成）新材料的需要；（2）相关科学技术的发展与进步。
不是仅仅取决于单项相关科学技术的发展,而是取决于多项相关科学技术的集成，也就是说，只有各相关科学技术的协调发展才能有效地促进压力容器技术的进步。
2。
压力容器的设计与安全分析计算机技术介入压力容器的设计与安全分析，使压力容器的设计与分析发生了革命性的变化。
2.1 常规设计效率大大提高(1）按常规设计规范的压力容器设计计算已有计算机软件可用，软件带有丰富的数据库，并有自动纠错功能，还可将结果直接打印成完整的设计计算书；(2）铅笔—图版—丁字尺的制图方式已被CAD技术所淘汰，CAD软件带有丰富的图形库和数据库,设计制图的效率与质量都有极大的提高。
2。
2 设计的一大进展还体现在安全系数的降低上：美国 n b 由4。
0降至3。
5；欧洲 n b，min= 1.875；我国正在研究将 n b 降至2。
6.安全系数的降低反映了下列多方面的技术进展:结构分析水平的提高;制造技术的提高；更严格的材料技术要求；更科学的质保体系等。
2。
3 分析设计能更理性地处理安全与经济这对矛盾（1）计算机和有限元分析法的发展使基于应力分析的压力容器分析设计成为可能。
比常规设计法更为理性化的分析设计法对压力容器的安全与经济这对矛盾处理得更好,可在保证容器更安全（例如，可预测容器在多种工况下的性能，使得在设计阶段就可消除将来可能发生的许多问题；可预防塑性铰失稳、塑性疲劳、棘轮效应和疲劳断裂等失效的出现）的条件下达到壁厚更薄、重量更轻、成本更低的目的；还可进行结构优化分析，使容器结构更为合理。
压力容器技术进展第四章
21
压力容器技术进展
容器的交变载荷来自压力的波 动、开停工的压力交流；温度的交 变形成温差应力的交变；外加载荷
现代设计技术
的交变以及强迫振动等。另一方面
容器结构上存在局部结构不连续引 起应力集中，尤其当形成局部塑性
区时，往往是萌生疲劳裂纹和引起
容器疲劳破坏的源区。
局部塑性区内的高应变，在交变 载荷下将发生交变的塑性应变， 因此容器疲劳破坏时的循环周次 都很低。循环数在102～105次发 生破坏的称为低循环疲劳，105 次以上的则称为高循环疲劳。
10
压力容器技术进展
二、容器的应力分类
化工容器中的应力进行分类的基本原则是：
现代设计技术
①应力产生的原因，是外载荷直接产生的还是在变形 协调过程中产生的； ②应力的分布，是总体范围还是局部范围的，沿壁厚 的分布是均匀的还是线性的或非线性的； ③对失效的影响，即是否会造成结构过度的变形，及 是否导致疲劳、韧性失效。 应力分类法将容器中的应力分为三大类：①一次应力； ②二次应力；③峰值应力。
叠加。
18
压力容器技术进展
(3)
现代设计技术
应力分类
各部位在各种载荷作用下的应力分析后可将应力按
P (Pm、PL、Pb)、Q及F进行分类。注意，这里的P、Q、F所代表的 是应力分类的类别符号，不只表示一个量，每类应力各有6个应力分
量(其中有的应力分量亦可以为零)，每一校核点的应力均应为三个
法向应力(x、、z )和三个切应力(x、z、zx)为一组的6个应 力分量。而叠加是指同种应力分量的向量叠加。应力分类是针对每 组应力分量的，同种应力进行叠加。按容器的r、 、z取向，可将 剪应力忽略不计，剩下的三个法向应力即为主应力。
第四章 我国压力容器标准内容介绍
p 1.6MPa, t 0 ~ 350 0 C , 20 mm
Q235-C机械性能和化学成分都必须保证
p 2.5MPa, t 0 ~ 350 0 C, 20 mm
4.1.3内压圆筒与内压球壳公式适用范围 1.圆筒壁厚计算公式
c
2 p c
t
p c Di
p 通常设计爆破压力pb， min , pmax (1 5 0 0 ) pb
对LC,LF正拱带槽（开缝）爆破片 对YD,YC等反拱类爆破片
p min 1.25 p w
pmin 1.1 p w
安全附件设计压力Pb与设备设计压力Pd关系
容器设计压力p d 安全附件设计压力pb
(3)计算压力 p c 在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液 柱静压力，当液柱静压力小于5％设计压力时忽略液柱 产生的压力 计算压力=设计压力+液柱静压力
p c p d h
（4）试验压力：压力试验时，容器顶部压力。 （5）设计温度：在正常工作时，元件沿金属截面平均温度， 通常内部温度 （6）试验温度：压力试验时，壳体金属温度。试验时对试 验液体温度进行限制。 （7）计算厚度δc：用计算压力按相应壁厚设计公式得到的 厚度。 （8）设计厚度δd :计算厚度δc加腐蚀余量C1 （9）名义厚度δn :设计厚度δd加上钢板负偏差C2向上圆整 到钢板标准规格厚度 （10）有效厚度δe: δe= δn －C1 －C2
（13）壳体最小厚度（按刚度考虑） a.碳钢，低碳钢大于等于3mm b.高合金钢大于等于2mm (14)许用应力 碳素钢，低合金钢:
b s st Dt nt
3 1.6 1.6 1.5 1.0 , , , ,
4.1外压容器设计-I 临界压力
7
第一节 概述
三、外压容器的设计参数 1、设计压力和液压试验压力
试验压力PT：
不带夹套的外压容器，按内压试验；
，MPa 1 . 25 P PT max t P 0.1，MPa
带夹套外压容器，夹套试验压力按外压容器，但必须校核内筒 的稳定性； 真空容器以内压作压力试验；
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第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力
(一)未加强圆筒的临界压力
Mises在1914年按线性小挠度理论导出短圆筒的临界压力公式：
K
4.1 外压容器设计-I 临界压力的计 算
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第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
二、受均布侧向外压的短圆筒的临Fra bibliotek压力(一)未加强圆筒的临界压力
Pcr－临界压力，MPa m－稳定系数， 我国钢制压力容器标准取m=3
4.1 外压容器设计-I 临界压力的计 算
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第一节 概述
三、外压容器的设计参数 外压容器的设计参数
1、设计压力和液压试验压力
设计压力P设：≥ 正常工作过程中可能产生的最大内外压差。 真空容器：有安全装置，取（1.25×Pmax，0.1MPa）中的 较小值；无安全装置，取0.1MPa 夹套容器：内部真空，真空容器设计压力＋夹套设计压力； 考虑容器可能出现的最大压差的危险工况。如内筒 泄漏、夹套液压试验等工况…
这是短圆筒的最小临界压力
4.1 外压容器设计-I 临界压力的计 算
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第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力 (二)临界长度
《压力容器破裂形式》PPT课件
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氢损伤
由于氢渗进金属内部而造成的金属性能恶化的现象称 为氢损伤，也称为氢破坏
氢鼓包 由于氢进入金属内部而产生，结果造成局部 变形，甚至器壁遭到破坏
断裂阶段 ——应力超过了材料的强度极限后，材 料将发生断裂
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2
脆性断裂与韧性断裂
• 脆性：韧度低（brittle） • 韧性：韧度高（ductile） • 脆性断裂：断裂前无明显塑性变形（无颈缩） • 韧性断裂：断裂前有明显塑性变形（有颈缩）
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韧性断裂：断裂前有明显塑性变形
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中海化学天野分公司C炉水冷壁炉管材质劣化
管内跑酸导致氢 腐蚀，其表现为 脱碳和开裂
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北京东方化工厂裂解炉炉管大量活动性裂纹
外表面
内表面
露点工况下的氯离子应力腐蚀
端面
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脱碳和开裂
脱碳分层线
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晶间腐蚀
金属的腐蚀局限在晶界或者在晶界附近，而 晶粒本身的腐蚀较小的一种腐蚀形态称为晶界腐 蚀。这种腐蚀造成晶粒脱落，使容器材料的强度 和伸长率显著下降，但仍保持原有的金属光泽而 不易被发现，故危害很大。比如奥氏体不锈钢中 的晶界腐蚀。
※容器脆断时，常裂成碎片并飞出，其结果要比韧 性破坏严重的多
※厚壁容器和较低温度的容器最易发生脆性破坏， 且断裂时名义应力很低，常低于材料的屈服极限。
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脆 性 破 坏
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压力容器技术进展
(二)容器不需作疲劳分析的规定
现代设计技术
③容器上包括接管的任何相邻两点间温度差的变化的有效次数，这里 的有效次数是指金属温度差变化的次数乘以从下表查得相应系数值 之积的和。
④当构件是由膨胀系数不同的材料焊接而成时，则应计及当温度升高 DT的(a1—a2)，DT值超过0.00034时的温度循环次数，此条件不适 用于复合材料，a1及a2为两种材料在平均温度下的线膨胀系数。 这四种情况的总循环次数不超过1000次(或400次)是绝不会发生 疲劳损坏的，这样计算已是很保守的了，例如它是假设结构 的应力集中系数Kt＝6作为分析前提的。
循环下的允许应力幅(若以全幅应力循环计时，则允许的
峰值应力强度应为2Sa)。
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压力容器技术进展
现代设计技术
结构在交变载荷下会发生疲劳破坏，这是19世纪末 已被重视的问题，早就形成了疲劳设计方法。但由于受压 容器的疲劳破坏特别容易发生在接管根部等出现塑性应变 的高应变区，破坏的循环周次都很低，称为“低循环疲 劳”。低循环疲劳有其特殊的规律，形成了不同于高循环 情况的容器防低循环破坏的设计方法。 疲劳设计需进行详细的应力分析，必须采用应力分 类的方法进行设计，因此容器的疲劳设计也是分析设计法 的一个重要组成部分。
第四章
压力容器的 现代设计技术
1
压力容器的发展简要回顾
James Watt (1736-1819)
2
大型化 化工及石油化工 发展的需求
高参数 高强材料
3
近代压力容器的发展趋势-大型化,高参数
核电站一个 1500MW压水堆压力壳，工
高温蠕变
作压力为 15MPa，工作温度为 300º C， 高参数 大型化 容器内直径 7800mm，壁厚 317 mm， 重650吨；
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压力容器技术进展
二、容器的应力分类 (一) 一次应力P(Primary stress)
现代设计技术
一次应力P也称基本应力，是为平衡压力和其他机械载 荷所必需的法向应力或剪应力，可由与外载荷的平衡 关系求得，由此一次应力必然直接随外载荷的增加而 增加。 对于理想塑性材料，载荷达到极限状态时即使载荷不 再增加，仍会产生不可限制的塑性流动，直至破坏。 这就是一次应力的“非自限性”特征。
应从产生应力的原因、作用的部位及对失效的影响几方面将 容器中的应力进行合理的分类，形成了“应力分类”的概念
和相应的工程设计方法。
按不同类别的应力可能引起的失效模式建立起弹性失效、塑 性失效、弹塑性失效及疲劳失效的设计与校核方法，并给出
不同的应力限制条件。这就是应力分析设计的总体思想。
这套方法的基础首先要对容器中关键部位逐一进行应力分析， 然后才能进行应力分类。
(4)
计算应力强度
将应力按各向叠加和分类后的应力分量求得组
合后的最大主应力和最小主应力，按第三强度理论求出各校核部位 的最大应力强度，或称组合应力强度(S)，以待进行强度校核。
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(5)
现代设计技术
应力强度校核
进行各个单项及组合应力强度S的
校核，
Pm的应力强度SI≤KSm， PL的SII≤1.5KSm，
封头与筒体连接 处存在较大的不 连续应力，但爆 破不从这里开始
不同的应力引起容 器失效的形式不同。
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压力容器技术进展
现代设计技术
内压产生的应力使容器在总体范围内发生弹性失效或塑性失效， 即膜应力可使筒体屈服变形，以致爆破。外压引起总体刚性失稳， 即形状失稳。 其他机械载荷产生的局部应力使容器发生局部范围弹性失效或塑 性失效。 总体结构不连续应力，由于相邻部位存在相互约束，可能使部分 材料屈服进入弹塑性状态，可造成弹塑性失效。 总体热应力也会造成容器的弹塑性失效。 应力集中(局部结构不连续)及局部热应力使局部材料屈服，虽然 可以造成弹塑性失效，但只涉及范围极小的局部，不会造成容器 过度变形。 在交变载荷作用下，这种应力再叠加上压力载荷的应力及不连续 应力会使容器出现疲劳裂纹，主要危害是导致疲劳失效。
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容器的交变载荷来自压力的波 动、开停工的压力交流；温度的交 变形成温差应力的交变；外加载荷
现代设计技术
的交变以及强迫振动等。另一方面
容器结构上存在局部结构不连续引 起应力集中，尤其当形成局部塑性
区时，往往是萌生疲劳裂纹和引起
容器疲劳破坏的源区。
局部塑性区内的高应变，在交变 载荷下将发生交变的塑性应变， 因此容器疲劳破坏时的循环周次 都很低。循环数在102～105次发 生破坏的称为低循环疲劳，105 次以上的则称为高循环疲劳。
第六章 压力容器设计技术进展 12
压力容器技术进展
现代设计技术
二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)——一次应力还可以再分
为如下三种： 一次总体薄膜应力Pm(General primary membrane stress) 一次弯曲应力Pm(Primary bending stress)
一次局部薄膜应力PL (General local membrane stress)
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(二) 二次应力Q (Secondary stress)
现代设计技术
二次应力Q是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所 引起的法向应力或切应力，基本特征是具有自限性。 筒体与端盖的连接部位存在“相邻部件”的约束，厚 壁容器内外壁存在温差时就形成“自身约束”。二次 应力不是由外载荷直接产生的，不是为平衡外载荷所 必需的，而是在受载时在变形协调中产生的。当约束 部位发生局部的屈服和小量的塑性流动使变形得到协 调，产生这种应力的原因(变形差)便得到满足与缓和。 亦即应力和变形也受到结构自身的抑制而不发展，这 就是自限性。
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压力容器技术进展
现代设计技术
容器不需作疲劳分析的规定 疲劳分析是在应力分析基础上进行的，设计成本较高， 不是所有承受交变载荷的容器都需作疲劳分析。ASMEⅧ2 (ADl60-2节)及中国疲劳设计规范都从很保守的角度作出 具体规定，例如对材料抗拉强度不超过550MPa的容器， 若下列四条中的总循环数对于容器整体部分(包括整体补强 的接管)不超过1000次，对于非整体结构的部件(例如带补 强板的接管)不超过400次时，可以不作疲劳分析。 ①压力全幅度循环的预期(设计)次数，包括起动和停车。 ②压力变化幅度超过设计压力的20％的循环次数，大气 压波动的影响不需考虑。
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(二) 二次应力Q (Secondary stress)
二次应力的例子有： ①总体结构不连续部位，如筒体与 封头、筒体或封头与法兰连接处的 不连续应力中的弯曲应力属二次应 力； ②总体热应力，如圆筒壳中轴向温 度梯度所引起的热应力，由接管和 与之相接壳体间的温差所引起的热 应力，由壳壁径向温差引起的热应 力的当量线性分量以及厚壁容器由 压力产生的应力梯度，这些都属于 二次应力。
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压力容器技术进展
现代设计技术
应力分析设计的指导思想——容器上存在不同载荷及 不同的应力，而且对容器失效的影响又各不相同，因 此就应当更为科学地将应力进行分类，并按不同的失 效形式和设计准则进行应力强度校核。 分析设计法——按这种设计思想进行容器设计时必先 进行详细的应力分析，将各种外载荷或变形约束产生 的应力分别计算出来，然后进行应力分类，再按不同 的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种 形式的失效，这就是以应力分析为基础的设计方法。
煤气化液化装置中的压力容器工作压力
低应力脆断
为20MPa，工作温度为500º C，最大内
直径达5000mm，壁厚为 400 mm，重 2600吨；
炼油厂加氢反应器的直径达 4.5mm, 厚
疲劳问题
280mm, 重约1000吨。
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压力容器技术进展
化工容器的应力分析设计
现代设计技术
传统容器设计方法都基于弹性失效设计准则，将容器中 最大应力限制在弹性范围内可保证安全。这种“规则设计” 方法对设计的容器基本上是安全的，主要着眼于限制容器中 的最大薄膜应力或其他由机械载荷直接产生的弯曲应力及剪 应力等。这种方法仍是现今设计规范的主流。 但应当看到，这种设计方法对容器中的某些应力，例如
叠加。
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(3)
现代设计技术
应力分类
各部位在各种载荷作用下的应力分析后可将应力按
P (Pm、PL、Pb)、Q及F进行分类。注意，这里的P、Q、F所代表的 是应力分类的类别符号，不只表示一个量，每类应力各有6个应力分
量(其中有的应力分量亦可以为零)，每一校核点的应力均应为三个
法向应力(x、、z )和三个切应力(x、z、zx)为一组的6个应 力分量。而叠加是指同种应力分量的向量叠加。应力分类是针对每 组应力分量的，同种应力进行叠加。按容器的r、 、z取向，可将 剪应力忽略不计，剩下的三个法向应力即为主应力。
10
压力容器技术进展
二、容器的应力分类
化工容器中的应力进行分类的基本原则是：
现代设计技术
①应力产生的原因，是外载荷直接产生的还是在变形 协调过程中产生的； ②应力的分布，是总体范围还是局部范围的，沿壁厚 的分布是均匀的还是线性的或非线性的； ③对失效的影响，即是否会造成结构过度的变形，及 是否导致疲劳、韧性失效。 应力分类法将容器中的应力分为三大类：①一次应力； ②二次应力；③峰值应力。
PL+Pb的SIII≤1.5KSm。
PL+Pb+Q的SⅣ≤3Sm， PL+Pb+Q+F的SV≤Sa。
K为载荷的组合系数，即根据 压力、自重、内物料、配件重、 风载、地震载荷不同组合情况 的组合，按JB4732-95钢制压力 容器-分析设计标准，表3-3的 方法取K值。