第4章 对容器设计的安全要求

第四章对容器设计的安全要求4.1压力容器的设计方法目前，压力容器所采用的设计标准规范有两大类，一类是常规设计（Design by Rule)，以美国ASME—Ⅷ第一分篇《压力容器建造》和中国GB150《钢制压力容器》标准为代表；另一类是分析设计（Design by Analysis)，以美国ASME-Ⅷ第二分篇《压力容器建造----另一规则》和中国JB—4732《钢制压力容器----分析设计标准》为代表。

4.1.1常规设计常规设计是以弹性设计准则为基础，只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷处理，不涉及容器的疲劳问题，不考虑热应力。

它是以壳体的薄膜理论或材料力学方法导出容器及部件的设计计算式，给出了压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系。

但这些并不是建立在对容器及其部件进行详细的应力分析基础之上，例如容器筒体，是根据内压与筒壁上均匀分布的薄膜应力整体平衡推导而得，采用的是"中径公式"。

一般情况它仅考虑筒体中的平均应力，不考虑其他类型的应力（如弯曲应力〉，只要将平均应力值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为设备就是安全的。

实际上，当容器承载以后，在容器上结构不连续区域出现多种应力，常规设计在标准中对此只是根据经验做出规定，把局部应力粗略地控制在一个安全水平上，并在结构、选材、制造等方面提出要求来保证安全。

因此，从本质上讲常规设计是基于经验的设计方法。

压力容器在实际运行中所承受的载荷往往是多种多样的，不但有机械载荷，还有热载荷、周期性变化的载荷等，这使得无法用常规设计方法进行设计。

例如由于在容器中存在开孔、接管、支座、附件连接等局部不连续，器壁中应力分布很不均匀，局部应力有时比基于薄膜理论的设计公式算出的应力高出很多倍，许多容器事故都是由这种局部高应力引发的。

在设计上，如果按最大应力点达到屈服极限就算失效，把局部高应力限制在一倍的许用应力以下，那对其他广大的低应力区来说尚有很大承载潜力，材料没有充分发挥作用，设计是保守的。

若不考虑局部应力，只按薄膜应力进行计算，那又很不安全，应力集中区将会出现塑性变形，在反复载荷作用下还可能萌生裂纹，进而导致容器失效。

又如对具有热应力的容器，热应力对容器失效的影响是不能通过提高材料设计系数或加大厚度的办法来有效改善的，有时厚度的增加却起了相反的作用，因为厚壁容器的热应力会随厚度的增加而增大。

因此，必须从设计观念和设计方法上加以改变。

4.1.2分析设计"分析设计"放弃了传统的"弹性失效"准则，采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的"塑性失效"和"弹塑性失效"准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位做有限寿命设计。

进行压力容器分析设计时，必须先进行详细的应力分析，即通过解析法或数值方法，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，对各类应力借用塑性理论的基本概念与结论进行评定，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，简称分析设计。

分析设计可应用于承受各种载荷的任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。

采用"塑性失效"和"弹塑性失效"准则，可以较好地解决常规设计中所述的矛盾，合理地放松了对计算应力的过严限制，安全系数相对降低，许用应力相对提高。

压力容器存在的可能失效模式有：a.过量的弹性变形（包括弹性不稳定性)；b.过量的塑性变形；c.塑性不稳定——渐增性垮塌；d.高应变——低循环疲劳；e.脆性断裂；f.蠕变；g.应力腐蚀；h.腐蚀疲劳。

目前，分析设计涉及前4种失效模式。

4.1.2.1 极限分析极限分析认为结构上某一点达到屈服后该结构并没有失效，只有整体屈服达到所谓的极限状态才算失效。

极限分析假定结构所用材料为理想弹塑性材料，在某一载荷下结构进入整体或局部区域的全域屈服后，变形将无限制地增大，结构达到了它的极限承载能力，这种状态即为塑性失效的极限状态，使结构达到整体屈服的这一载荷称为极限载荷。

下面以纯弯曲梁为例进行分析说明。

设有一矩形截面梁，宽度为b ，高为h ，受弯矩M 作用，如图2-3(a)所示。

由材料力学可知，矩形截面梁在弹性情况下，截面应力呈线性分布，即上下表面处应力最大，一边受拉，一边受压。

最大应力为26bh M m =σ。

当ζm =ζs 时，梁的上下表面开始进入屈服[图2-3(b)]，此时达到了弹性失效状态，对应的载荷为弹性失效载荷，即62bh M s e σ=。

但从塑性失效观点看，此梁除上下表面材料屈服外，其余材料仍处于弹性状态，还可继续承载。

随着载荷增大，梁内弹性区减少，塑性区增大[图2-3(c )]。

当塑性区扩大到整个截面都达到屈服应力而处于极限状态[图2-3(d)]，由平衡关系可得此时极限载荷为42bh M s p σ=。

显然M p =1.5M e ，即塑性失效时的极限载荷为弹性失效时的载荷的1.5倍。

若按弹性应力分布计算，则极限载荷下的"虚拟应力"为s pbh M σσ5.162max ==上式说明，按照极限分析法，当最大弯曲应力达到1.5ζs 时，结构才处于极限状态。

计入安全系数后强度条件为][5.15.1max σσσ==s sn这就是一次弯曲应力可以取 1.5[ζ]为强度控制值的依据。

在受拉伸和弯曲组合应力作用时，即相当于弯曲应力和薄膜应力叠加时，其破坏应力是变化的，但为简化起见，都规定1.5[ζ]为强度控制值。

4.1.2.2 安定性分析极限分析是针对一次性加载（静载荷）情况，而安定性分析则是针对反复加载（交变载荷）情况。

若虚拟应力超过材料屈服点，局部高应力区由塑性区和弹性区两部分组成。

塑性区被弹性区包围，卸载时弹性区力图使塑性区恢复原状，从而在塑性区中出现残余压缩应力。

剩余压缩应力的大小与虚拟应力有关。

设结构由理想弹塑性材料制造，现根据虚拟应力ζ1的大小简单分析处于"安定"状态的条件。

图2-4表示理想弹塑性材料在其虚拟应力超过ζs 后的应力应变关系。

由图2-4(a)可知， 只要局部塑性变形小于屈服应变值εs 的两倍，或虚拟应力ζ1小于两倍屈服强度2ζs ，就只在第一次加载经OAB 时产生相当于AB 线段的塑性变形。

卸载沿BC 线，再次加载、卸载就一直沿CB 线变化了，一直处于弹性状态，没有塑性应变，只不过加载时应力是由具有残余压应力的C 点开始，先减至零，然后变为拉应力。

如果局部变形大于两倍屈服应变2εs 或虚拟应力超过2ζs[图2-4(b)]，这时加载经OAHD ，卸载沿DFG ，FG 为反向塑性变形。

以后的加载、卸载沿GH 和DF ，每一循环都有HD 与FG 的反复塑性变形。

反复塑性变形使材料变脆，不久将引起断裂，这对结构是不安定的。

设容器在总体结构不连续处存在较高的局部应力，其计算值超过材料的屈服极限。

如果是理想塑性材料，则当应力达到屈服极限ζs 后即不再增大，而应变则继续由εs,増加至ε，如图3 - 1 中的OAB线所示。

B点的应变为ε，与此相对应的计箅应力值为ζ=Eε。

当容器卸压时，应力下降，这段卸载的应力——应变线段的斜率与加载线相同，如图3-1中的BC线。

在C点处，拉应力巳降至零，但仍存在残余应变OC,其值等于ε- εs,，要使残余应变消失，则必须施加压应力E (ε- εs),应力应变过程如图中的CD线。

所以在容器卸压时，这一区域内存在残余压应力。

此后容器再次加压，则应变即由O至ε,而应力则由D开始，沿直线DCB达到B点，即残余压应力先减至零，然后变为拉应力。

以后容器在反复的加压和卸载过程中，应力应变过程始终如直线BCD所示，完全呈弹性状态，没有塑性应变。

但是，如果容器的局部应力过大，使应变ε超过屈服应变εs的两倍，如图3-1中的B'点，则当容器卸压时，应力沿B'C'线下降，当拉应力为零时，存在的残余应变（图中的OC'大于εs。

这样，即使施加数值等于材料的屈服极限ζs的压应力，残余应变仍存在，如图中的D'E线。

于是容器卸压时，在此区域内产生如D'E线所示的压缩屈服变形，称为反向屈服。

此后容器在不断的加压和卸压过程中，此一区域将不断地发生拉伸屈服变形与压缩屈服变形。

这种循环的塑性应变，可以在不太多的循环次数下，导致材料的破坏。

因此，要保持应力区域处于完全弹性状态，必须使最大应变ε保持在屈服应变εs的两倍的界限内，即最大计算应力值应不大于材料屈服极限的两倍。

如果一个结构经过几次反复加载过程，结构元件仅在第一次加载过程中出现一定量的塑性变形，以后不再出现塑性变形，也不会导致塑性变形的连续循环，构件处于弹性循环状态，即称为"安定"状态。

否则结构会在反复加载、卸载中引起新的塑性变形，那么塑性变形便不断积累，结构可能因塑性疲劳或大变形而发生破坏，这种状态被称为"不安定" 状态。

可见，保证结构"安定"的条件是ζ1≤2ζs，由于ζs≥1.5S m(S m—设计应力强度)，分析设计标准中，将一次加二次应力强度限制在3S m以内。

在做极限分析时可知，当外载荷一旦达到极限载荷，结构即成为几何可变机构而失去承载能力。

但当载荷达到安定载荷时只是损伤累积的开始，破坏是一个缓慢的过程。

因此，对“安定”不加安全系数，只要求施加的载荷小于安定载荷就可以了。

由于实际材料并非理想弹塑性材料，屈服后还有应变强化能力，因此上面由极限分析和安定性分析导出的应力限制条件是偏于保守的，使结构增加了一定的安全裕度。

4.1.2.3 疲劳分析及设计(1）疲劳分析随着石油化工和其他工业的迅速发展，许多压力容器要承受交变载荷，如频繁地开、停车以及压力波动、温度变化等，使得容器中应力随时间呈周期性（或无规则）变化（即所谓交变应力）。

生产规模的大型化和高参数（高压、高温、低温）也使得高强度材料广泛应用于压力容器。

这些因素的组合造成了压力容器发生疲劳失效的事故率增加，根据事故的统计分析可知，由于疲劳裂纹的扩展而造成疲劳破坏的事例约占压力容器破坏事例的40%左右。

因此，疲劳问题近年来引起了各国工程界和理论界的关注，许多技术先进的国家均在自己压力容器设计规范中，增加了相应的疲劳设计条款。

在分析设计中，由极限载荷分析可知，当外载荷小于极限载荷时，结构中的塑性变形是局部的、可控制的。

当外载荷大于极限载荷时，结构变成几何可变机构，失去承载能力；由安定性分析可知，当外载荷小于安定载荷时，结构除在初始载荷循环中出现塑性变形外，在以后的载荷循环中将保持为弹性行为，结构的寿命是无限的。