压力容器设计基础

主要容

1 基于失效模式的设计理念

2 压力容器设计准则

3 容器设计的基本概念

4 常见结构的设计计算方法

5 分析设计一应力分类法

1 基于失效模式的设计理念

1.1 容器的失效

1.2 失效模式分类

1.3 我国标准考虑的失效模式

1.4 失效模式

1.5 失效判据

1 基于失效模式的设计理念

压力容器的设计步骤

针对失效模式的设计理念成为压力容器设计标准的发展方向。压力容器的一般设计步骤为：

·确定容器最有可能发生的失效模式；

·选择适当的失效判据和设计准则；

·确定适用的设计规标准；

·按规标准要求进行设计和校核。

1.1 容器的失效

1）定义：压力容器在规定的使用环境和时间，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到包括功能和设计寿命等的现象，称为压力容器失效。

2）表现形式：破裂、过度变形、泄漏

3）引起原因：工艺条件、载荷、介质

1.2 失效模式分类

1）IS016528归为三大类、14种失效模式。

第一大类：短期失效模式：

第二大类：长期失效模式：

第三大类：循环失效模式：

2）《承压设备损伤模式识别》（GB/T30579－2014）

第1类：腐蚀减薄（25种）

第2类：环境开裂（13种）

第3类：材质劣化（15种）

第4类：机械损伤（11种）

第5类：其他损伤（9种）

1.3 我国标准所考虑的失效模式

1）GB 150 基于失效模式设计的考虑

脆性断裂（Brittle fracture）

韧性断裂（Ductile rupture）

蠕变断裂（Creep rupture）

接头泄露（Leakage at joints）

弹性或塑性失稳（Elastic or plastic instability）

2）JB/T4732基于失效模式设计的考虑

脆性断裂（Brittle fracture）

韧性断裂（Ductile rupture）

螺变断裂（Creep rupture）

疲劳（Patigue rupture）

接头泄漏（Leakage at joints）

弹性或塑性失稳（Elastic or plastic instability）

1.4 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），例如总体上大围鼓胀，或局部鼓胀，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。

2）韧性断裂

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。

3）脆性断裂

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。

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。

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）。

6）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。

7）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。

8）多模式交互作用失效

（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。

（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。

1.5 失效判据

失效判据一般不能直接用于压力容器的设计计算。（因为压力容器在材料、制造、检验、操作等环节中都存在许多不确定因素。这些不确定因素在失效判据中并未考虑进去）

在实际的工程设计中，常在失效判据的基础上引入安全系数以考虑上述不确定因素对实际失效的影响，从而得到与失效判据相对应的设计准则。

2 压力容器设计准则

失效准则（设计准则）

·一个问题的两个方面，采用何种设计准则就是采用何种失效准则的问题。

·一种设计上的共识，且经过实践验证的。

·防止某一（几）种失效模式发生，不意味着符合某种失效准则时容器就破