《压力容器基础知识》PPT课件.ppt

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1、1 D级压力容器设计审批人员培训 压力容器设计基础 压力容器强度理论 山东科技大学 机电学院： 胡效东 电话： 0532-80698108， 15806590709 电子邮箱： 二 一六年十月 2 内容简介 压力容器设计基础与强度理论 一、概述 二、强度设计的基本知识 三、压力容器强度理论 四 、 压力容器设计准则 五、压力容器设计基本内容 六、压力容器设计审核要点 2 3 一、概述 压力容器的设计，就是根据给定的性能要求、工 艺参数和操作条件，确定容器的结构型式，选择 合适的材料，计算容器主要受压元件的尺寸，最 后给出容器及其零部件的图纸和计算书，并提出 相应的技术条件。 正确、完整的设计应

2、达到保证完成工艺生产，运 行安全可靠，保证使用寿命、制造、检验检测、 安装、操作及维修方便易行，经济合理等要求。 3 4 一、概述 压力容器设计中的关键问题是力学问题， 即强度、刚度及稳定性问题。 在本节中，主要讨论压力容器设计中的有 关强度问题。 4 5 强度 强度：就是结构在外载荷作用下，会不会因应力过大而发 生破裂或者由于过度性变形而丧失其功用。 具体来讲，就是在外载荷作用下，容器结构内产生的应力 不大于材料的许用应力值，即： K t 公式（ 1） 这个公式就是强度问题的基本表达式。压力容器的设计计 算就是围绕这一关系式而进行的。 公式 （ 1） 中的左端项是结构内的应力，它是我们最为

3、关心的问题。 求解结构的应力状态，是一个十分复杂的问题。 5 6 强度 常用的方法有解析法（如弹性力学法、弹塑性分 析法等）、试验法（如电阻应变计测量法、光弹 法、云纹法等）及数值解法（如有限元法、边界 元法等）。 应用这些方法可以精确或近似地求出结构的应力， 然而，每一种结构的应力都有其特殊性 目前可求解的只是问题的绝大部分，仍有许多复 杂结构的应力分析有待人们进一步探讨。 6 7 强度 一点的应力状态最多可含有 6个应力分量 ， 哪个应 力起主要作用 ， 对失效起什么作用 ， 如何控制才 不致发生破坏 ， 解决这一问题 ， 就要选择相应的 强度理论计算当量应力 ， 以便与单向拉伸试验得 到

4、的许用应力相比较 ， 将应力控制在许可范围内 。 对它们如何控制才不致发生破坏 ， 解决这一问题 ， 就要选择相应的强度理论计算当量应力 ， 以便与 单向拉伸试验得到的许用应力相比较 ， 将应力控 制在许可的范围内 。 7 8 强度 K t 公式（ 1） 公式（ 1）中的右端项是强度控制指标，即材料的 许用应力。 它涉及到材料强度指标（如抗拉强度 b、屈服强 度 s 等）的确定及安全系数的选用等问题。 当采用常规设计法，且只考虑静载问题时，系数 K=1.0；如果考虑动载荷，或采用应力分析设计法， K1.0 ，此时设计计算将更加复杂。 8 9 强度 把强度理论（公式 (1)）具体应用到压力容器专

5、业， 就称这为压力容器的强度理论， 它又增加了一些具体的规定和特殊要求，由此产 生了一系列容器的设计规定和标准等。 9 10 强度 1、强度设计的任务： 内压容器的强度设计包含设备的壁厚设计 和在用设备的强度校核两方面。 1）设计型计算 根据给定的公称直径以及设 计压力和温度，设计出合适的壁厚，以保证设备 安全可靠。 2）校核型计算 根据已有的设备公称直径以 及工作压力和温度，判断设备的使用安全性。 10 11 强度 2 、内压薄壁圆筒与封头的强度计算公式，以壳体无 力矩理论为推导基础，其推导过程如下： 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态 下的主应力； 根据弹性失效的设计准则，应用强度

6、理论确定应 力的强度判据； 对封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影 响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数。 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具 体的计算公式。 11 12 二、强度设计的基本知识 1、关于弹性失效的设计准则 设计压力容器时，为了保证结构安全可靠的工 作，必须留有一定的安全裕度，即强度安全条件： 12 n 0 当 13 二、强度设计的基本知识 2、强度理论及其相应的强度条件 借助于强度理论，将二向和三向应力状态转换 成单向拉伸应力状态的相当应力，同时须解决两 个问题： 13 2 1 1 2 2 1 2 1 3 3 二项应力状态与三项应力状态 14 二、强度设

7、计的基本知识 根据应力状态确定主应力； 确定材料的许用应力。 对承受均匀内压的薄壁容器，其主应力为： 14 0 4 2 3 2 1 r m S pD S pD 15 三、压力容器强度理论 1、 第一强度理论 （ 最大主应力理论 ） 及相应的强度 条件 第一强度理论认为在三向应力中 ， 若最大应力小 于许用应力 ， 则安全 。 其强度条件为： 15 S pD 2 1当 16 三、压力容器强度理论 2、 第二强度理论 （ 最大线应变理论 ） 及相应的强 度条件 第二强度理论认为在三向应力中 ， 若最大 线应变小于许用应变 ， 则安全 。 其强度条件为： 16 321 17 三、压力容器强度理论 3

8、、 第三强度理论 （ 最大剪应力理论 ） 及相应的强度条件 第三强度理论认为最大剪应力 （ 1 3） 是引 起材料屈服破坏的主要因素 。 其强度条件为： 17 S pD S pD 20231 当 S pD 2当 18 三、压力容器强度理论 4、第四强度理论（形状改变比能理论）及相应强度条件 第四强度理论认为设备构件受外力产生弹性变形时， 物体内部也就积蓄了能量，即变形能。 单位变形体体积内所积蓄的变形能称为变形比能。 当构件变形比能达到材料的极限值时，会引起屈服破坏。 其相应的强度条件： 18 2 13 2 32 2 21 2 1 当 19 三、压力容器强度理论 适用性： 第一强度理论适用于脆

9、性材料； 第二强度理论经试验验证不适于金属 材料，一直没有得到工程应用； 第三、第四强度理论适用于塑性材料。 19 20 三、压力容器强度理论 强度理论及其应用 在对结构进行强度分析时，要对危险点处于 复杂应力状态的构件进行强度计算，首先要知道是什 么因素使材料发生某一类型破坏的。 长期以来，人们根据对材料破坏现象的分析，提出了 各种各样的假说，认为材料的某一类型破坏现象是由 哪些因素所引起的，这种假说通常就称为强度理论。 一种类型的破坏是脆性断裂破坏，第一、二强度理论 依据于它； 一种类型的破坏是塑性流动破坏，第三、四强度理论 以此为依据。 20 21 三、压力容器强度理论 根据不同的强度理

10、论可以得到复杂应力状况下三 个元应力的某种组合， 这种组合应力 xd和轴向拉伸时的单向拉应力在 安全程度上是相当的，具有可比性， 可以与单向屈服应力相比较而得出强度条件，因 此，通常称 xd为相当应力或当量应力。 21 22 三、压力容器强度理论 第一强度理论 最大主应力理论：认为最大主应 力 1是引起材料断裂破坏的因素。 即认为不论在什么样的应力状态下，只要构件内 一点处的三个主应力中最大的主应力 1达到材料 的极限值，就会引起材料的断裂破坏。 22 23 三、压力容器强度理论 第二强度理论 最大伸长线应变理论 ， 认为最大 伸长线应变 1是引起材料断破坏的因素 。 即认为不论在什么样的应力

11、状态下 ， 只要构件内 一点处的最大伸长线应变 1 达到材料的极限值 ， 就会引起材料的破坏 。 23 24 三、压力容器强度理论 第三强度理论 最大剪应力理论：认为最 大剪应力 max 是引起材料流动破坏的因素。 即认为不论在什么样的应力状态下，只要 构件内一点处的最大剪应力 max达到材料 的极限值，就会引起材料的流动破坏。 24 25 三、压力容器强度理论 第四强度理论 形状改变比能理论：认为形状改 变比能 ux是引起材料流动破坏的因素 。 即认为不 论在什么样的应力状态下 ， 只要构件内一点处的 形状改变比能 ux达到材料的极限值 ， 就会引起材 料的流动破坏 25 26 三、压力容器

12、强度理论 利用这四个强度理论，就可以在复杂应力状态下， 求出可与单向屈服应力相比较的当量应力，建立强度 条件关系式（公式（ 1），进而推导出结构的设计 公式。 一般地说第一、二强度理论适用于脆断情况，但第二 强度理论与实际相差比较远，应用不多，第三、四强 度理论则适用于塑性流动断裂情况。 从计算简便上看，压力容器的设计多采第一或第三强 度理论。在压力容器规范设计（常规设计）法中，主 要应用第一强度理论，而在应力分析设计法中，主要 应用第三强度理论。 26 27 三、压力容器强度理论 第一强度理论首先由上世纪 30年代为 ASME规范所采用， 用于容器设计。 实际上用该理论处理塑性韧性较好的材料

13、是存在工程 的不合理因素的，由于容器壳体外径与内径比值不大， 误差也相对较小，而且公式又相对简单 所以目前 ASME第 卷第 l分篇、 JIS 8265以及我国压 力容器规则设计标准 GB150仍然采用此强度理论，但 对锥壳过渡段、开孔补强以及平封头等复杂结构需要 进行修正。 27 28 压力容器设计准则 1、失效准则 失效准则即判断结构是否失效的一个衡量标准，失效准则 的选用决定了容器设计的安全系数大小、应力分析的精度要求 及限制条件、材料的选用及制造检验的控制程度等，是容器设 计体系的基础。 目前，已提出的失效准则主要有三个： 弹性失效准则 塑性失效准则 爆破失效准则。 常规设计法采用弹性

14、失效准则，而应力分析设计法则采用塑性 失效准则。 29 压力容器设计准则 弹性失效准则的内容是： 该失效准则认为：承受外载荷作用的构件 ， 只要 有一点进入屈服状态 ， 或称该点受应力作用而使 材料产生塑性流动 ， 即认为该结构失去继续承载 的能力而失效 。 压力容器规则设计标准 (GB 150)主要采用弹性失 效准则 。 29 30 压力容器设计准则 而塑性失效准则认为 :承受外载荷作用的构件整个 截面进入塑性状态 ， 产生了使整体结构发生不可控 变形的塑性铰结构 ， 达到了结构的极限承载状态 。 这个准则在工程上得到了广泛的应用 ， 如 ASME第 卷第 2分篇 、 ENI3445的分析设

15、计篇 、 我国的锅炉建 造标准 GB 9222以及 JB 4732中都得到了应用 。 30 31 压力容器设计准则 爆破失效准则：该失效准则认为 ， 尽管按塑性失效 准则当结构某个截面整体进入屈服状态 (极限状态 ) 而失去承载能力 ， 但考虑到材料屈服后的应变强化 特性 ， 结构仍能继续承载 ， 直至结构发生断裂破坏 才失去承载能力 。 爆破失效准则在超高压容器设计中得到了应用 。 如 我国的 超高压容器安全技术监察规程 即采用爆 破失效准则实现超高压容器的设计 。 31 32 压力容器设计准则 2、 安全系数与许用应力 通过材料拉伸试验测定的材料强度指标 ， 如屈服 强度 s、 抗拉强度

16、b等 ， 和受压元件实际状态 间有较大的差异 ， 不能用它们直接代表受压元件 的强度 ， 安全系数是将二者联系起来的系数 ， 是为了在使 用期间 ， 对可能损害压力容器的各种因素提供适 当的安全裕度 。 32 33 压力容器设计准则 安全系数是机械工程中有关材料安全裕度的一种传 统、经典的表示方法，其定义为极限应力 (抗拉强 度、屈服强度等 )与设计应力之比。 压力容器安全系数在技术规范中指的是“确定材料 许用应力的系数”，这是一个约定成俗的习惯用语， 因为这个安全系数中并没有包含所有的失效模式， 只是针对韧性断裂、超量变形和高温蠕变等几个特 定的失效模式所给出的安全裕度，所以并不可能代 表压

17、力容器的安全性能。 33 34 压力容器设计准则 事实上 ， 在标准的制定中对于所涉及到的下列失 效模式 ， 标准均要考虑相应的安全系数： 1) 以韧性断裂的强度失效： 2) 以低温脆断为代表的脆性断裂失效； 3) 以法兰接头泄漏为代表的接头泄漏失效； 4) 以高温材料性能退化为代表的高温蠕变失效； 5) 以结构失稳为代表的弹性和塑性失稳失效； 6) 疲劳失效等 。 34 35 压力容器设计准则 安全系数的确定和国家的综合技术能力以及压力 容器的建造历史有关，一般要考虑如下的因素： 1）压力容器材料的技术水平和供应稳定状况； 2）强度设计准则和设计计算方法的可靠性； 3）压力容器建造的技术能力

18、和装备能力； 4）压力容器建造的质量管理方式和管理水平： 5）压力容器使用管理的水平； 6）压力容器事故的频发程度等。 35 36 压力容器设计准则 安全系数的选取，要综合考虑上述各影响 因素，并要考虑材料在不同强度下的性能 差别，温度不同，安全系数也不一样。 在我国国家标准 GB150.1-2011 压力容器 第一部分：通用要求 中，规 定了我国压力容器设计的安全系数 。 36 37 压力容器设计准则 应该说单纯强调安全系数是不能保证压力容器 的安全的，近年来的事故统计表明，由于设计 采取的安全系数所造成的事故是不存在的，事 故的原因主要在于设计者对失效模式的认知和 采取的相应措施。 因此现

19、代 压 力容器的设计理念已经由过去的强 度设计转向基于失效模式的设计。 37 38 压力容器设计准则 许用应力 确定材料基本许用应力的系数一般主要针 对材料的抗拉强度 、 屈服强度 、 高温持久 断裂强度和高温蠕变强度设定相应的设计 裕度 ， 以防止由于材料性能不稳定 、 设计计算方 法的偏差 、 制造的偏差以及在使用过程中 的不当操作所引起的失效 。 38 39 常规设计法 常规设计法 这是传统的以经验规则为基础的设计方法 。 美国锅炉压力容器规范 ASME是世界上最早出现的 规范 。 我国第一部压力容器规范 钢制化工容器设计规 定 于 1967 年 颁 布 ， 目 前 的 最 新 版 本

20、为 GB150.1GB150.4-2011 压力容器 。 39 40 常规设计法 GB150是由全国锅炉压力容器标准化技术委员 组织编写的 是在原 “ 设计规定 ” 和 钢制焊接压力容器技 术条件 JB741-80等的基础上 ， 以理论为指导 ， 结合成功的使用经验 ， 吸收国外先进标准的内 容 ， 应用近代分析技术 （ 如极限分析 、 安定性 分析 、 有限元计算 ） 以充实 、 完善和提高标准 的技术水平和确保容器安全使用的原则判定的 。 40 41 常规设计法 常规设计法的设计程序大致为： 首先根据用户提出的容器用途及操作条件，选择 结构形式及总体设计方案， 然后选用合适的材料，进行主体

21、设计（筒体、封 头及接管、支座等），并按标准及规范手册设计 或选用其它零部件， 有针对性地校核结构的强度、刚度及稳定性， 最后根据所计算的尺寸绘制图纸，提出技术要求。 41 42 常规设计法 常规设计法采用的是弹性失效准则，并按第一强度理 论计算器壁的最大当量应力。 其强度条件是限制最大当量应力不大于材料在设计温 度下的许用应力值。 局部结构（如封头、接管及补强圈、支座、管板等） ，由于技术及理论的发展，虽仍不强调采用应力分析 设计，没有规定应力分类及不同的应力限制条件 但对其存在的局部薄膜应力，弯曲应力及二次应力以 及它们的组合则采用极限分析和安定性分析原则，控 制在与使用经验相吻合的安全程

22、度上。 42 43 常规设计法 在具体的常规设计中，这一点是通过限制元件的 某些相关尺寸，或采用应力增大系数、形状系数 等形式计入算式，以体现这些局部应力的差别并 将其控制在许可范围内。 这些系数的选择或确定主要是参考了 ASME第 卷 第 2分篇（压力容器另一规程）的方法或经过大量 的试验及有限元计算而进行的。 43 44 常规设计法 特点 应用广泛，设计的绝大多数容器都是安全可靠的； 设计计算过程简单，容易掌握； 没有考虑各类应力对容器的危害程度，难以预测失 效起源。因规范设计只计算主体应力，并以此为依 据，其它局部结构均取标准或规范中的推荐结构， 对容器各部位的受载条件及其产生的应力和变

23、形不 详细计算，不分析对破坏的影响。因而无法预测容 器的失效起源，无法核算容器的疲劳寿命； 44 45 常规设计法 特点 弹性失效准则不尽合理，没有充分利用材料承载能力。 弹性失效并不意味着承载潜力的耗尽，不同性质的应 力取统一的判据也是不合理的，实践证明，材料的塑性 承载能力是可以利用的； 较高的安全系数不仅掩盖了失效实质，也增加了材料消 耗和成本。 不仅如此，对压力容器来讲，增加壁厚也并非总是安 全的，有时还会减小其安全性，例如：板越厚，性能越 不均匀，存在缺陷的概率增大，并且对热应力更加有害 。 45 46 常规设计法 特点 常规设计法主要适合于设计压力不大于 35MPa 的一般 压力容

24、器，且对其结构型式及尺寸有一定的限制，对 于超出了规范设计法标准（ GB150）的适用范围时，允 许采用下列方法： 应力分析设计法（包括有限元计算）； 验证性实验分析（应力测试，水压试验等）； 利用可比的已投入使用的结构进行对比的经验设 计。 46 47 48 分析设计法 压力容器的分析设计规范提供了一整套较为完整的以 弹性应力分析和塑性失效准则 、 弹塑性失效准则为基 础的设计方法 。 在分析设计中考虑各种载荷条件可能的组合 ， 以弹性 力学薄壳理论为基础进行分析计算 ， 将应力根据其起 因 、 来源 、 作用的范围 、 性质和危害程度不同进行分 类 ， 根据塑性失效准则 、 弹塑性失效准则

25、和疲劳失效 准则 ， 采用最大剪应力理论来确定受压元件的尺寸 。 在分析设计中 ， 确定受压元件的应力可采用有限单元 法 、 板壳理论的解析法或实验应力实测法 。 各种应力 均需全面计算 。 48 49 分析设计法 加之采用分析设计方法设计受压元件必须预先确定受 压元件 (和相邻受压元件 )的尺寸 ， 才能进行计算 。 如果在计算后发现不满足强度条件要求 ， 则需调整尺 寸重新计算 。 因而计算工作繁杂 。 在分析设计规范 JB 4732中 ， 对 材料 、 制造 、 检验 、 制造厂的资格审查等都提出更加 严格的要求 。 分析设计在很大程度上克服了常规设计的不足之处 ， 但目前只在少数大型

26、、 操作条件苛刻的装备或客户要 求的设备上采用 。 49 50 分析设计法 4 1 分析设计基本概念和应力分类根据 (1)应力强度：系组合应力基于第三强度理论的当 量强度，即给定点最大主应力代数值 1与最小主应 力代数值 3之差值的绝对值。应力强度： S=| 1- 3| (2)总体结构不连续：由于几何不连续或材料不连 续而引起结构在较大范围内应力或应变发生变化，会 对结构的应力分布和变形产生显著影响者。 如不同壳体连接、封头和筒体连接处等。 50 51 分析设计法 (3)局部结构不连续 由于几何不连续或材料不连续而仅仅造成 很小范围内的应力或应变发生变化，对结 构总的应力分布和变形无显著影响者

27、。 例如壳体与小附体连接处等。 51 52 分析设计法 4.1.2 应力分类根据 (1)应力的起因、应力所需满足条件和应力性质。 由机械载荷引起，满足外载荷平衡条件或由于相互约 束引起 (包括热应力 )需满足变形协调条件。前者是非 自限性的，后者是自限性的。 (2)应力范围。总体、局部或集中。 (3)应力沿截面的分布。均布、线性、非线性。 52 53 应力分类 4.2.1一次应力 由平衡压力与其他机械载荷所必须的内力或内力矩 产生的法向应力或剪应力 。 一次应力属于非自限性应 力 ， 达到极限状态 ， 即使载荷不再增加 ， 仍可产生不 可限制的塑性流动 ， 直至破坏 。 分以下三类： (1)一

28、次总体薄膜应力 pm 沿厚度方向均匀分布 ， 影响范围遍及整个受压元件 ， 一旦达到屈服点 ， 受压元件整体发生屈服 ， 应力不重 新分布 ， 一直到整体破坏 。 例如 ， 薄壁圆筒中由受内 压引起的环向薄膜压力 。 53 54 应力分类 （ 2）一次局部薄膜应力 pL：应力水平超过一次总体薄膜 应力。影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。 局部应力区指沿经线方向延伸距离不大于 ，应力 强度超过 1.1Sm的区域， R为第二曲率半径， Sm为材料的 设计应力强度值。 强调指出，在标准中一次局部薄膜应力是指局部应力区 薄膜应力的总量，即局部应力区内 pm为 pL的组成部分。 当结构局部发生塑

29、性流动时，这类应力将重新分布，但 若不加限制，当载荷从结构的某一部分传递到周边地区 的结构，有可能产生过度塑性变形而致破坏。 54 Rt1.0 55 应力分类 在壳体与固定支座或与接管连接处由外加载荷引起的 薄膜应力便是一次局部薄膜应力的实例。 由结构不连续效应产生的一次局部薄膜应力，具有一 定的自限性，表现出二次应力的特征，不过从保守和 方便的角度考虑仍划为一次应力。 (3)一次弯曲应力： 是平衡压力或其他机械载荷所需沿厚度方向线性分布 的弯曲应力，例如周边简支的受侧面压力的圆平板中 心处的弯曲应力。 55 56 应力分类 二次应力 Q 在外部载荷下 ， 由于相邻构件间的约束或构件自身的约

30、束引起 ， 需要满足变形连续条件 ， 包括法向应力和切向 应力都称为二次应力 ， 具有自限性 。 构件发生局部屈服和小量塑性变形就可以使变形协调条 件得到部分或全部的满足 ， 从而限制塑性变形不再发展 ， 并可以缓解以至消除产生这种应力的原因 。 在结构内的一次应力能确保安全承受外载以及材料有足 够的延性的前提下 ， 二次应力水平的高低对结构承受静 载能力并无影响 。 只在循环和交变载荷下 ， 二次应力会导致结构丧失安定 56 57 应力分类 峰值应力 F 是由局部结构不连续和局部热应力引起的叠加到 一次加二次应力上的应力增加量 ， 一般同时具有 自限性和局部性 ， 其危害性仅仅是引起疲劳或脆

31、 性断裂 。 例如于局部结构不连续所引起的超过一次和二次 应力的应力增量 。 57 58 应力分类 对各类应力的限制 各类应力的强度条件如下表所列 ， 其中 Sm是设计应力 强度 ， K是载荷组合系数 ， 按 JB4732根据载荷类别选 取 。 弯曲应力许用值为拉 、 压应力之 1.5倍 。 即弯曲 条件下的极限承载应力是拉伸下的 1.5倍 。 一次应力 加上二次应力小于或等于 3.0KSm， 源于安定性的考虑 ， 安定性要求 2ReL 而 Sm=2ReL/3。 pL+pb+Q+FS a， Sa从疲劳曲线得到 。 要注意的是表中 pm， pb， Q和 F都是指容器特定部位的 第三强度理论的等效

32、应力 。 58 59 应力分类 对各类应力的限制 59 60 应力分类 -其它应力 实际压力容器元件中的应力还包括： 元件因热胀冷缩约束所产生的 热应力 ； 元件自重、内部介质重量等会在元件内引起 弯曲应力或拉伸 （压缩）应力 ； 支座反力会在元件被支撑部位造成 局部应力 ； 立式容器受风会引起附加 弯曲应力 ； 冷热加工变形会在金属内产生加工 残余应力 。 这些应力，有的数值较大，有的较小；有的沿元件壁厚均匀 分布（薄膜应力），有的沿壁厚不均匀分布（弯曲应力）； 有的发生在大面积范围内，有的仅出现于元件的局部区域。 研究应力的目的是为了控制应力，保证元件有足够的强度 。 60 61 疲劳设计

33、 频繁开停车或在运行中要经受较大温度、压力波动的 压力容器，常因疲劳裂纹扩展而导致破坏。 结构材料在交变载荷作用下，往往没有明显的塑性变 形，就会发生脆性断裂。 压力容器的局部峰值应力区在交变应力作用下，由于 晶间滑移和位错运动而萌生微裂纹，微裂纹在载荷循 环下不断扩展，至整个截面丧失承载能力而致脆断。 压力容器的疲劳设计应在满足一次应力和二次应力强 度条件的基础上进行。 61 62 疲劳设计 对于有成功使用经验的承受循环载荷的容器，应经设 计单位技术负责人批准，可按 GB 150进行设计，并按 JB 4732附录 C补充疲劳分析和评定，同时满足其相关 制造要求（如材料的质量要求，无损检验等）

34、。 具体要求原则上应该和 GB150.1附录 E相同。 对设计单位和设计人员一般不要求具备分析设计资格 ，但是设计人员应该具备这种应力分析、分类及结果 评定的能力。 62 63 强度失效准则 5.1 压力容器失效形式 63 交互失效 泄漏失效 失稳失效 刚度失效 强度失效 压力容器的失效形式 64 强度失效准则 64 脆性断裂失效设计准则 蠕变失效设计准则 疲劳失效设计准则 弹塑性失效设计准则 爆破失效设计准则 塑性失效设计准则 弹性失效设计准则 强度失效设计准则 65 压力容器设计准则 压力容器设计时 ， 一般应先确定最有可能的失效 方式 ， 选择合适的失效判据 ， 再将应力或与应力 有关的

35、参量限制在许用值以内 ， 这种限制条件称 为设计准则 。 65 泄漏失效设计准则 稳定失效设计准则 刚度失效设计准则 强度失效设计准则 压力容器设计准则 66 5.3 压力容器失效判据 判断压力容器是否失效 由力学分析得到力学分析结果 由实验测得失效数值 失效判据 67 常规设计 67 基于弹性失效设计准则 不连续应力的考虑 常规设计 68 常规设计 68 69 压力容器设计基本内容 69 适的密封材料。 结构，选择合选择或设计合理的密封密封设计 适的材料。部件结构尺寸，选择合 确定零通过强度和刚度计算，强度和刚度设计 理、经济的结构形式。的要求，设计简单、合 、检验等方面满足工艺、制造、使用

36、结构设计 主要设计内容 70 压力容器设计基本内容 70 用户提出基本设计要求 分析容器的工作条件 ， 确定设计参数 结构分析 、 初步选材 选择合适的规范和标准 应力分析和强度计算 确定构件尺寸和材料 绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件 压 力 容 器 设 计 的 基 本 步 骤 71 设计条件 搅拌容器条件图 塔器条件图 换热器条件图 一般容器条件图 设计条件图 条件等）年限、腐蚀速率、保温其它（材料、设计使用 操作方式和要求 压力和温度 工作介质 设计要求 72 压力容器设计基本内容 1、压力容器设计条件图编制依据和原则 1.1 国家相关法律、法规。 1.2 国家行业相关标准、规范、

37、规定、规程。 1.3 开工报告的相关规定。 1.4 工程设计的具体需要。 72 73 压力容器设计基本内容 1）设计条件图是设计人员进行压力容器设计的依据之 一，主要包括下列内容：简图、设计参数及要求、接 管表、标题栏及参考图等。 2）设计条件图的格式为便于填写和表达，设计条件图 一般常用的有下列几种： 容器条件图 换热器条件图 塔器条件图 搅拌容器条件图 3）其它压力容器，可根据设计条件要求，选用四种格 式之一，或自行编制。 73 74 设计条件图编制要求 1） 简图 （ 1） 简图用单线图，要求视图正确、线条清晰。 （ 2）简图应包括容器本体，主要内件形状，接管位置 ，支座型式及其它需要表

38、达的图形。 （ 3） 简图中难以表达清楚时，允许用文字补充说明。 （ 4） 管口方位允许另附管口方位图，但必须在简图中 注明，管口位置不得与其他结构件相碰撞。 74 75 设计条件图编制要求 2 ）设计参数及要求 （ 1） 各设计条件图通用的设计参数填写内容如下 : a） 工作介质：名称填介质学名或分子式。组分为主 要组分，对非主要组分但对产品设计质量有影响者， 应另加说明。比重填写设计温度下的比重。介质特性 指毒性、燃 (爆 )性、渗透性及挥发性等。 75 76 设计条件图编制要求 b) 压力和温度：工作压力、工作温度均按 GB150.1- 2011 压力容器 相应定义的规定填写。环境温度填

39、 写该地区历年 月平均温度的最低值。 对有保温层的容 器可以不填写。壁温指容器壳体的金属温度。 c) 容积：全容积填写包括两端封头在内的容积，操作 容积是指正常操作情况下，介质所占的最大容积。 76 77 设计条件图编制要求 d) 材料、腐蚀速率、预期使用年限：材料填写壳体推 荐材料和特殊要求材料的牌号，必要时注明材料标准 号；腐蚀速率按年腐蚀的毫米数计；预期使用年限指 希望使用的年限。 e) 操作方式与要求：注明连续操作或间歇操作，以及 压力、温度是否稳定。对压力、温度有突变时，应注 明变动频率（次数 /小时）及变化范围。 对开车 、 停车频繁的容器应注明每年的开车 、 停 车次数。 77

40、78 设计条件图编制要求 （ 2） 安全装置填写说明如下 : a） 位置：填写在容器上或在管道上。 b) 型式：填写安全阀或爆破片。 c) 规格和数量：规格应按安全阀或爆破片标准和样 本规定填写。 d) 整定（或爆破）压力：按 GB150.1 压力容器 中的定义规定填写。 （ 3） 保温材料应填写名称、厚度、容重，对需要保 温计算的保温材料厚度可不填写。 （ 4） 对换热器应根据传热计算的结果填写 传热管壁平 均温度 () 78 79 设计条件图编制要求 换热管同时受管程 、 壳程温度作用的元件 ， 应该 按金属温度确定设计温度 ， 该金属温度应通过传 热计算确定 （ 可参照 GB/T151-

41、2014的附录 B， 明确 给热系数 ） ， 也可在已使用的同类换热器上测 定 ， 也可以根据成熟的设计经验确定； 79 80 设计条件图编制要求 注意： 管壳式换热器管 (壳 )程的设计温度为管程管 箱 (壳程壳体 )的设计温度 ， 是确定管程 (壳程 )材料及许用应力的关键参数 ， 与管 壳式换热器管 (壳 )程的平均温度 (指传热过程中换热 管与壳程圆筒金属的沿长度方向的平均值 ， 取决于换 热管两侧 物料的流速 、 物性等 ， 用于计算换热管与壳 程圆筒间的热膨胀差 ) 不同 。 80 81 设计条件图编制要求 4、设计条件编制的基础资料： 可以下列的一项或几项分析判断，作为设计条件的

42、 编制依据。 4.1 工艺设计计算书。 4.2 协作单位提供的软件包、技术文件、条件。 4.3 系统专业提供的设计条件。 4.4 工厂调研数据。 4.5 工程经验。 81 82 设计条件图的重要性 5.1 设计条件图是设计的依据，是基础资料。设计 委托方提供充分、准确的设计条件，有利于设计 者考虑的因素更加全面。特别是要求提供预期的 使用年限，这对于容器使用寿命设计、后期在役 检验及剩余寿命评价都有重要意义 。 5.2 设计条件图是设计者了解设备反应原理和作用 功能，承受载荷的方式，工艺操作情况等的重要 手段之一，对正确的进行设备设计，保证压力容 器的安全起到重要的作用。 83 设计条件图的重

43、要性 5.3 设计条件图是设计委托方提出的正式文件，通过 签字 、 盖章明确了设计委托方的责任。一旦发生责任 事故，设计条件图也是区分责任的重要证据之一。也 是设计者自我保护的重要手段之一。 设计条件图的重要性往往被忽略，应引起相关设计人 员的高度重视，特别是当压力容器使用单位（用户） 提出设计条件时，应将设计条件图作为合同的附件由 压力容器使用单位的技术人员签字，并加盖公章。并 在设计完成后与设计文件一起归档保存。 83 84 六、压力容器设计审核要点 1、 技术要求 1.1 采用的标准和技术规范 （ 要正确 ， 齐全 ） ； 1.2 对采用的材料的技术要求 （ 如对 Q345R的要求 ；

44、有应 力腐蚀倾向的材料的要求 ） ； 1.3 焊接方法 、 材料 （ 焊条 ， 焊丝 、 焊剂 ， 与材料的匹配 ） 1.4 焊接结构 （ 对接焊接接头 、 角接焊接接头 、 非径向开 孔 ） 1.5 无损检测 （ 方法 、 检测比例 ， 应符合的标准 ， 合格级 别 ， 检测技术等级 ） 注意表面检测； 85 1.6 热处理（热处理的型式，方法） 1.7 耐压试验（方法、试验介质试验压力（卧式，立 式）、对夹套容器耐压试验的时机及特殊材料的试验 温度）； 1.8 泄漏试验（方法、试验介质试验压力、应符合的标 准）； 1.9 涂敷、运输包装 （ 除锈等级、 油漆种类 、漆干膜总 厚度 ）； 1

45、.10 其他技术要求（如塔体直线度 、 安全阀型号等等）。 六、压力容器设计审核要点 86 技术特性表 2.1 容器类别； (如何确定 ？ ) 2.2 工作压力； 2.3 设计压力； 2.4 工作温度； 2.5 设计温度； 2.6 腐蚀裕量； 2.7 焊接接头系数； 2.8 全容积 （ 对多腔容器应分别填写 ） ； 2.9 介质特性 （ 毒性 、 是否易爆 ） ； 86 87 技术特性表 2.10 最低设计金属温度 ； 2.11 保温层材料厚度； 2.12 环境温度； 2.13 装量系数 （ 对储存容器和反应容器等 ） ； 2.14 最高允许工作压力； 2.15 抗震设防烈度设计地震加速度值；

46、 2.16 设计地震分组 /场地土类别 /地面粗糙度； 2.17 安全阀整定压力； 2.18 主要受压元件材料与标准； 2.19 设计使用年限； 87 88 GB/T20801-2006 压力管道规范 工业管道 实施指南 有毒气体 毒性危害 程度 有毒气体的重量百分比， % 极度危害 高度危害 中度危害 非有毒介 质 极度危害 1 1 0.2 0.2 0.02 0.02 高度危害 5 5 0.5 0.5 中毒危害 5 5 89 表 3-9液体混合物（介质）的毒性危害程度定级 有毒液体毒 性危害程度 有毒液体的重量百分比， % 极度危害 高度危害 中度危害 非有毒介质 极度危害 7 7 1 1

47、0.1 0.1 高度危害 25 25 3 3 中毒危害 25 25 89 例 1：光气（气体）的毒性危害程度为极度危害。 含 1000 10-6光气（ 0.1%）介质毒性危害程度，按表 3一 8所示为中度危害介质； 含 100 10-6光气（ 0.01%）的介质毒性危害程度，按表 3一 8所示为非有毒介质； 含 0.5光气的介质毒性危害程度，按表 3一 8所示为高度危害介质； 含 2光气的介质毒性危害程度，按表 3一 8所示为极度危害介质。 例 2：甲醛的毒性危害程度为高度危害。 10甲醛溶液的介质毒性危害程度，按表 3一 9所示为中度危害介质； 1甲醛溶液的介质毒性危害程度，按表 3一 9所

48、示为非有毒介质； 40甲醛溶液的介质毒性危害程度，按表 3一 9所示为高度危害介质。 90 设计使用寿命 明确设计使用年限的目的有三个： 1、明确设计单位的安全责任，要确保按设计条件使 用的容器在全寿命内安全，不需要承担超寿命运行引 发的安全责任； 2、明确告知使用单位容器的寿命，以便提前作出更 换或者其它安排； 3、促进相关数据的积累，特别是材料与介质、环境 的相容性数据。 90 91 管口表 3、管口表 3.1 公称尺寸； 3.2 公称压力； 3.3 连接法兰标准 3.4 法兰型式 3.5 连接面型式 3.6 用途或名称 91 92 4、图面结构与尺寸 4.1 图纸是否符合有关专业或用户提

49、出的设计条件要求 ； 4.2 图面布置是否整齐投影是否正确，所选取的剖面 及剖视图能否正确地反映出设备的全貌，选用的比例及 图幅是否合适。 4.3 结构是否合理，制造、检验、安装、维修是否方便 ； 4.4 装配图与零部件的图形及配合尺寸与安装尺寸是否 一致，是否齐全无误。 4.5 所选材料是否符合工艺要求，对材料有无附加要求， 选材原则是否符合 GB150及 TSG R0004-2016 固定式压 力容器安全技术监察规程 的规定。 92 93 4、图面结构与尺寸 4.6接管表内公称直径 、 法兰标准 、 压力等级 、 密封面形 式 、 用途是否与条件图一致 ， 接管表与视图上的管口 编号是否一

50、致 。 4.7技术特性表内所填各项内容是否正确完整 ， 压力容器 的类别划分是否正确 ， 标题栏内所填各项内容是否正 确 。 所有项目是否填全 ， 标准件使用的标准是否正确 4.8技术要求是否齐全 、 合理 ， 技术要求中采用的国标 、 行业标准是否正确 ， 技术要求是否明确清楚 ， 焊接材 料 、 焊接结构 、 无损检测 、 热处理 、 试压 、 涂敷与运 输包装等要求是否符合标准 、 规范的要求 。 93 94 4、图面结构与尺寸 4.9 附属件如人孔、手孔、视镜、液面计、吊柱、支 座、填料箱、搅拌器等选用的标准是否合适，预焊件 是否齐全。 4.10 图样与计算书的结果是否吻合。 4.11

51、 图面的文字叙述是否清楚正确。 4.12 管口方位图图号是否填写清楚。 4.13 安全措施是否考虑。 4.14 局部放大图、剖面、剖视图、向视图是否正确。 4.15 选材及防腐措施是否正确。 94 95 5、计算书 5.1 采用的标准规范及公式是否正确。应该计算的项目 是否齐全。 5.2 原始数据、计算方法、各种系数的选取是否正确 , 各元件的受力分析是否正确。 5.3 计算过程及计算结果是否正确最终采用的厚度是 否恰当。 5.4 采用的电算程序是否经过鉴定和确认 , 输入数据和 计算结果是否正确。 5.5 超压泄放装置的计算（或由工艺专业提供的计算） 是否符合标准、规程的要求。 95 96

52、6、相关技术文件 6.1 设计任务书 6.2 设计条件表（图） 6.3 校审记录 6.4 标准化审查记录 6.5 质量评定卡 96 97 对设备设计的安全要求 1、如果工艺采纳最后一次过程安全审查的建议对工艺 进行了更改，设备结构及尺寸是否进行了相应的调整 以适合工艺更改的要求？ 2、设置了安全阀、爆破片装置、紧急切断装置、安全 联锁装置、压力表、液位计、测温仪表等安全附件吗？ 3、采用新材料、新技术、新工艺以及有特殊使用要求 的压力容器是否经过政府有关部门批准？ 4、采用国际标准或境外标准设计制造的压力容器是否 进行了设计文件与我国基本安全要求的符合性审查？ 97 98 对设备设计的安全要求

53、 5、 对储存液化气体的储罐是否注明了装量系数 ？ 6、 对有应力腐蚀倾向的材料是否注明了腐蚀介质的限 定含量 ？ 7、 是否注明了压力容器设计使用年限 ？ 8、 对不能进行耐压试验的受压容器 ， 是否注明了计算 厚度和制造及使用的特殊要求 ？ 9、 奥氏体不锈钢压力容器或受压元件用于有晶间腐蚀 倾向介质场合时 ， 是否提出了抗晶间腐蚀检验或热处 理的要求 ？ 98 99 对设备设计的安全要求 10、 当压力容器所盛装的介质其毒性为极度危害和高度危 害或不允许有微量泄漏时 ， 是否提出了压力容器泄漏试 验的方法和要求 ？ 11、 如果外部发生火灾 ， 会使设备内部处于何种危险状态 ？ 12、

54、如果发生火灾 、 爆炸情况 ， 是否有抑制火灾蔓延和减 少损失的必要设施 ？ 13、 什么地方需要阻火器及阻爆器 ？ 14、 在狭窄区域打开明火设备如何防止火灾 ？ 15、 在整个储存区域 ， 有什么安全控制 （ 措施 ） ？ 99 100 对设备设计的安全要求 16、是否在特别必要的情况下才装设视镜玻璃？在受压 或有毒的反应容器中是否装设了耐压的特殊玻璃？ 17、紧急情况下用的阀或开关是否易于接近和操作？ 18、哪些管线可能发生堵塞？会带来什么危险？ 19、为保证设备维修安全，设备彻底排液时需要采取什 么措施？ 20、压力容器是否设置了满足进行内部检查的需要检查 孔？其开设位置、数量和尺寸等是否合理？ 100 101 对设备设计的安全要求 21、 对不开设检查孔的压力容器 ， 采取了哪些具体的技 术措施 ？ 22、 对有保温层的压力容器 ， 如果规定保温层不允许拆 卸 ， 是否提出了压力容器定期检验的方法 ？ 23、 装有触媒的压力容器和装有充填物的大型压力容器 ， 是否注明了使用过程中定期检验的技术要求 ? 24、 由于结构原因不能进行内部检验的容器 ， 是否注明 了计算厚度 、 使用中定期检验和耐压试验的要求 ？ 25、 是否考虑了防静电的措施 ？ 101 102 谢谢大家！