南京工业大学 备课笔记 1
第四章 压力容器设计 Design of Pressure Vessels
4.1概述 Introduction
在绪论中，介绍了过程设备设计的基本步骤。
就是根据给定设计条件和规范标准的规定,确保安全，经济，正确选择材料，进行结构，强度或刚度设计，密封设计。
设计时应综合考虑各个环节：材料，结构，强度，（刚度），制造，使用，安装，运输，检验等。每个环节都应重视。
4.1.1设计要求 Specification
压力容器设计的基本要示：安全性，经济性。
在保证安全前提下尽可能经济（材料，制造，安装，维修等等）
4.1.2设计文件 Design Files
设计文件包括：
设计条件，设计图样，强度计算书及安装，使用说明书（按分析设计提供应力分析报告）。
强度计算书和设计图样具体内容见P114。
4.1.3设计条件 Design Condition
通常用图表表示：简图，设计要求，接管表等，通称为设计条件图。 不同类型的，除公共基本设计要求外，还应注明各自的特殊要求，换热器，换热管规格，管长，根数、排列，换热面积和程数等。
4.2设计准则 Design Criterions
4.2.1压力容器失效 Pressure Vessel Failure
压力容器失效：压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸，形状，或材料性能发生改变而不能达到设计要求的现象。
最终形式：泄漏，过度变形，断裂 （1）压力容器失效形式
大致分为以下四大类： a.强度失效
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因材料的屈服或断裂引起的失效。 ①韧性断裂
容器发生了有充分塑性大变形的破裂，破裂前其应力达到或接近所用材料的强度极限。
主要原因：厚度过薄（未经计算，腐蚀）、内压过高，操作失误，反应失控。 避免：严格按规范进行设计，选材，运输，安装，使用和检修。 ②脆性断裂：这是一种没有经过充分塑性大变形的容器破裂 原因：材料的脆性，严重的超标缺陷或两种原因兼而有之。 断裂时可能裂成碎片飞片，也可能沿纵向裂开一条缝，见彩色封面 根源：材料选用不当，焊接与热处理不当使材料脆化外，低温长期在高温下运行，应变时效也会使材料脆化。
材料原始缺陷或使用中产生缺陷 ③疲劳断裂
交变载荷最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失效，疲劳断裂的最终失效方式，一种是泄漏，称为“未爆光漏（LBB）”。另一种是爆破称为“未漏光爆”。
这二种疲劳断裂失效均无明显的塑性变形，接近于脆性断裂的宏观形态。 ④蠕变断裂
高温容器长期运行和受载，金属材料会随时间而不断发生蠕变损伤，以至出现鼓胀与减薄，直至破裂。
宏观表现为：过度变形（蠕胀），最终由蠕变裂纹扩展而爆破。 按断裂时的应力来看，蠕变断裂又具有脆性断裂的特征。 ⑤腐蚀断裂 也分二种情况：
因均匀腐蚀，厚度减薄等引起，有明显的塑性变形，因晶间腐蚀，应力腐蚀引起的，则无明显的塑性变形。
b.刚度失效
过度的弹性变形引起的失效。
如塔在风载荷时，发生过大弯曲变形，内部附件无法正常工作。
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c.失稳失效
容器在压应力作用下丧失稳定性，突然失去原有的规则几何形状（皱折变形）引起的失效。
可以是总体的，也可以局部的。
弹性失稳：弹性程度与载荷不成比例，其临界压力与材料强度无关。 非弹性失稳：容器中的应力水平超过材料屈服点，临界压力与材料强度有关。 d.泄漏失效：
由于泄漏引起的失效。
主要是可拆式接头或其它接头的密封性能。管子与管板。
注：在实际中，往往是多种形式的交互失效，腐蚀疲劳，蠕变疲劳。 （2）失效判据和设计准则
a.失效判据
用来判别失效的依据。只要这个量达到某一数值，压力容器就失效，某一种场合的失效判据，不一定适用另一场合。
b.设计准则
失效判据还不能直接用于压力容器的设计。
工程上还须考虑许多不确定因素，如：材料性能的不稳定，制造水平，检验手段等。
常用的方法是引入安全系数，从而得到相应的设计准则。
所以容器设计时，先要确定最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则,确定相应的规范标准，再进行设计。
4.2.2强度失效设计准则
屈服和断裂是常温，静载下强度失效的主要形式。 （1）弹性失效设计准则：
防止容器总体部位发生屈服变形，而将最大设计应力限制在材料的屈服点以下，保证容器始终处于弹性状态。
屈服数学表达式为：
???3 （4－1）
相应设计准则：????? （4－2）
t
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用最大拉应力则：?1???? （4－3）
t而根据二个屈服失效判氢则有
Tresca:?1??3???? （4－4）
t也称最大切应力准则
Mises(形状比能屈服失效判据)
1??1??2?2???2??3?2???3??1?2????t （4－5） 2应力强度（相当应力）
???eqi 工程上，将强度设计准则中直接与许用应力???比较的量，称应力强度。
ti?1，3，4分别表示最大拉应力，最大切应力和形状改变比能准则的序号
?eq1??1所以?eq3??1??3?eq4?1??1??2?2???2??3?2???3??1?22
??（2）塑性失效设计准则：
容器某处弹性失效后并不意味着容器失去承载能力，只有进入整体屈服或局部区域沿整个壁厚进入全部屈服，称塑性失效。对内压厚壁圆筒，整个载面屈服时的压力就是全屈服压力Pso。
塑性失效判据为设计压力：P?Pso （4－6） 塑性失效判据设计准则为：P?Pso （4－7） nsonso：全屈服安全系数。 （3）爆破失效设计准则
非理想塑性材料在屈服后尚有增强的能力，对于厚壁容器，在整体屈服后仍有继续增强的承载能力，直到容器达到爆破。
设计准则：P?Pb （4－8） nbPb:爆破压力
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nb:爆破安全系数 （4）弹塑性失效设计准则
当容器某一局部弹塑性区域内的塑性区中的应力超过了由“安定性原理”确定的许用值时，才认为结构丧失了“安定”而发生了弹塑性失效。
弹塑性失效认为只要载荷变化的范围达到安定载荷，容器就失效。 （5）疲劳失效设计准则
将容器的应力集中部位的最大交变应力的应力幅限制在低周疲劳设计曲线确定的许用应力幅之内时，才能保证在规定的循环周次内不发生疲劳失效。 （6）蠕变失效设计准则
将高温容器的蠕变变形量（相应的应力）限制在某一允许的范围之内，便可保证在规定时间不发生蠕变失效。 （7）脆性断裂失效设计准则
脆性断裂失效属断裂力学研究领域
传统强度设计均假设材料无缺陷为前提，压力容器是否发生脆性断裂，主要取决于：材料韧性，缺陷处的应力水平，缺陷的几何参数。
设计时，假设裂纹存在时，利用断裂力学方法进行裂纹安全性评估，保证容器不发生脆断。
这儿并不意味着允许存在假设的裂纹。
4.2.3刚度失效设计准则
刚度设计准则 W??W? （4－9） ?????
W，?：载荷作用下的位移，转筒。
4.2.4稳定失效设计准则
外压力<周向临界压力（均布外压） 压应力<轴向临界应力（轴向压缩）
4.2.5泄漏失效设计准则
密封装置的介质泄漏不保超过许用泄漏率。