压力容器的设计准则

原创 胡伟明  2020-09-22 20:56:00  阅读 64 次 评论 0 条
摘要:

设计准则为防止化工容器发生各种形式的失效,化工容器设计的重要特点就是必须考虑采用相应的设计准则。弹性失效准则  这是为防止容器总体部位发生屈服变形,因而将总体部位的最大设计应力限制在材料的屈服点以下,保证容器的总体部位始终处于弹性状态而不会发生弹性失效。这是最传统的设计方法,也仍然是现今容器设计首先应遵循的准则。塑性失效准则  容器某处(如厚壁筒的内壁)弹性失效后并不意味着容器失去承载能力。将容器总体部位进入整体屈服时的状态或局部区域沿整个璧厚进入全域屈服

设计准则

为防止化工容器发生各种形式的失效,化工容器设计的重要特点就是必须考虑采用相应的设计准则。

弹性失效准则  

这是为防止容器总体部位发生屈服变形,因而将总体部位的最大设计应力限制在材料的屈服点以下,保证容器的总体部位始终处于弹性状态而不会发生弹性失效。这是最传统的设计方法,也仍然是现今容器设计首先应遵循的准则。

塑性失效准则  

容器某处(如厚壁筒的内壁)弹性失效后并不意味着容器失去承载能力。将容器总体部位进入整体屈服时的状态或局部区域沿整个璧厚进入全域屈服的状态称为塑性失效状态,若材料符合理想塑性假设,此时载荷不需继续增加,其变形会无限制地发展下去,故称此载荷为极限载荷。将极限载荷作为设计的依据并加以限制,以防止发生总体塑性变形,称为极限设计。这种“极限设计”的准则即为塑性失效设计准则。用塑性力学方法求解结构的极限载荷是这种设计准则的基础。

爆破失效准则  

非理想塑性材料在屈服后尚有增强的能力,对于容器(主要是厚壁的)在整体屈服后仍有继续增强的承载能力,直到容器达到爆破时的载荷才为最大载荷。若以容器爆破作为失效状态,以爆破压力作为设计的依据并加以限制,以防止发生爆破,这就是容器的爆破失效设计准则。

弹塑性失效准则  

如果容器的某一局部区域,一部分材料发生了屈服,而其他大部分区域仍为弹性状态,而弹性部分又能约束着塑性区的塑性流动变形,结构处于这种弹塑性状态可以认为并不一定意味着失效。只有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。因此安定性原理便是弹塑性失效的设计准则,亦称为安定性准则。

疲劳失效准则  

为防止容器发生疲劳失效,只有将容器应力集中部位的最大交变应力的应力幅限制在由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,这就是疲劳失效设计准则。

断裂失效准则  

由于压力容器中难于避免裂纹,包括制造裂纹(特别是焊接裂纹)和使用中产生或扩展的裂纹(如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等),为防止因严重缺陷而导致发生低应力脆断,可按断裂力学原理来限制缺陷的尺寸或对材料提出必须达到的韧性指标,这便是防脆断设计。这一断裂失效设计准则是20世纪70年代初进入核容器设计规范的。防脆断设计并不意味着允许新制造的容器可以存在裂纹,而是对容器使用若干年后的一种安全性估计。对于新制造的容器,设计时是假定容器内产生了一个相当大的可以检测到的裂纹,通过断裂力学方法可以对材料的韧性(主要是指断裂韧性)提出必须保证达到某一要求以使容器不会发生低应力脆断。而对于在役的容器如果检测出裂纹,也可以用断裂力学方法来评价这一裂纹是否足够安全,这就是压力容器的缺陷评定。这些都是基于断裂失效设计准则(或称防脆断失效设计准则)的方法。

蠕变失效准则  

设计时将高温容器筒体的蠕变变形量(或按蠕变方程计算出的相应的应力)限制在某一允许的范围之内,便可保证高温容器在规定的使用期内不发生蠕变失效,这就是蠕变失效设计准则。

失稳失效准则  

外压容器的失稳皱折需按照稳定性理论进行稳定性校核,这就是失稳失效的设计准则。大型直立设备(如塔设备)在风载与地震载荷下的纵向稳定性校核也属此类。

刚度失效准则

通过对结构的变形分析,将结构中特定点的线位移及角位移限制在允许的范围内,即保证结构有足够的刚度。例如大型板式塔内大直径塔盘很薄,就应限制塔盘板的挠度,不致使液层厚薄不一而引起穿过塔盘气体分布不均和降低板效率。又如法兰设计时除应保证强度外还应采用刚度校核法以限制法兰的偏转变形。

泄漏失效准则

法兰的密封设计及转轴密封设计中更为合理的设计方法应限制介质的泄漏率不得超过允许的泄漏率。由于介质的泄漏率与结构设计、密封材料的性能和紧固件所施加的载荷密切有关,非常复杂,所以泄漏失效设计准则很难建立。


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