第4章 对容器设计的安全要求.doc

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。当σm=σs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。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。显然Mp=1.5Me，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