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1.2 設(shè)計(jì)文件

    設(shè)計(jì)文件包括:設(shè)計(jì)圖樣、技術(shù)條件、設(shè)計(jì)計(jì)算書，必要時(shí)還應(yīng)包括設(shè)計(jì)或安裝、使用說書。 若按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，還應(yīng)提供應(yīng)力分析報(bào)告。

設(shè)計(jì)的表現(xiàn)形式，是設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)體現(xiàn)

設(shè)計(jì)計(jì)算書 :

· 包括設(shè)計(jì)條件、所用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、材料、腐蝕裕量、計(jì)算厚度、名義厚度、計(jì)算結(jié)果等。

· 裝設(shè)安全泄放裝置的壓力容器，還應(yīng)計(jì)算壓力容器安全 泄放量、安全閥排量和爆破片泄放面積。

· 當(dāng)采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，軟件必須經(jīng)“全國鍋爐壓力容 器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) ”評(píng)審鑒定，并在國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 特種設(shè)備局認(rèn)證備案 ”，打印結(jié)果中應(yīng)有軟件程序編號(hào)、輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果等內(nèi)容。

設(shè)計(jì)圖樣 ——包括總圖和零件圖

總圖

· 包括壓力容器名稱、類別、設(shè)計(jì)條件；

· 必要時(shí)應(yīng)注明壓力容器使用年限；

· 主要受壓元件材料、牌號(hào)及材料要求；

· 主要特性參數(shù)（如容積、換熱器換熱面積與程數(shù)等）；

· 制造要求、熱處理要求、防腐蝕要求、無損檢測要求；

· 耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)要求、安全附件的規(guī)格；

· 壓力容器銘牌的位置，包裝、運(yùn)輸、現(xiàn)場組焊和安裝要求，以及其它特殊要求。

1.3 設(shè)計(jì)條件

工藝設(shè)計(jì)條件 ——原始數(shù)據(jù)、工藝要求（常用設(shè)計(jì)條件圖表示）。

設(shè)計(jì)條件圖包括簡圖、用戶要求、接管表等

簡　 圖——示意性地畫出容器本體、主要內(nèi)件部分結(jié)構(gòu)尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表達(dá)的內(nèi)容。

用戶要求

（1）工作介質(zhì)：介質(zhì)學(xué)名或分子式、主要組分、比重及危害性等；
（2）壓力和溫度：工作壓力、工作溫度、環(huán)境溫度等；
（3）操作方式與要求： 注明連續(xù)操作或間隙操作，以及壓力、溫度是否穩(wěn)定；對壓力、溫度有波動(dòng)時(shí)，應(yīng)注明變動(dòng)頻
率及變化范圍；對開、停車頻繁的容器應(yīng)注明每年的開車、停車次數(shù)；
（4）其它：還應(yīng)注明容積、材料、腐蝕速率、設(shè)計(jì)壽命、是否帶安全裝置、是否保溫等。

設(shè)計(jì)條件圖主要有以下幾種:

一般容器條件圖
換熱器條件圖：應(yīng)注明換熱管規(guī)格、管長及根數(shù)、排列形式、換熱面積與程數(shù)等；
塔器條件圖：應(yīng)注明塔型（浮閥塔、篩板塔或填料塔）、塔板數(shù)量及間距、基本風(fēng)壓和地震設(shè)計(jì)烈度和場地土類別等；
攪拌容器條件圖：應(yīng)注明攪拌器形式、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向、軸功率等。

2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

由失效形式——>選擇失效判據(jù)——>得到相應(yīng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——>判斷設(shè)計(jì)是否合理。

2.1 壓力容器失效

定義：壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時(shí)間內(nèi)，因尺寸、形狀或者材料性能變化而危及安全或者喪失正常功能的現(xiàn)象。

失效表現(xiàn)形式：泄漏、過度變形、斷裂。

一、壓力容器失效形式

（1）強(qiáng)度失效——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強(qiáng)度失效，包括韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂等。

韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到或接近所用材料的強(qiáng)度JI限而發(fā)生的斷裂。

特征：斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長伸長率可達(dá)10～20%，斷口處厚度顯著減??；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實(shí)測厚度計(jì)算的爆破壓力與實(shí)際爆破壓力相當(dāng)接近。

原因：壁厚過?。ū诤裎唇?jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算和壁厚因腐蝕而減?。┖蛢?nèi)壓過高（操作失誤、液體受熱膨脹、化學(xué)反應(yīng)失控等）。

嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)、選材，配備相應(yīng)的安全附件，且運(yùn)輸、安裝、使用、檢修遵循有關(guān)的規(guī)定，韌性斷裂可以避免。

脆性斷裂是指變形量很小、且在殼壁中的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度JI限時(shí)發(fā)生的斷裂。這種斷裂是在較低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生，故又稱為低應(yīng)力脆斷。

特征：斷裂時(shí)容器沒有膨脹，即無明顯的塑性變形；其斷口齊平，并與zui大應(yīng)力方向垂直；斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片。由于脆性斷裂時(shí)容器的實(shí)際應(yīng)力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會(huì)動(dòng)作，其后果要比韌性斷裂嚴(yán)重得多。
       
原因：材料脆性和缺陷。材料選用不當(dāng)、焊接與熱處理不當(dāng)使材料脆化；低溫、長期在高溫下運(yùn)行、應(yīng)變時(shí)效等也會(huì)使材料脆化；壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴(yán)重的原始缺陷（如原材料的夾渣、分層、折疊等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂紋等）或使用中產(chǎn)生的缺陷，也會(huì)導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生。

疲勞斷裂是指在交變載荷作用下，經(jīng)過一定周期后發(fā)生的斷裂。

交變載荷——指大小和（或）方向都隨時(shí)間周期性（或無規(guī)則）變化的載荷。包括運(yùn)行時(shí)的壓力波動(dòng)、開車和停車、加熱或冷卻時(shí)溫度變化引起的熱應(yīng)力變化、振動(dòng)引起的應(yīng)力變化、容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷等。需要指出，原材料或制造過程中產(chǎn)生的裂紋，也會(huì)在交變載荷的反復(fù)作用下擴(kuò)展而導(dǎo)致壓力容器疲勞。

疲勞破壞包括裂紋萌生、擴(kuò)展和zui后斷裂三個(gè)階段。疲勞斷口由裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和zui終斷裂區(qū)組成。

· 裂紋源——往往位于接管根部、焊接接頭等高應(yīng)力區(qū)或有缺陷的部位。

· 裂紋擴(kuò)展區(qū)——是疲勞斷口zui重要的特征區(qū)域。常呈現(xiàn)貝紋狀，是疲勞裂紋擴(kuò)展過程中留下的痕跡。

· zui終斷裂區(qū)——裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)的快速斷裂區(qū)。由剩余截面不能再承受施加的載荷造成的失效形式——“未爆先漏” ，破壞需要有一定時(shí)間。

蠕變斷裂是壓力容器在高溫下長期受載，隨時(shí)間的增加材料不斷發(fā)生蠕變變形，造成壁厚明顯減薄與鼓脹變形，zui終導(dǎo)致壓力容器斷裂。從變形看具有韌性斷裂特征，從應(yīng)力看具有脆性斷裂特征。

腐蝕斷裂具有韌性斷裂（均勻腐蝕的減薄和局部腐蝕的凹坑引起的斷裂）特征／脆性斷裂（晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕引起的斷裂
）特征。

（2）剛度失效——由于壓力容器的變形大到足以影響其正常工作而引起的失效，如塔受風(fēng)。

（3）失穩(wěn)失效——在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。

（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。其危害可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，造成環(huán)境污染等。

（5）交互失效——實(shí)際中可能同時(shí)發(fā)生多種形式的失效。

二、失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)思路：求得壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學(xué)響應(yīng)（如應(yīng)力、應(yīng)變、固有頻率等），根據(jù)壓力容器zui可能發(fā)生的失效形式，確定力學(xué)響應(yīng)的限制值以判斷壓力容器能否安全使用是否獲得滿意的使用效果。

失效判據(jù)——將力學(xué)分析結(jié)果與簡單實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相比較，判別壓力容器是否會(huì)失效。這種判據(jù)，稱為失效判據(jù)。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——根據(jù)失效判據(jù)，再考慮各種不確定因素，引入安全系數(shù)，得到與失效判據(jù)相對應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
        
 分類：強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
      剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
      失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
      泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
    
壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)先確定zui可能的失效形式，然后選擇合適的失效判據(jù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，再按照標(biāo)準(zhǔn)大額要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核。

2.2 強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

強(qiáng)度失效的兩種主要形式：屈服、斷裂。

常用的強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:

一、 彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（韌性材料）——將容器總體部位的初始屈服視為失效。

2、任意應(yīng)力狀態(tài)

（1）zui大切應(yīng)力準(zhǔn)則

屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判據(jù)——zui大切應(yīng)力屈服失效判據(jù)——第三強(qiáng)度理論

              

（2）形狀改變比能準(zhǔn)則

     ——形狀改變比能失效叛據(jù)——第四強(qiáng)度理論

       
            (4-5)

3、應(yīng)力強(qiáng)度或相當(dāng)應(yīng)力
     彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則統(tǒng)一：
     

二、塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1、彈性失效準(zhǔn)則與塑性失效準(zhǔn)則的對比：

2、塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

     ——理想彈塑性材料，內(nèi)壓厚壁圓筒

     由 ——> ,P——設(shè)計(jì)壓力,Pso——全屈服壓力,——全屈服安全系數(shù)
三、爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

      ——容器爆破作為失效叛據(jù) ——壓力容器一般具有應(yīng)變硬化現(xiàn)象爆破壓力大于全屈服壓力

    爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

四、彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

——又稱為安定性準(zhǔn)則，認(rèn)為載荷變化范圍達(dá)到安定載荷，容器就失效。    

應(yīng)用場合：適用于各種載荷不按同一比例遞增、載荷大小反復(fù)變化。
     
初始屈服載荷——zui大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)入塑性相對應(yīng)的載荷。

安定狀態(tài)——>容器承受稍大于初始屈服載荷的載荷——>少量的局部塑性變形——>殘余應(yīng)力場——>若容器所受的載荷較小——>應(yīng)力疊加后小于屈服點(diǎn)——>保持彈性行為——>無新塑性變形——>“安定”狀態(tài)；——>載荷繼續(xù)增大——>反向屈服，或塑性變形累積——>喪失安定——>漸增塑性變形。

安定載荷——安定和不安定的臨界狀態(tài)相對應(yīng)的載荷變化范圍。

工程上:由于超過安定載荷后容器并不立即破壞，安定載荷的安全系數(shù)＝1.0，zui大載荷變化范圍 < 安定載荷。

五、疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

低周疲勞——每次循環(huán)中材料都將產(chǎn)生一定的塑性應(yīng)變，疲勞破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)較低，一般在105次以下。

低周疲勞設(shè)計(jì)曲線——由試驗(yàn)及理論得，虛擬應(yīng)力幅與許用循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線。
    
疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——zui大虛擬應(yīng)力幅按低周疲勞設(shè)計(jì)曲線所確定的許用循環(huán)次數(shù)大于容器所需的循環(huán)次數(shù)，容器就不會(huì)發(fā)生疲勞失效。
    
斷裂力學(xué)理論——帶裂紋的壓力容器疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即按照疲勞裂紋擴(kuò)展與斷裂的規(guī)律對循環(huán)載荷作用下的容器作出安全評(píng)定。

六、蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

將應(yīng)力限制在由蠕變JI限和持久強(qiáng)度確定的許用應(yīng)力以內(nèi)。

七、脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

脆性斷裂——屬于斷裂力學(xué)的研究范圍，認(rèn)為材料中存在缺陷，研究缺陷在載荷和環(huán)境作用下的破壞規(guī)律。
 
斷裂力學(xué)應(yīng)用——（1）指導(dǎo)壓力容器的選材和設(shè)計(jì)（2）在役壓力容器的安全評(píng)定
 
脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

（1）破損安全設(shè)計(jì)——假設(shè)裂紋存在時(shí)，結(jié)構(gòu)還能承受工作載荷——容器裂紋容限問題。
（2）先漏后爆設(shè)計(jì)——材料具有足夠韌性，快速斷裂前，裂紋已穿透壁厚，導(dǎo)致泄漏發(fā)生，可避免突發(fā)快速斷裂，減少損失
 說明：假設(shè)裂紋，真實(shí)裂紋（漏檢或在使用中產(chǎn)生）

防止容器發(fā)生脆性破壞：

（1）材料——根據(jù)受壓元件的厚度、應(yīng)力水平、zui低金屬溫度、載荷性質(zhì)、介質(zhì)對材料韌性的影響等因素，提出材料夏比V缺口沖擊功或斷裂韌性驗(yàn)收指標(biāo)。
（2）缺陷——盡量減少焊接接頭；提高無損檢測技術(shù)。
（3）設(shè)計(jì)——由無損檢測水平—假設(shè)高應(yīng)力區(qū)存在裂紋—利用斷裂方法—裂紋安全性評(píng)估—確保容器不發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞。 

2.3 剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

在載荷作用下，要求構(gòu)件的彈性位移和（或）轉(zhuǎn)角不超過規(guī)定的數(shù)值。

(4-9)

2.4 穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

——防止失穩(wěn)發(fā)生(周向失穩(wěn)、軸向失穩(wěn)、局部失穩(wěn)）

2.5 泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

對于泄漏，常用緊密性（Tightness）這一概念來比較或評(píng)價(jià)密封的有效性。緊密性用被密封流體在單位時(shí)間內(nèi)通過泄漏通道的體積或質(zhì)量，即泄漏率來表示。漏與不漏（或零泄漏）是相對于某種泄漏檢測儀器的靈敏度范圍而言的。

壓力容器泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是指容器發(fā)生的泄漏率(L)不超過允許泄漏率([L])，即L≤[L]。