压力容器审核人员培训教材第二部分PPT课件下载推荐.ppt
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5所谓强度,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:
Kt
(1)这个式子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。
6公式
(1)中的左端项是结构内的应力,它是人们最为关心的问题。
求解结构的应力状态,它们的大小,是一个十分复杂的问题,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等人们进一步探讨。
7求出结构内任一点的应力后,所遇到的问题就是怎样处理这些应力。
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,这些应力对失效起什么作用,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。
8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。
9把强度理论(公式
(1))具体应用到压力容器专业,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。
101、强度设计的任务:
、强度设计的任务:
内压容器的强度设计包含设备的壁厚设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。
计和在用设备的强度校核两方面。
1)设计型计算)设计型计算根据给定的公称直径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。
以保证设备安全可靠。
2)校核型计算)校核型计算根据已有的设备公称根据已有的设备公称直径以及工作压力和温度,判断设备的使用直径以及工作压力和温度,判断设备的使用安全性。
安全性。
112、内压薄壁圆筒与封头的强度计算公式,以、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,其推导过程如壳体无力矩理论为推导基础,其推导过程如下:
下:
根据薄膜理论进行应力分析,确定薄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;
膜应力状态下的主应力;
根据弹性失效的设计准则,应用强度根据弹性失效的设计准则,应用强度理论确定应力的强度判据;
理论确定应力的强度判据;
12对封头,考虑到薄膜应力的变化和边缘对封头,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。
进应力增强系数。
根据应力强度判据,考虑腐蚀等实际因根据应力强度判据,考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。
素导出具体的计算公式。
13二、强度设计的基本知识二、强度设计的基本知识1、关于弹性失效的设计准则、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,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:
必须留有一定的安全裕度,即强度安全条件:
142、强度理论及其相应的强度条件、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:
拉伸应力状态的相当应力,同时须解决两个问题:
15根据应力状态确定主应力;
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:
16三、压力容器强度理论三、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、第一强度理论(最大主应力理论)及相应的强度条件强度条件第一强度理论认为在三向应力中,若最大应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。
力小于许用应力,则安全。
其强度条件为:
172、第二强度理论(最大线应变理论)及相第二强度理论(最大线应变理论)及相应的强度条件应的强度条件第二强度理论认为在三向应力中,若最大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。
线应变小于许用应变,则安全。
183、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(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(第三强度理论认为最大剪应力(13)是引起材料屈服破)是引起材料屈服破坏的主要因素。
坏的主要因素。
194、第四强度理论(形状改变比能理论)及相应的强第四强度理论(形状改变比能理论)及相应的强度条件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。
时,会引起屈服破坏。
其相应的强度条件:
20适用性:
适用性:
第一强度理论适用于脆性材料;
第二强度理论经试验验证不适于金属材料,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;
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。
215、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;
一种类型的破坏是型性流动破坏,第三、四强度理论以此为依据。
22建立强度理论的目的就是要找出一种材料处于复杂应力状态下的强度条件,即使是什么样的条件材料不会破坏失效。
根据不同的强度理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。
23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,就会引起村料的断裂破坏。
24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。
25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。
26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。
27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,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较远,应用不多,第三、四强度理论则适用于型性流动断裂情况。
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。
28四、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,失效准则是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,即弹性失效准则,塑性失效准则和爆破失效准则。
常规设计法采用弹性失效准则,而应力分析设计法则采用塑性失效准则。
29弹性失效准则的内容是:
容器内壁上应力最大点的材料进入屈服时,容器便失去了正常工作能力,即失效。
而塑性失效准则则认为容器内壁上应力最大点的材料进入屈服,并不导致事个容器的破坏,只有当塑性压力不断扩展,截面大部分或全部进入在屈服时,容器才丧失正常工作能力,还有一种观点认为,用塑性较好的材料制成的容器,即使整个截面全部进入屈服,但由于应变硬化,材料屈服后进一步变形需要施加更大的力,不会立即发生破坏,只有发生爆破,容器才算失效,这便是爆破失效准则。
在高压及超高压容器设计时,常用到塑性失效准则或爆破失效准则。
302、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。
31影响安全系数的因素很多,主要有:
材料性能和质量的影响。
材料性能越稳定,质量越好,安全系数就可以取得较低;
设计计算的精确性。
设计对象在生产中的重要地位和危险性,应力分析越准确,安全系数可相应较低,而设计对象在生产中越重要、危险性越大,安全系数就应较高些;
制造和检验的影响。
制造及检验水平高且稳定,安全系数可以取得较低;
32使用工次的影响。
使用工次复杂,操作条件苛刻,安全系数应较高;
某些目前还无法准确估计的因素,如人为因素,地震等意外事件的影响。
33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情能差别,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。
343、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,是国内按规则设计最早所遵循的标准。
后该标准发展成为“三部”(即机械部、化工部、中石化总公司)标准钢制石油化工压力容器设计规定,于1977年颁布实施,曾先后颁布过两个补充规定(1
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