【文章內(nèi)容簡介】 ，或采取相應(yīng)的限制措施。 JB 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》提供了以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。 GB 150 對平板、對整體法蘭（包括按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭）連接的圓筒（或接管）頸部等原件的設(shè)計或應(yīng)力計算公式，都是按塑性失效原理制定的。 ③ 彈塑性失效準(zhǔn)則 。彈塑性失效準(zhǔn)則適用于反復(fù)加載過程。按照應(yīng)力分類的概念，當(dāng)容器邊緣地區(qū)出現(xiàn)一定量的局部塑性變形時，即為容器承載的極限狀態(tài)。它考慮到由于邊緣應(yīng)力產(chǎn)生過大的 塑性變形時，將會加速疲勞破壞 或造成脆性斷裂。由于這一失效準(zhǔn)則，允許結(jié)構(gòu)有局部的塑性變形存在，且由于應(yīng)力在結(jié)構(gòu)各處的分布不均勻，局部塑性區(qū)為廣大彈性區(qū)所包圍，故稱之為彈塑性失效準(zhǔn)則。 彈塑性失效準(zhǔn)則也不適用于脆性材料。 JB 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》提供了以彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。 GB 150 對內(nèi)壓錐形和封頭和圓筒的連接、無折邊球形封頭對圓筒的連接等件的設(shè)計公式和圖表，都是按彈塑性變形失效原理制定的。 ④ 疲勞失效準(zhǔn)則 。該準(zhǔn)則認(rèn)為，容器在交變載荷作用下，當(dāng) 最大交變應(yīng)力（在 循中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 共 39 頁 環(huán)次數(shù)一定時）或循環(huán)次數(shù)（在最大交變應(yīng)力一定時）達(dá)到疲勞設(shè)計曲線的規(guī)定值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。當(dāng)設(shè)計規(guī)定要求考慮容器的疲勞問題時，除對容器進(jìn)行強(qiáng)度計算外，還需進(jìn)行疲勞設(shè)計，即進(jìn)行容器壽命計算。 “按分析設(shè)計”的容器設(shè)計規(guī)范包括疲勞設(shè)計方法。由于疲勞設(shè)計涉及彈塑性失效準(zhǔn)則，所以將疲勞設(shè)計列入分析設(shè)計體系，應(yīng)當(dāng)采用 JB/T 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)，它在選材、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗等方面都嚴(yán)于按規(guī)定設(shè)計的 GB 150 標(biāo)準(zhǔn)。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過 105 為高周疲勞， 102~105 為低周疲勞。 JB/T 4732—— 1995 規(guī)定對于常溫抗拉強(qiáng)度 ζb≤ 550MPa 的鋼材，疲勞循環(huán)次數(shù)小于 1000 次可免做疲勞分析。 對于承受疲勞載荷的壓力容器而言，通常要求采用正火鋼板且對鋼板逐張進(jìn)行超聲波檢測Ⅲ級合格，大多都要求對焊接接頭進(jìn)行百分之百無損檢測并對設(shè)備進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。采用下述措施可提高其可靠性：對焊接接頭余高打磨至與母材平齊；角焊縫的內(nèi)外尖角倒圓；適當(dāng)提高殼體厚度以降低一次應(yīng)力水平（提高設(shè)計壓力是從另一方面體現(xiàn)了這一目的，壓力波動不超過 設(shè)計壓力 20%時可以考慮免除按疲勞設(shè)計）；通過結(jié) 構(gòu)受力分析盡可能使“該薄的薄，該厚的厚”。 ⑤ 斷裂失效準(zhǔn)則 。 是按照斷裂力學(xué)概念，以造成容器低應(yīng)力脆斷時的應(yīng)力或裂紋尺寸作為臨界狀態(tài)的一種計算準(zhǔn)則。這種臨界狀態(tài)和相應(yīng)的斷裂失效準(zhǔn)則有臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子及 K 準(zhǔn)則， 臨界裂紋張開位移及 COD 準(zhǔn)則，臨界 J 積 分準(zhǔn)則。斷裂失效準(zhǔn)則一般應(yīng)用于帶有超標(biāo)缺陷的在役壓力容器的評定，以判定該容器是否可以繼續(xù)使用（有條件下的監(jiān)督使用）或報廢。 我國 在 1984 年公布的《壓力容器缺陷評定規(guī)范》（ CVDA—— 1984）后續(xù)又有 GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》， 以 COD 準(zhǔn)則 為主；工程中準(zhǔn)對應(yīng)力腐蝕的研究方法和相應(yīng)技術(shù)措施常以 KIC為主；準(zhǔn)備編制的超高壓容器標(biāo)準(zhǔn)中的材料技術(shù)指標(biāo)也是按 KIC為判斷指標(biāo)。 直接應(yīng)用斷裂失效準(zhǔn)則受到限制，但是其基本思想是被廣泛采用的，例如規(guī)則設(shè)計中對高強(qiáng)度材料制造的壓力容器給予特殊的關(guān)注；開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)中限制過厚的補(bǔ)強(qiáng)圈被使用；低溫壓力容器的特殊設(shè)計問題；碳鋼和低合金鋼 制壓力容器水壓試驗時的最低水溫限制等都是斷裂力學(xué)思想在壓力容器中的具體體現(xiàn)和應(yīng)用。 ⑥ 蠕變失效準(zhǔn)則 。 這是容器處在高溫工作下的一種設(shè)計準(zhǔn)則。容器在高溫和一定中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁 共 39 頁 應(yīng)力的長期作用下，塑性變形將不 斷積累。當(dāng)其蠕變速率（或等效蠕變應(yīng)力）達(dá)到一定值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。 按照蠕變失效準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)將容器 的蠕變值（或按蠕變方程算得的相當(dāng)應(yīng)力）限制在某一許用范圍。但規(guī)則設(shè)計對高溫容器的設(shè)計僅在某一定的高溫下選用合適的高溫用材料，并按蠕變極限和持久強(qiáng)度來確定其許用應(yīng)力，以便對蠕變值進(jìn)行控制。 一般認(rèn)為，當(dāng)溫度高于金屬材料的 ~(或以絕對溫度表示的熔點(diǎn) )時，需要考慮蠕變問題。當(dāng)碳素鋼的溫度超過 300~350oC、低合金鋼超過 400 oC、低合金鉻鉬剛超過 450 oC、奧氏體不銹鋼超過 550 oC 的情況下，考慮蠕變問題。高溫條件下鋼材許用應(yīng)力“ [ζ]t”的確定是蠕變理論在規(guī)則設(shè)計中的具體應(yīng)用。 ⑦ 腐蝕失效 。化工壓力容器的腐蝕失效是指與介質(zhì)接觸的器壁收到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕而產(chǎn)生破壞，它可以分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩大類。對腐蝕失效的控制 實質(zhì)上就是根據(jù)介質(zhì)特性正確地選用合適的材料及合適的防腐蝕措施。 在通常情況下，均勻腐蝕的限制條件，實際上就是彈性失效準(zhǔn)則的限制條件，即在按照最大主應(yīng)力計算出殼體厚度的基礎(chǔ)上增加腐蝕余量；對于局部腐蝕，它不僅與容器的用材有關(guān)，而且與介質(zhì)及其使用溫度、壓力、應(yīng)力水 平等有關(guān)，因此，局部腐蝕失效至今尚無統(tǒng)一的限制條件。 （ 3） 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) GB 150—— 1998《鋼制壓力容器》中采用的是彈性失效準(zhǔn)則。具體的解題方法：用平面力系解法，按彈性失效準(zhǔn)則來判斷容器的強(qiáng)度。對于因壓力引起的不同應(yīng)力狀態(tài)（拉、彎、扭、剪及其組合），均采用相同的許用應(yīng)力值，用調(diào)整計算公式中有關(guān)系數(shù)的方法體現(xiàn)其差別，如封頭、平蓋、密封結(jié)構(gòu)等的計算。 具體說，對于容器中存在的一次局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力以及他們的組合，采用極限分析和安定性分析準(zhǔn)則將這些應(yīng)力控制在與使用經(jīng)驗相吻合的安全水平。在標(biāo)準(zhǔn)中 ，通過限制元件結(jié)構(gòu)的某些相關(guān)尺寸、采用應(yīng)力增大系數(shù)、考慮形狀系數(shù)等公式將這些局部應(yīng)力控制 在許用范圍內(nèi) [7]。所以在確定技術(shù)方案時，特別要注意標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)內(nèi)容的“前提條件”、“邊界條件”。 壓力容器設(shè)計有兩種方法，即規(guī)則設(shè)計法和 分析設(shè)計法。前者是基于經(jīng)驗方法的設(shè)計，其典型過程是確定設(shè)計載荷，選用設(shè)計公式、曲線和表格，并對所用材料取一個安中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 39 頁 全應(yīng)力，最終給出容器的基本厚度，然后根據(jù)規(guī)范允許的構(gòu)造細(xì)則及 有關(guān)設(shè)計規(guī)則進(jìn)行制造。 GB 150—— 1998《鋼制壓力容器》為規(guī)則設(shè)計，按彈性失效準(zhǔn)則應(yīng)用解析方法進(jìn)行應(yīng)力計算，從 而簡化了設(shè)計計算，與 JB 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》相比具有計算簡單、使用方便等特點(diǎn)，故得到了廣泛應(yīng)用。在 GB 150—— 1998《鋼制壓力容器》與 JB 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》兩個標(biāo)準(zhǔn)的相互覆蓋適用范圍內(nèi)，可按經(jīng)濟(jì)效益對比和應(yīng)用配合考慮任選其一。 JB/T 4735《鋼制焊接常壓容器》與 GB 150《鋼制壓力容器》一樣都屬于規(guī)則設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 JB 4732《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的基本思路與 ASME Ⅷ — 2 相同。 GB 150、 JB 4732 和 JB/T 4735 的適用范圍和主要區(qū)別見表 2[9]。 表 2 GB 150、 JB 4732 和 JB/T 4735 的適用范圍和主要區(qū)別 項目 GB 150 JB 4732 JB/T 4735 設(shè)計壓力 ≤ P≤ 35MPa，真 空度不低于 ≤ P＜ 100MPa， 真 空度不低于 － ＜ P＜ MPa 設(shè)計溫度 按鋼材允許的使用溫度 確定（最高為 700 oC，最 低 為－ 196 oC） 低于以鋼材蠕變控制其 設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度的相應(yīng)溫 度（最高 475oC） － 20oC（大于） ~350 oC（奧氏體高合金剛 制容器和設(shè)計溫度低 于－ 20oC，但滿足低 溫低應(yīng)力工況，且調(diào) 整后的設(shè)計溫度高于 － 20oC 的容器不受此 限制） 對介質(zhì)的限制 不限 不限 不適用盛裝高度毒性 或極度危害介質(zhì)的容 器 設(shè)計準(zhǔn)則 彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則和失 穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則 塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則、失 穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則和疲勞 失效設(shè)計準(zhǔn)則，局部應(yīng)力 用極限分析和安定性分 彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則和 失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 39 頁 析結(jié)果來評定 項目 GB 150 JB 4732 JB/T 4735 應(yīng)力分析方法 以材料 力學(xué)、板殼理論公 式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增 大系數(shù)和形狀系數(shù) 彈性有限元法；塑性分析 ；彈性理論和板殼理論公 式，試驗應(yīng)力分析 以材料力學(xué)、板殼理 論公式為基礎(chǔ)，并引 入應(yīng)力增大系數(shù)和形 狀系數(shù) 強(qiáng)度理論 最大主應(yīng)力理論 最大切應(yīng)力理論 最大主應(yīng)力理論 是否適用于 疲勞分析容 器 不適用 適用，但有免除條件 不適用 在我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中， GB 150《鋼制壓力容器》是最基本的、應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)內(nèi)容與 ASMEⅧ JIS B 8270（除第 1 種容器除外）等先進(jìn)工業(yè)化國家的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)大致相當(dāng) ，但在適用范圍、許用應(yīng)力和一些技術(shù)指標(biāo)上有 所不同。下面以 ASME 標(biāo)準(zhǔn)為例進(jìn)行比較。 ① 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。中國 GB 150 與 ASME 標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍上的主要差別為壓力限定和容器用材的限制。中國標(biāo)準(zhǔn)的壓力限定有明確的數(shù)值，所適用的材料 僅為剛才；ASME 則只給出一般限定，在滿足特定的要求后，可以突破壓力限制，并且除鋼材外，也規(guī)定了有色金屬、鎳基合金、鑄鋼等材料的應(yīng)用范圍、許用應(yīng)力和制造檢驗要求等。表 3 給出了兩國標(biāo)準(zhǔn)中的壓力限定值。 表 3 中、美兩國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中壓力限定值比較（ MPa） 中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn) ASME 標(biāo) 準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)名稱 壓力限定 標(biāo)準(zhǔn)名稱 推薦壓力范圍 GB 150《鋼制壓力容器》 ≤ 35 ASMEⅧ 1 ≤ 20 JB 4732《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 ＜ 100 ASMEⅧ 2 ≤ 70 ASMEⅧ 3 ﹥ 70 ② 安全系數(shù)。許用應(yīng)力是壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中的基本參數(shù)，由材料的力學(xué)性能除以相應(yīng)的材料設(shè)計系數(shù)來確定。 GB 150 中確定鋼材許用應(yīng)力時，低碳鋼和低合金鋼的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)分別為 與 ， 與此相對應(yīng)， ASMEⅧ 1 中的數(shù)值為 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 39 頁 與 。 壓力容器 殼體形狀選擇 圓筒形殼體應(yīng)力分布比較均勻，承載能力高，較球形殼體容易制造，也便于內(nèi)件的設(shè)置和拆卸，并且藥包在載物臺上放置的部位要使爆炸時殼體內(nèi)壁各處受到的沖量盡可能相等或?qū)ΨQ，所以在這種情況下，根據(jù)我們的實際需要，本畢業(yè)設(shè)計選擇圓筒形殼體。 第 三 章 壓力容器基本參數(shù)設(shè)計 壓力容器殼體材料的選擇 材料 是構(gòu)成各種設(shè)備的物質(zhì)基礎(chǔ)，在壓力容器設(shè)計中，能夠與強(qiáng)度計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計并重唯有材料及其影響因素材料及其影響因素是設(shè)計中的難點(diǎn)。壓力容器生產(chǎn)的多樣性和設(shè)備的功能性，給選材帶來了一定的復(fù)雜性，材料科學(xué)所具有半科學(xué)、半經(jīng)驗性質(zhì)給選材更增加了難度。 （ 1） 選材原則 壓力容器用材的主要選擇依據(jù)：容器的適用條件，如溫度、壓力、介質(zhì)、操作特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；材料力學(xué)性能；材料的耐腐蝕性能，包括選材、防腐蝕結(jié)構(gòu)、防腐蝕襯里、腐蝕裕量、 條件控制等；材料的加工性能，如可焊性、冷熱加工成型性等；材料的價格及來源；同一工程設(shè)計中用材要 統(tǒng)一 。 針對目前壓力容器的現(xiàn)狀還應(yīng)當(dāng)注意，要盡量優(yōu)先選用壓力容器規(guī)范推薦的材料及國內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)中已有的材料，并且盡量采用國產(chǎn)材料。 從性能方面考慮，下述原則可供參考：以剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計為主的設(shè)備，受壓容器應(yīng)選用普通碳素鋼，以強(qiáng)度設(shè)計為主的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)性質(zhì)等使用限制，依次 選用 Q235— 、 Q235— A、 Q235— B、 Q235— C、 20R、 16MnR 等鋼板；以強(qiáng)度設(shè)計為主的普通碳素鋼壓力容器，當(dāng)板厚大于 或等于 8mm 時，可選用 16MnR等普通低合金鋼；鉻鉬低合金鋼可作為設(shè)計溫度 350~550oC 的壓力容器耐熱鋼或大于250oC 的高溫高壓抗氫用鋼；不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)、防鐵離子污染或設(shè)計溫度大于 500oC 的耐熱用鋼 （ 2） 材料問題的討論 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 39 頁 為能選擇合適的材料制造壓力容器，保證壓力容器安全正常地進(jìn)行工作，必須首先了解材料的基本性能 [10]。 金屬材料在一定的溫度和外力作用下，所表現(xiàn)出抵抗某種變形或破壞的能力 稱為材料的力學(xué)性能。下面首先簡單介紹下一般的力學(xué)性能。屈服強(qiáng)度 ζs 表現(xiàn)材料發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力，反映材料抗微量塑性變形的能力。抗拉強(qiáng)度 ζb表現(xiàn)材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值，它表示材料 抵抗斷裂的能力。伸長率 ζ 是指試樣拉斷后的伸長量與原長度之比，表現(xiàn)材料被拉伸的程度。斷面收縮率 248。指試樣拉斷后的斷面與原截面之比，表現(xiàn)材料被拉細(xì)的程度。沖擊韌性是指材料在受到外加沖擊載荷的作用下，斷裂時消耗的功除以試樣缺口斷面面積而得到的商值。斷裂韌性 KIC為第一類裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，又稱為平