壓力容器設(shè)計技術(shù)進展-壓力容器設(shè)計規(guī)范的主要進展

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主講教師：潘家禎華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,6.1 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,—III、壓力容器設(shè)計規(guī)范的主要進展,慕課課程：Massive Open Online CoursePressure Vessel Design 壓力容器設(shè)計,第6章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,2,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器設(shè)計準則的發(fā)展 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,3,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (一)分析設(shè)計規(guī)范的出現(xiàn)和應(yīng)用 大型高參數(shù)及高強材料的容器如何設(shè)計得更安全而又合理，一方面依靠詳細的應(yīng)力分析，另一方面更重要的是要正確估計各種應(yīng)力對容器失效的不同影響。將不同類型的應(yīng)力分別按不同的強度設(shè)計準則進行限制。 ASME在1955年設(shè)立了“評述規(guī)范應(yīng)力基準特別委員會”，對許用應(yīng)力的基準進行研究，制訂對不同類型的應(yīng)力采用不同設(shè)計準則的規(guī)范。 1965年形成了ASME規(guī)范的第Ⅲ卷第一版，在核電站的核容器設(shè)計中采用了以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。 對容器的危險點進行詳細的應(yīng)力分析，根據(jù)原因和性質(zhì)對應(yīng)力進行分類，按各類應(yīng)力對容器失效的危害性的差異采用不同的準則加以限制。即“以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計”，簡稱“分析設(shè)計”(Design by Analysis)。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,4,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (一)分析設(shè)計規(guī)范的出現(xiàn)和應(yīng)用 ASME規(guī)范第Ⅷ卷“壓力容器”正式分為三冊，第一冊(ASMEⅧ—1)為傳統(tǒng)的規(guī)則設(shè)計(Design by Rules)規(guī)范， 第二冊(ASMEⅧ—2)即為“分析設(shè)計”規(guī)范 (Design by Analysis) 。 第三冊(ASMEⅧ—3)為高壓容器分析設(shè)計規(guī)范。 分析設(shè)計法是建立在更為科學(xué)的基礎(chǔ)上的設(shè)計方法，更為合理可靠。 歐洲壓力容器設(shè)計規(guī)范為EN13445-2002 非直接著火壓力容器。 中國的容器分析設(shè)計規(guī)范于1995年以行業(yè)標(biāo)準的形式正式公布，稱為“JB 4732鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準”目前為JB4732-2005。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,5,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (二)疲勞設(shè)計規(guī)范的制訂 在交變載荷作用下容器應(yīng)力集中區(qū)域特別容易發(fā)生疲勞失效，壓力容器的疲勞不同于一般疲勞問題，屬于高應(yīng)變(即在屈服點以上的)低周次的疲勞失效，亦稱“低周疲勞”。 根據(jù)大量實驗研究和理論分析建立了安全應(yīng)力幅(Sa)與許用循環(huán)周次(N)的低周疲勞設(shè)計曲線，即Sa—N曲線。成了壓力容器疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)。由于疲勞設(shè)計必須以應(yīng)力分析和應(yīng)力分類為基礎(chǔ)，疲勞設(shè)計是壓力容器分析設(shè)計的重要組成部分。目前各主要工業(yè)國家都吸收ASMEⅧ—2的方法制訂了疲勞設(shè)計規(guī)范。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,6,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (三)防脆斷設(shè)計規(guī)范的建立 低應(yīng)力脆斷是壓力容器的主要失效形式之一，特別是由高強度材料制成的厚壁焊接容器中容易發(fā)生。在斷裂力學(xué)取得重要成就的基礎(chǔ)上，引入容器設(shè)計中構(gòu)成了“防脆斷設(shè)計”這一內(nèi)容。 美國于1971年在ASME第Ⅲ卷的附錄G中列入了核容器設(shè)計時應(yīng)考慮的防止因裂紋性缺陷導(dǎo)致壓力容器發(fā)生低應(yīng)力脆斷的“防脆斷設(shè)計”內(nèi)容。在 ASME規(guī)范第Ⅺ卷附錄A中引入了核容器在役檢驗時如何用斷裂力學(xué)方法對裂紋缺陷進行安全評定的內(nèi)容。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,7,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (四)高溫容器蠕變設(shè)計的發(fā)展 高溫容器常規(guī)的設(shè)計方法僅體現(xiàn)在許用應(yīng)力按高溫蠕變強度或持久強度選取，不足以體現(xiàn)高溫容器的壽命設(shè)計問題。 高溫蠕變失效問題的深入研究，將高溫下蠕變的變形速率及變形量作為高溫容器壽命設(shè)計的主要內(nèi)容，形成了近代高溫容器設(shè)計的新準則。 由于高溫問題的復(fù)雜性，這一設(shè)計方法目前尚未進入規(guī)范。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,8,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五)歐盟EN13445標(biāo)準的問世 美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范在世界各國產(chǎn)生了近一個世紀的重大影響。 歐洲標(biāo)準化組織(CEN)制訂的EN 13445非直接火壓力容器標(biāo)準已于2002年問世，涵蓋了0.05MPa以上壓力容器的常規(guī)設(shè)計方法、應(yīng)力分類法、分析設(shè)計法與疲勞設(shè)計法，而且提出了許多設(shè)計的新概念及新設(shè)計方法。 針對防止密封失效所提出的限定各種泄漏率的密封設(shè)計方法是非常有特色的。以致在世界壓力容器技術(shù)標(biāo)準方面形成了美國ASME和歐盟13445兩大體系的新格局。這些都非常值得重視和深入研究。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,9,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五)歐盟EN13445標(biāo)準的問世 EN13445適用于設(shè)計壓力大于0.5巴，材料為鐵素體或奧氏體鋼的非直接接觸火焰壓力容器，設(shè)計溫度低于鋼材蠕變控制許用應(yīng)力的相應(yīng)溫度。該標(biāo)準不適用于以下承壓設(shè)備：移動式壓力容器；失效后導(dǎo)致輻射影響的核設(shè)施上的壓力容器；能產(chǎn)生110℃以上過熱水蒸氣的壓力容器；采用鉚接結(jié)構(gòu)的壓力容器；灰口鑄鐵和其他EN13445-2和EN13445-6中沒有包括的材料制造的壓力容器；多層容器和經(jīng)自增強處理（包括內(nèi)表面擠壓處理）的容器；長輸管道和工業(yè)管道。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,10,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五) 歐盟EN13445標(biāo)準的問世 主要內(nèi)容——標(biāo)準共分七篇： (1) EN13445-1 總則，介紹標(biāo)準應(yīng)用的主要基本原理，并提出適用于標(biāo)準的一些定義、物理量、符號以及單位。在這一部分中還要求制造廠商編制完備的設(shè)計說明書和相關(guān)技術(shù)文件。 (2) EN13445-2 材料，詳細說明了標(biāo)準支持的用于非直接接觸火焰壓力容器的金屬材料種類以及材料的選擇、審查、檢測和標(biāo)志。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,11,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五) 歐盟EN13445標(biāo)準的問世 主要內(nèi)容——標(biāo)準共分七篇： (3) EN13445-3 設(shè)計，提供了內(nèi)、外壓容器和承壓元件的設(shè)計原理與計算方法。主要包括各種形狀的殼體、矩形截面容器、換熱器管板以及開孔補強等的設(shè)計方法。同時也給出受局部載荷或非壓力載荷作用下容器各個部件的設(shè)計方法。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,12,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五) 歐盟EN13445標(biāo)準的問世 主要內(nèi)容——標(biāo)準共分七篇： (4) EN13445-4 制造，詳細說明了各個部件制造過程中的要求，即材料的制造和分包，加工過程中監(jiān)測、加工公差、焊接要求、成形加工要求、產(chǎn)品試驗、熱處理、修理和最后完成的工序等。這一部分的要求不適用采用分析設(shè)計──直接法的壓力容器。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,13,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五) 歐盟EN13445標(biāo)準的問世 主要內(nèi)容——標(biāo)準共分七篇： (5) EN13445-5 檢測與試驗，按照該標(biāo)準對壓力容器的要求，介紹了各種檢測和試驗程序，其中包括對設(shè)計資料和技術(shù)文件的審查。無損檢測是這一部分的主要內(nèi)容，包括檢測文件、材料跟蹤報告、焊縫兩側(cè)的修整以及焊縫檢測程序等。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,14,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五) 歐盟EN13445標(biāo)準的問世 主要內(nèi)容——標(biāo)準共分七篇： (6) EN13445-6 球墨鑄鐵材料壓力容器及部件的設(shè)計、制造要求，指出了球墨鑄鐵壓力容器的設(shè)計與檢測方法的特殊要求，如最大許用壓力、壁厚和無損檢測、外觀檢測等都需要有其專門的規(guī)定。(7) EN13445-7 標(biāo)準使用指南，按照該指南的方法，使EN13445的評估模式、危險性指標(biāo)和容器分類都符合PED的安全性要求。(Pressure Equipment Directive 97/23/EC, PED) 承壓設(shè)備法令,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,15,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五) 歐盟EN13445標(biāo)準的問世 主要內(nèi)容——標(biāo)準共分七篇： EN13445的誕生使世界上有了一套全新的壓力容器標(biāo)準，它的本意是為了具體體現(xiàn)歐盟承壓設(shè)備法令對于壓力容器的基本安全要求，破除歐盟各成員國因壓力容器標(biāo)準的不同而形成的貿(mào)易壁壘，促進壓力容器設(shè)備在歐盟范圍內(nèi)的自由貿(mào)易及安全運行，同時避免不必要的重復(fù)認證和檢驗而造成的浪費。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,16,三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 (五) 歐盟EN13445標(biāo)準的問世 主要內(nèi)容——標(biāo)準共分七篇： 它的許多創(chuàng)新成果對于我國壓力容器技術(shù)發(fā)展和標(biāo)準制定都有重要的參考價值，比如它在分析設(shè)計方面的直接法、在開孔補強方面的壓力面積法、在疲勞設(shè)計方面的簡單疲勞壽命評定法及正在完善中的高溫 (蠕變)設(shè)計、試驗設(shè)計方法等等，都是值得我們借鑒的，它的疲勞設(shè)計也在進一步的發(fā)展中。 。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,17,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器設(shè)計準則的發(fā)展 三、容器設(shè)計規(guī)范的主要進展 四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用,第六章 壓力容器設(shè)計技術(shù)進展,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,18,四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 (一)數(shù)值分析法 現(xiàn)代壓力容器的分析設(shè)計、疲勞設(shè)計等，涉及到對容器特殊部位的詳細應(yīng)力分析，大部分情況將必須依靠數(shù)值計算方法借助電子計算機來完成。 常用的數(shù)值計算方法是有限元素法。將連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為有限個單元，單元間靠節(jié)點相連，有限數(shù)量的單元組合體來代替原有的連續(xù)體。建立外載荷作用下的方程，這是個大型聯(lián)立方程組，由計算機完成計算。 可用來解決桿系、板、殼、軸對稱與非軸對稱結(jié)構(gòu)的節(jié)點位移、應(yīng)變與應(yīng)力的計算。有限元法可求解靜態(tài)應(yīng)力、熱應(yīng)力以及穩(wěn)定問題和振動問題?？汕蠼鈴椥浴椝苄?、蠕變和大撓度問題，還可求解結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性失效的極限載荷。國際上有許多著名的結(jié)構(gòu)分析的有限元程序，如ANSYS等。涉及結(jié)構(gòu)型性大變形等非線性問題時，用ABAQUS／Standard更顯優(yōu)越。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,19,四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 (二)計算機輔助設(shè)計 將容器設(shè)計的標(biāo)準計算方法編制成計算機程序代替人工設(shè)計并用計算機完成繪圖，這就是現(xiàn)代的計算機輔助設(shè)計(CAD)。 現(xiàn)將容器計算規(guī)范的全部內(nèi)容編制成一個大型程序，便成為可包羅容器設(shè)計計算全部內(nèi)容的“軟件包”。設(shè)計時只需輸入必要的信息和指令，可自動調(diào)用軟件包中的任意一章或數(shù)章，由計算機完成全部計算，計算結(jié)果可全部打印出來。還可由計算機完成繪圖工作，大大提高設(shè)計工作的效率。 用計算機代替人工繪圖是采用編制好的化工容器及化工設(shè)備繪圖軟件，根據(jù)設(shè)計人員的指令進行總圖與零部件圖的繪制。中國已具有這方面的較為成熟的商品軟件，許多專業(yè)設(shè)計院所已正式采用 。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,20,四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 (三)優(yōu)化設(shè)計與專家系統(tǒng) 壓力容器的優(yōu)化設(shè)計就是有綜合決策功能的設(shè)計。三方面的參數(shù)需處理： ①結(jié)構(gòu)的獨立設(shè)計參數(shù)，如材料性能、設(shè)備尺寸、設(shè)計壓力與溫度等； ②結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)(中間變量)，如應(yīng)力、形變、壓力降等，需經(jīng)計算分析后獲得； ③結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，如成本、利潤、重量、容積、效率、功率或精度等，這些是設(shè)計追求優(yōu)化的目標(biāo)，因而稱為目標(biāo)函數(shù)。 優(yōu)化設(shè)計是通過優(yōu)化方法反復(fù)迭代演算，得到符合優(yōu)化目標(biāo)的明確的最優(yōu)結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計必須依靠計算機進行，核心問題是選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,21,四、近代設(shè)計方法的應(yīng)用 (三)優(yōu)化設(shè)計與專家系統(tǒng) 壓力容器領(lǐng)域中的許多問題需要由擁有這一領(lǐng)域知識、熟知其規(guī)律和方法的專家才能解決。 如果建立一計算機軟件系統(tǒng)，使其擁有像人類專家一樣的分析、推理、學(xué)習(xí)、綜合判斷與決策的能力，可以得到和專家相同的結(jié)論，起到專家的作用，這就是人工智能技術(shù)中的專家系統(tǒng)。 一般軟件只是用計算機直接搜索現(xiàn)存的答案，而專家系統(tǒng)中貯存的是進行邏輯推理的能力、必要的知識庫和數(shù)據(jù)庫，容器專家系統(tǒng)可在設(shè)計決策、運行管理、故障分析等方面發(fā)揮特殊作用。,第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述,6.3近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述-Ⅲ壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,22,本 節(jié) 完,謝 謝 大 家！,慕課課程：Massive Open Online CoursePressure Vessel Design 壓力容器設(shè)計,6.3 近代化工容器設(shè)計技術(shù)進展概述 —Ⅲ 壓力容器設(shè)計規(guī)范的進展,