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1.2 設計文件

    設計文件包括:設計圖樣、技術條件、設計計算書，必要時還應包括設計或安裝、使用說書。 若按分析設計標準設計，還應提供應力分析報告。

設計的表現(xiàn)形式，是設計者的勞動體現(xiàn)

設計計算書 :

· 包括設計條件、所用規(guī)范和標準、材料、腐蝕裕量、計算厚度、名義厚度、計算結果等。

· 裝設安全泄放裝置的壓力容器，還應計算壓力容器安全 泄放量、安全閥排量和爆破片泄放面積。

· 當采用計算機軟件進行計算時，軟件必須經(jīng)“全國鍋爐壓力容 器標準化技術委員會 ”評審鑒定，并在國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局 特種設備局認證備案 ”，打印結果中應有軟件程序編號、輸入數(shù)據(jù)和計算結果等內容。

設計圖樣 ——包括總圖和零件圖

總圖

· 包括壓力容器名稱、類別、設計條件；

· 必要時應注明壓力容器使用年限；

· 主要受壓元件材料、牌號及材料要求；

· 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；

· 耐壓試驗和氣密性試驗要求、安全附件的規(guī)格；

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

1.3 設計條件

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

設計條件圖包括簡圖、用戶要求、接管表等

簡　 圖——示意性地畫出容器本體、主要內件部分結構尺寸、接管位置、支座形式及其它需要表達的內容。

用戶要求

（1）工作介質：介質學名或分子式、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、溫度有波動時，應注明變動頻
率及變化范圍；對開、停車頻繁的容器應注明每年的開車、停車次數(shù)；
（4）其它：還應注明容積、材料、腐蝕速率、設計壽命、是否帶安全裝置、是否保溫等。

設計條件圖主要有以下幾種:

一般容器條件圖
換熱器條件圖：應注明換熱管規(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、基本風壓和地震設計烈度和場地土類別等；
攪拌容器條件圖：應注明攪拌器形式、轉速及轉向、軸功率等。

2 設計準則

由失效形式——>選擇失效判據(jù)——>得到相應設計準則——>判斷設計是否合理。

2.1 壓力容器失效

定義：壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時間內，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）強度失效——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強度失效，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)生的應力達到或接近所用材料的強度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10～20%，斷口處厚度顯著減??；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實測厚度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當接近。

原因：壁厚過?。ū诤裎唇?jīng)設計計算和壁厚因腐蝕而減?。┖蛢葔哼^高（操作失誤、液體受熱膨脹、化學反應失控等）。

嚴格按照規(guī)范設計、選材，配備相應的安全附件，且運輸、安裝、使用、檢修遵循有關的規(guī)定，韌性斷裂可以避免。

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

特征：斷裂時容器沒有膨脹，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。由于脆性斷裂時容器的實際應力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會動作，其后果要比韌性斷裂嚴重得多。
       
原因：材料脆性和缺陷。材料選用不當、焊接與熱處理不當使材料脆化；低溫、長期在高溫下運行、應變時效等也會使材料脆化；壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴重的原始缺陷（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，也會導致脆性斷裂發(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）方向都隨時間周期性（或無規(guī)則）變化的載荷。包括運行時的壓力波動、開車和停車、加熱或冷卻時溫度變化引起的熱應力變化、振動引起的應力變化、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，也會在交變載荷的反復作用下擴展而導致壓力容器疲勞。

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

· 裂紋源——往往位于接管根部、焊接接頭等高應力區(qū)或有缺陷的部位。

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

· zui終斷裂區(qū)——裂紋擴展到一定程度時的快速斷裂區(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” ，破壞需要有一定時間。

蠕變斷裂是壓力容器在高溫下長期受載，隨時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終導致壓力容器斷裂。從變形看具有韌性斷裂特征，從應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。

（3）失穩(wěn)失效——在壓應力作用下，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——實際中可能同時發(fā)生多種形式的失效。

二、失效判據(jù)與設計準則

設計思路：求得壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學響應（如應力、應變、固有頻率等），根據(jù)壓力容器zui可能發(fā)生的失效形式，確定力學響應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)——將力學分析結果與簡單實驗測量結果相比較，判別壓力容器是否會失效。這種判據(jù)，稱為失效判據(jù)。

設計準則——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)相對應的設計準則。
        
 分類：強度失效設計準則
      剛度失效設計準則
      失穩(wěn)失效設計準則
      泄漏失效設計準則
    
壓力容器設計時先確定zui可能的失效形式，然后選擇合適的失效判據(jù)和設計準則，確定使用的設計標準，再按照標準大額要求進行設計、校核。

2.2 強度失效設計準則

強度失效的兩種主要形式：屈服、斷裂。

常用的強度失效設計準則:

一、 彈性失效設計準則（韌性材料）——將容器總體部位的初始屈服視為失效。

2、任意應力狀態(tài)

（1）zui大切應力準則

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

              

（2）形狀改變比能準則

     ——形狀改變比能失效叛據(jù)——第四強度理論

       
            (4-5)

3、應力強度或相當應力
     彈性失效設計準則統(tǒng)一：
     

二、塑性失效設計準則

1、彈性失效準則與塑性失效準則的對比：

2、塑性失效設計準則

     ——理想彈塑性材料，內壓厚壁圓筒

     由 ——> ,P——設計壓力,Pso——全屈服壓力,——全屈服安全系數(shù)
三、爆破失效設計準則

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

    爆破失效設計準則：

四、彈塑性失效設計準則

——又稱為安定性準則，認為載荷變化范圍達到安定載荷，容器就失效。    

應用場合：適用于各種載荷不按同一比例遞增、載荷大小反復變化。
     
初始屈服載荷——zui大應力點進入塑性相對應的載荷。

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——>殘余應力場——>若容器所受的載荷較小——>應力疊加后小于屈服點——>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、疲勞失效設計準則

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

低周疲勞設計曲線——由試驗及理論得，虛擬應力幅與許用循環(huán)次數(shù)之間的關系曲線。
    
疲勞失效設計準則——zui大虛擬應力幅按低周疲勞設計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)，容器就不會發(fā)生疲勞失效。
    
斷裂力學理論——帶裂紋的壓力容器疲勞設計準則，即按照疲勞裂紋擴展與斷裂的規(guī)律對循環(huán)載荷作用下的容器作出安全評定。

六、蠕變失效設計準則

將應力限制在由蠕變JI限和持久強度確定的許用應力以內。

七、脆性斷裂失效設計準則

脆性斷裂——屬于斷裂力學的研究范圍，認為材料中存在缺陷，研究缺陷在載荷和環(huán)境作用下的破壞規(guī)律。
 
斷裂力學應用——（1）指導壓力容器的選材和設計（2）在役壓力容器的安全評定
 
脆性斷裂失效設計準則：

（1）破損安全設計——假設裂紋存在時，結構還能承受工作載荷——容器裂紋容限問題。
（2）先漏后爆設計——材料具有足夠韌性，快速斷裂前，裂紋已穿透壁厚，導致泄漏發(fā)生，可避免突發(fā)快速斷裂，減少損失
 說明：假設裂紋，真實裂紋（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、應力水平、zui低金屬溫度、載荷性質、介質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收指標。
（2）缺陷——盡量減少焊接接頭；提高無損檢測技術。
（3）設計——由無損檢測水平—假設高應力區(qū)存在裂紋—利用斷裂方法—裂紋安全性評估—確保容器不發(fā)生低應力脆性破壞。 

2.3 剛度失效設計準則

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

(4-9)

2.4 穩(wěn)定失效設計準則

——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 泄漏失效設計準則

對于泄漏，常用緊密性（Tightness）這一概念來比較或評價密封的有效性。緊密性用被密封流體在單位時間內通過泄漏通道的體積或質量，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計準則是指容器發(fā)生的泄漏率(L)不超過允許泄漏率([L])，即L≤[L]。