北京化工大学：《过程设备设计》课程教学资源（课件讲稿）第四章 压力容器设计 Design of Pressure Vessels 4.2 设计准则

4.2设计准则 过程设备设计 4.2设计准则 教学重点： 强度失效设计准则。 教学难点： 弹塑性失效设计准则。 3

4.2 设计准则 过程设备设计 4.2 设计准则 教学重点： 强度失效设计准则。 教学难点： 3 教学难点： 弹塑性失效设计准则

4.2设计准则 过程设备设计 4.2设计准则 失效形式 (选择) 失效判据 (相应) 设计准则 (判别) 设计是否合理

4.2 设计准则 过程设备设计 失效形式 失效判据 （选择） （相应） 4.2 设计准则 4 设计准则 设计是否合理 （判别）

4.2设计准则 过程设备设计 4.2.1压力容器失效 定义一压力容器在规定的 失效原因多种多样 使用环境和时间内， 因尺寸、形状或者材 料性能变化而危及安 全或者丧失正常功能 失效表现形式一一 的现象，称为压力容 过度变形 器失效。 断裂 泄漏 5

过程设备设计 4.2.1 压力容器失效 定义——压力容器在规定的 使用环境和时间内， 因尺寸、形状或者材 料性能变化而危及安 失效原因多种多样 4.2 设计准则 5 料性能变化而危及安 全或者丧失正常功能 的现象，称为压力容 器失效。 失效表现形式—— 过度变形 断裂 泄漏

4.2设计准则 过程设备设计 4.2.1压力容器失效 压力容器失效形式 压力容器失效形式有多种分类方法。 根据失效机理的不同，压力容器失效可分为突发型失效 (catastrophic failure)和退化型失效(degradation failure)。 突发型失效又称短期失效，是指容器在丧失功能之前保 持或基本保持所需功能，但由于某种原因在某个时刻突然失 效，如韧性断裂、脆性断裂、失稳等； 退化型失效是指随着工作时间的延长，容器性能参数逐 渐下降，直到超过某一临界值而导致的失效，如腐蚀断裂、 蠕变断裂、疲劳断裂等

4.2 设计准则 过程设备设计 一、压力容器失效形式 、压力容器失效形式 压力容器失效形式 压力容器失效形式 4.2.1 压力容器失效 压力容器失效形式有多种分类方法。 根据失效机理的不同，压力容器失效可分为突发型失效 ，压力容器失效可分为突发型失效 （catastrophic failure （catastrophic failure catastrophic failure）和退化型失效（degradation （degradation failure）。 failure）。 6 突发型失效又称短期失效，是指容器在丧失功能之前保 ，是指容器在丧失功能之前保 持或基本保持所需功能，但由于某种原因在某个时刻突然失 ，但由于某种原因在某个时刻突然失 效，如韧性断裂、脆性断裂、失稳等； 退化型失效是指随着工作时间的延长，容器性能参数逐 ，容器性能参数逐 渐下降，直到超过某一临界值而导致的失效 ，直到超过某一临界值而导致的失效，如腐蚀断裂、 蠕变断裂、疲劳断裂等

4.2设计准则 过程设备设计 4.2.1压力容器失效 一、压力容器失效形式 (1)强度失效 (2)刚度失效 失效原因 (3)失稳失效 (4)泄漏失效 7

4.2 设计准则 过程设备设计 一、压力容器失效形式 、压力容器失效形式 压力容器失效形式 压力容器失效形式 （1）强度失效 （2）刚度失效 （3）失稳失效 失效原因 4.2.1 压力容器失效 7 （3）失稳失效 （4）泄漏失效

4.2设计准则 过程设备设计 4.2.1压力容器失效 (1)强度失效 因材料屈服或断裂引起的压力容器失效， 称为强度失效，包括 (a)韧性断裂 (b)脆性断裂 (c)疲劳断裂 (d)蠕变断裂 (e)腐蚀断裂等。 a.韧性断裂一压力容器在载荷作用下，产生的应力达到 或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。 8

过程设备设计 （1）强度失效——因材料屈服或断裂引起的压力容器失效， 称为强度失效，包括 （a）韧性断裂 （b）脆性断裂 （c）疲劳断裂 4.2 设计准则 4.2.1 压力容器失效 8 a.韧性断裂——压力容器在载荷作用下，产生的应力达到 ，产生的应力达到 或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。 （d）蠕变断裂 （e）腐蚀断裂等

4.2设计准则 过程设备设计 4.2.1压力容器失效 韧性断裂 断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀， 特征 周长伸长率可达10~20%，断口处厚度显著 减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚 课本第1 度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。 页彩图3 原因 壁厚过薄和内压过高 壁厚未经设计 操作失误、液体 计算和壁厚因 受热膨胀、化学 腐蚀而减薄 反应失控等。 9

4.2 设计准则 过程设备设计 韧性断裂 特征 断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀， 周长伸长率可达10～20%，断口处厚度显著 ，断口处厚度显著 减薄；没有碎片，或偶尔有碎片 ，或偶尔有碎片；按实测厚 度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。 课本第1 页彩图3 4.2.1 压力容器失效 9 原因 壁厚过薄和内压过高 壁厚未经设计 计算和壁厚因 腐蚀而减薄 操作失误、液体 受热膨胀、化学 反应失控等

4.2设计准则 过程设备设计 4.2.1压力容器失效 图3薄壁容器 韧性断裂外观 10

4.2 设计准则 过程设备设计 4.2.1 压力容器失效 10 图3 薄壁容器 韧性断裂外观

4.2设计准则 过程设备设计 4.2.1压力容器失效 严格按照规范设计、选材， 配备相应的安全附件， 且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定 韧性断裂可以避免 11

且运输 检修遵循有关的规定 严格按照规范设计、选材， 配备相应的安全附件， 且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定 、检修遵循有关的规定 4.2 设计准则 过程设备设计 4.2.1 压力容器失效 11 韧性断裂可以避免

4.2设计准则 过程设备设计 4.2.1压力容器失效 b.脆性断裂一指变形量很小、且在壳壁中的应力值 远低于材料强度极限时发生的断裂。 这种断裂是在较低应力状态下发生，故 又称为低应力脆断。 脆性断裂 断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形； 特征 其断口齐平，并与最大应力方向垂直： 断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。 课本第1 由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆 页彩图2 破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比 韧性断裂严重得多。 12

4.2 设计准则 过程设备设计 b.脆性断裂——指变形量很小、且在壳壁中的 、且在壳壁中的应力值 远低于材料强度极限时发生的断裂。 这种断裂是在较低应力状态下发生，故 又称为低应力脆断。 4.2.1 压力容器失效 12 断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形 ，即无明显的塑性变形； 其断口齐平，并与最大应力方向垂直 ，并与最大应力方向垂直； 断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片 ，常使容器断裂成碎片。 由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆 破片、安全阀等安全附件不会动作 、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比 韧性断裂严重得多。 课本第1 页彩图2 脆性断裂 特征