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1、主讲教师：潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院,6.1 近代化工容器设计技术进展概述,III、压力容器设计规范的主要进展,慕课课程：Massive Open Online Course Pressure Vessel Design 压力容器设计,第6章 压力容器设计技术进展,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,2,第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的应用,第六章 压力容器设计技术进展,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,3,三、容器设计规范的主要进展
2、(一)分析设计规范的出现和应用 大型高参数及高强材料的容器如何设计得更安全而又合理，一方面依靠详细的应力分析，另一方面更重要的是要正确估计各种应力对容器失效的不同影响。将不同类型的应力分别按不同的强度设计准则进行限制。ASME在1955年设立了“评述规范应力基准特别委员会”，对许用应力的基准进行研究，制订对不同类型的应力采用不同设计准则的规范。 1965年形成了ASME规范的第卷第一版，在核电站的核容器设计中采用了以应力分析为基础的设计方法。对容器的危险点进行详细的应力分析，根据原因和性质对应力进行分类，按各类应力对容器失效的危害性的差异采用不同的准则加以限制。即“以应力分析为基础的设计”，简
3、称“分析设计”(Design by Analysis)。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,4,三、容器设计规范的主要进展 (一)分析设计规范的出现和应用 ASME规范第卷“压力容器”正式分为三册，第一册(ASME1)为传统的规则设计(Design by Rules)规范，第二册(ASME2)即为“分析设计”规范 (Design by Analysis) 。第三册(ASME3)为高压容器分析设计规范。分析设计法是建立在更为科学的基础上的设计方法，更为合理可靠。 欧洲压力容器设计规范为EN13445-2002 非直接着火压力容器。中
4、国的容器分析设计规范于1995年以行业标准的形式正式公布，称为“JB 4732钢制压力容器分析设计标准”目前为JB4732-2005。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,5,三、容器设计规范的主要进展 (二)疲劳设计规范的制订 在交变载荷作用下容器应力集中区域特别容易发生疲劳失效，压力容器的疲劳不同于一般疲劳问题，属于高应变(即在屈服点以上的)低周次的疲劳失效，亦称“低周疲劳”。根据大量实验研究和理论分析建立了安全应力幅(Sa)与许用循环周次(N)的低周疲劳设计曲线，即SaN曲线。成了压力容器疲劳设计的基础。由于疲劳设计必须以应力
5、分析和应力分类为基础，疲劳设计是压力容器分析设计的重要组成部分。目前各主要工业国家都吸收ASME2的方法制订了疲劳设计规范。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,6,三、容器设计规范的主要进展 (三)防脆断设计规范的建立 低应力脆断是压力容器的主要失效形式之一，特别是由高强度材料制成的厚壁焊接容器中容易发生。在断裂力学取得重要成就的基础上，引入容器设计中构成了“防脆断设计”这一内容。美国于1971年在ASME第卷的附录G中列入了核容器设计时应考虑的防止因裂纹性缺陷导致压力容器发生低应力脆断的“防脆断设计”内容。在ASME规范第卷附录
6、A中引入了核容器在役检验时如何用断裂力学方法对裂纹缺陷进行安全评定的内容。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,7,三、容器设计规范的主要进展 (四)高温容器蠕变设计的发展 高温容器常规的设计方法仅体现在许用应力按高温蠕变强度或持久强度选取，不足以体现高温容器的寿命设计问题。高温蠕变失效问题的深入研究，将高温下蠕变的变形速率及变形量作为高温容器寿命设计的主要内容，形成了近代高温容器设计的新准则。由于高温问题的复杂性，这一设计方法目前尚未进入规范。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计
7、规范的进展,8,三、容器设计规范的主要进展 (五)欧盟EN13445标准的问世 美国ASME锅炉压力容器规范在世界各国产生了近一个世纪的重大影响。欧洲标准化组织(CEN)制订的EN 13445非直接火压力容器标准已于2002年问世，涵盖了0.05MPa以上压力容器的常规设计方法、应力分类法、分析设计法与疲劳设计法，而且提出了许多设计的新概念及新设计方法。针对防止密封失效所提出的限定各种泄漏率的密封设计方法是非常有特色的。以致在世界压力容器技术标准方面形成了美国ASME和欧盟13445两大体系的新格局。这些都非常值得重视和深入研究。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技
8、术进展概述-压力容器设计规范的进展,9,三、容器设计规范的主要进展 (五)欧盟EN13445标准的问世 EN13445适用于设计压力大于0.5巴，材料为铁素体或奥氏体钢的非直接接触火焰压力容器，设计温度低于钢材蠕变控制许用应力的相应温度。该标准不适用于以下承压设备：移动式压力容器；失效后导致辐射影响的核设施上的压力容器；能产生110以上过热水蒸气的压力容器；采用铆接结构的压力容器；灰口铸铁和其他EN13445-2和EN13445-6中没有包括的材料制造的压力容器；多层容器和经自增强处理（包括内表面挤压处理）的容器；长输管道和工业管道。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设
9、计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,10,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： (1) EN13445-1 总则，介绍标准应用的主要基本原理，并提出适用于标准的一些定义、物理量、符号以及单位。在这一部分中还要求制造厂商编制完备的设计说明书和相关技术文件。 (2) EN13445-2 材料，详细说明了标准支持的用于非直接接触火焰压力容器的金属材料种类以及材料的选择、审查、检测和标志。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,11,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445
10、标准的问世 主要内容标准共分七篇： (3) EN13445-3 设计，提供了内、外压容器和承压元件的设计原理与计算方法。主要包括各种形状的壳体、矩形截面容器、换热器管板以及开孔补强等的设计方法。同时也给出受局部载荷或非压力载荷作用下容器各个部件的设计方法。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,12,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： (4) EN13445-4 制造，详细说明了各个部件制造过程中的要求，即材料的制造和分包，加工过程中监测、加工公差、焊接要求、成形加工要求、产品试验
11、、热处理、修理和最后完成的工序等。这一部分的要求不适用采用分析设计直接法的压力容器。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,13,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： (5) EN13445-5 检测与试验，按照该标准对压力容器的要求，介绍了各种检测和试验程序，其中包括对设计资料和技术文件的审查。无损检测是这一部分的主要内容，包括检测文件、材料跟踪报告、焊缝两侧的修整以及焊缝检测程序等。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展
12、,14,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： (6) EN13445-6 球墨铸铁材料压力容器及部件的设计、制造要求，指出了球墨铸铁压力容器的设计与检测方法的特殊要求，如最大许用压力、壁厚和无损检测、外观检测等都需要有其专门的规定。 (7) EN13445-7 标准使用指南，按照该指南的方法，使EN13445的评估模式、危险性指标和容器分类都符合PED的安全性要求。 (Pressure Equipment Directive 97/23/EC, PED) 承压设备法令,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-
13、压力容器设计规范的进展,15,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： EN13445的诞生使世界上有了一套全新的压力容器标准，它的本意是为了具体体现欧盟承压设备法令对于压力容器的基本安全要求，破除欧盟各成员国因压力容器标准的不同而形成的贸易壁垒，促进压力容器设备在欧盟范围内的自由贸易及安全运行，同时避免不必要的重复认证和检验而造成的浪费。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,16,三、容器设计规范的主要进展 (五) 欧盟EN13445标准的问世 主要内容标准共分七篇： 它的许多创新成
14、果对于我国压力容器技术发展和标准制定都有重要的参考价值，比如它在分析设计方面的直接法、在开孔补强方面的压力面积法、在疲劳设计方面的简单疲劳寿命评定法及正在完善中的高温 (蠕变)设计、试验设计方法等等，都是值得我们借鉴的，它的疲劳设计也在进一步的发展中。 。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,17,第一节 近代化工容器设计技术进展概述 一、容器的失效模式 二、化工容器设计准则的发展 三、容器设计规范的主要进展 四、近代设计方法的应用,第六章 压力容器设计技术进展,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,18,四、
15、近代设计方法的应用 (一)数值分析法 现代压力容器的分析设计、疲劳设计等，涉及到对容器特殊部位的详细应力分析，大部分情况将必须依靠数值计算方法借助电子计算机来完成。常用的数值计算方法是有限元素法。将连续的结构体离散为有限个单元，单元间靠节点相连，有限数量的单元组合体来代替原有的连续体。建立外载荷作用下的方程，这是个大型联立方程组，由计算机完成计算。可用来解决杆系、板、壳、轴对称与非轴对称结构的节点位移、应变与应力的计算。有限元法可求解静态应力、热应力以及稳定问题和振动问题。可求解弹性、弹塑性、蠕变和大挠度问题，还可求解结构发生塑性失效的极限载荷。国际上有许多著名的结构分析的有限元程序，如ANS
16、YS等。涉及结构型性大变形等非线性问题时，用ABAQUSStandard更显优越。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,19,四、近代设计方法的应用 (二)计算机辅助设计 将容器设计的标准计算方法编制成计算机程序代替人工设计并用计算机完成绘图，这就是现代的计算机辅助设计(CAD)。现将容器计算规范的全部内容编制成一个大型程序，便成为可包罗容器设计计算全部内容的“软件包”。设计时只需输入必要的信息和指令，可自动调用软件包中的任意一章或数章，由计算机完成全部计算，计算结果可全部打印出来。还可由计算机完成绘图工作，大大提高设计工作的效率。
17、用计算机代替人工绘图是采用编制好的化工容器及化工设备绘图软件，根据设计人员的指令进行总图与零部件图的绘制。中国已具有这方面的较为成熟的商品软件，许多专业设计院所已正式采用 。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,20,四、近代设计方法的应用 (三)优化设计与专家系统 压力容器的优化设计就是有综合决策功能的设计。三方面的参数需处理：结构的独立设计参数，如材料性能、设备尺寸、设计压力与温度等；结构状态参数(中间变量)，如应力、形变、压力降等，需经计算分析后获得；结构性能参数，如成本、利润、重量、容积、效率、功率或精度等，这些是设计追求优
18、化的目标，因而称为目标函数。优化设计是通过优化方法反复迭代演算，得到符合优化目标的明确的最优结果。优化设计必须依靠计算机进行，核心问题是选择适当的优化方法。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,21,四、近代设计方法的应用 (三)优化设计与专家系统 压力容器领域中的许多问题需要由拥有这一领域知识、熟知其规律和方法的专家才能解决。如果建立一计算机软件系统，使其拥有像人类专家一样的分析、推理、学习、综合判断与决策的能力，可以得到和专家相同的结论，起到专家的作用，这就是人工智能技术中的专家系统。一般软件只是用计算机直接搜索现存的答案，而专家系统中贮存的是进行逻辑推理的能力、必要的知识库和数据库，容器专家系统可在设计决策、运行管理、故障分析等方面发挥特殊作用。,第一节 近代化工容器设计技术进展概述,6.3近代化工容器设计技术进展概述-压力容器设计规范的进展,22,本 节 完,谢 谢 大 家！,慕课课程：Massive Open Online Course Pressure Vessel Design 压力容器设计,6.3 近代化工容器设计技术进展概述 压力容器设计规范的进展,