壁厚满足要求
韧性断裂
压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料 的强度极限而发生的断裂。 特点
断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓 胀，断口处厚度减薄，断裂时几乎不形成碎片。 失效原因 ① 容器厚度不够。 ② 压力过大。
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脆性断裂
（低应力脆断）
器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。
特点
pc ( Di e ) [ ]t 2 e
t
最大允许工作压力
2 e [ ]t [ pw ] Di e
pc 0.4 ]t 时（单层厚壁圆筒） [
按塑性失效设计准则：
Ri ( K 1) Ri (e
按爆破失效设计准则：
3ns 0 p 2 s
水压试验压力PT 1.25P [ ] 1.25 1.6 2.0 MPa t [ ]
PT gh 2.0 1000 9.8 4.5 106 2.044MPa
T
PT ( Di e ) 135.3MPa 0.9 s 211.5MPa 2 e
厚壁圆筒
(
D0
e
20)
需同时考虑稳定性和强度
2.25 ) ( D / 0.0625 B （稳定性） 0 e [ P] min 2 0 (1 D0 ) （强度） D0 / e e
2[ ]t 0 min 其中： t 0.9 st 或0.9 0.2
（2）整体绕制，无环焊缝。
（3）带层呈网状，不会整体裂开。 扁平钢带倾角错绕式 （4）扁平钢带成本低，绕制方便。
内压圆筒强度设计
单层内压圆筒
壁厚计算
pc Di t 2[ ] pc
pc 计算压力
焊接接头系数
适用范围： c 0.4 ]t p [
强度校核
工作应力
1)
Ri ( K 1) Ri (e
2 s ( 2 s ) b
3nb
p
1)
多层圆筒壁厚
pc Di 2[ ]t pc
注意
i 0 t [ ] [ i ] i [ 0 ]t 0 n n
t
最小厚度
碳素钢、低合金钢制容器：δmin≥3mm
特点
① 对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前发 生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。 ② 对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明显 塑性变形，具有脆性断裂的特征。
失效原因
介质腐蚀
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解析法
外压圆筒设计
图解法
短圆筒的临界压力
D0 pcr 2.59E L ( ) D0
长圆筒的临界压力
3
(
e
)
2.5
轴向受压圆筒:
E e cr 0.25 Ri
(m=4)
图算法
设计压力
1、真空容器 1.25( p 0 p i ) max 有安全装置时：p min
0.1MPa
设计参数 的规定
无安全装置时：p=0.1Mpa 2、带夹套的真空容器 p取真空容器的设计压力加上夹套压力
3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器） p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大 内外压力差 即：p≥(p0-pi)max 注意：最大内外压差的取值
2、强度校核
pT ( Di e ) T 0.9 S ( 0.2 ) 2 e
注意 如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校 核时，PT 应加上容器立置充满水时的最大液柱 压力。
气压试验
1、气压试验
[ ] p 1.15 p ● 内压容器： T [ ]t
●
外压容器和真空容器： pT 1.15 p
特点
① 断口上有贝纹状的疲劳裂纹。 ② 断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑 性变形。 ③ 如果材料韧性较好，通过合理设计可实现 “未爆先漏”。
失效原因
① 交变载荷。 ② 疲劳裂纹。
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蠕变断裂
压力容器长时间在高温下受载，材料的蠕变变形会 随时间而增长，容器发生鼓胀变形，厚度明显减薄， 最终导致压力容器断裂。
第4章 压力容器设计

§4-1 概述
压力容器设计 基本要求
安全 经济
合理选取结构、 材料、参数等
合理选择设计方法
常规设计和分析设计结果比较
压力容器设计 基本内容
、检验等方面 结构设计 — 满足工艺、制造、使用 理、经济的结构形式。 的要求，设计简单、合 强度和刚度设计— 通过强度和刚度计算， 确定零 主要设计内容 适的材料。 部件结构尺寸，选择合 密封设计 — 选择或设计合理的密封 结构，选择合 适的密封材料。
工作介质 压力和温度 设计要求 操作方式和要求 其它（材料、设计寿命 、腐蚀速率、保温条件 等）
§4-2 设计准则
强度失效 刚度失效 压力容器的失效形式 失稳失效 泄漏失效 交互失效
韧性断裂 脆性断裂 强度失效形式疲劳断裂 蠕变断裂 腐蚀断裂
压力容器失效判据
—判断压力容器是否失效
由力学分析得到力学分析结果
由实验测得失效数值
失效判据
压力容器设计准则
强度失效设计准则 刚度失效设计准则 压力容器设计准则 稳定失效设计准则 泄漏失效设计准则
弹性失效设计准则 塑性失效设计准则 爆破失效设计准则 强度失效设计准则 弹塑性失效设计准则 疲劳失效设计准则 蠕变失效设计准则 脆性断裂失效设计准则
单层式圆筒的优点：不存在层间 松动等薄弱环节，能较好地保证 筒体的强度。 单层式圆筒的缺点：
1、单层厚壁圆筒对制造设备的要 求高。 2、材料的浪费大。
3、锻焊式圆筒存在较深的纵、环 焊缝，不便于焊接和检验。
层板包扎式
优点 （1）对加工设备的要求不高。 （2）压缩预应力可防止裂纹的扩展。 （3）内筒可采用不锈钢防腐。 （4）层板厚度薄，韧性好，不易发 生脆性断裂。
高合金钢制容器：δmin≥2mm
设计参数的选取
设计压力p
1、设计压力由工艺条件确定，在设计过程中是一个 定值；工作压力在容器正常工作过程中可能变动，容 器顶部和底部的工作压力也可能不同。 2、要求设计压力不低于最大工作压力。 即：P≥ PW 3、PC= P+PL (当PL≤5% P时， PL可忽略不计)
设计压力的规定
1、容器上装有安全阀时
P=(1.05~1.10)PW 2、容器上装有爆破膜时 P=(1.15~1.30)PW 3、盛装液化气体的容器 设计压力取工作时可能达到的最高温度下 液化气体的饱和蒸气压
设计温度t
----容器在正常工作情况下设定元件的金属温度。 元件金属温度高于零度时，设计温度不得低于元 件可能达到的最高温度；
① 断口平齐，且与最大主应力方向垂直。 ② 容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重 后果。 ③ 断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低， 安全阀、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有 突发性。
失效原因
① 材料的脆性。 ② 材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。
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疲劳断裂
在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。

Pc Di 1.6 1800 12.83m m 2[ ]t PC 2 113 1.0 1.6
n C1 C 2 12.83 1.5 0.8
15.13 0.87 16m m
n C 2 min
e pcr 2.2 E D 0
几 何 参 数 计 算 图
壁 厚 计 算 图
外压圆筒设计设计步骤：
薄壁圆筒
假设δn
(
D0
e
20)
计算δe
计算（D0/δe)和（L / D0)
几何参数计算图（A）
壁厚计算图（B） 验算PC≤[P]，若满足，则假设δn 合适，否则重新计算。
2、强度校核
pT ( Di e ) T 0.8 S ( 0.2 ) 2 e
气密性试验
●
容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力 PT=1.0P。
容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应 低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。
●
通常取PT=1.0PW。
练习题
设 计 压 力 为 1 . 6 Mpa 的 储 液 罐 罐 体 ， 材 料 Q235-A， Di=1800mm， 罐 体 高 度 4 5 0 0 mm， 液 料 高 度 3 0 0 0 mm， C1=0.8mm，腐蚀裕量C2=1.5mm，焊缝系数φ=1.0，液体密 度为1325kg/m3，罐内最高工作温度50º 。 C 试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。
特点
① 在恒定载荷和低应力（应力低于屈服点）下 也会发生蠕变断裂。 ② 蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变 损伤，使材料在性能上产生蠕变脆化。
③ 断裂前发生较大的塑性变形，具有韧性断裂 的特征；断裂时又具有脆性断裂的特征。
失效原因
高温蠕变
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腐蚀断裂
材料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整 体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。
缺点 （1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。
（2）层板材料利用率低。3）层间松动问题。
整体多层包扎式
热套式
优点
（1）套合层数少，效率高，成本低。 （2）纵焊缝质量容易保证。
缺点
（1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。 （2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。
绕板式
优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。 优点
注 ： Q235-A 材 料 的 许 用 应 力 [ σ]20=113MPa ， [σ]50=113MPa，屈服极限σS=235 Mpa 试确定罐体厚度并进行水压试验校核。