如何做好壓力容器設(shè)計(jì)的工作

1、<p>　　如何做好壓力容器設(shè)計(jì)的工作</p><p>　　摘要：下文主要結(jié)合筆者多年的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì)兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，并分析設(shè)計(jì)中應(yīng)力分類及其應(yīng)用。希望通過以下闡述，能與各位同仁相互交流，同時(shí)今后也能夠?yàn)轭愃频脑O(shè)計(jì)提供一些借鑒與參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：要求 常規(guī)設(shè)計(jì) 分析設(shè)計(jì) </p><p>　　1、壓力

2、容器的設(shè)計(jì)要求 </p><p>　　1）設(shè)計(jì)的壓力容器要保證能夠安個(gè)可靠的運(yùn)行眾所周知，在工作過程中，壓力容器內(nèi)部具有相當(dāng)?shù)哪芰浚绻萜髟獾酵饨绲钠茐亩孤秲?nèi)部的能量，該能量在瞬間爆發(fā)出來會造成很嚴(yán)重的后果，另外，在連續(xù)生產(chǎn)的作用下，很容易造成壓力容器的損壞，也會威脅到其他相關(guān)設(shè)備的安全，形成連鎖反應(yīng)。在壓力容器的建造和使用過程中，設(shè)計(jì)是保證壓力容器安全的第一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)階段全面考慮壓力容器的風(fēng)險(xiǎn)控制

3、，考慮到在腐蝕、異常高低溫以及疲勞載荷情況下根據(jù)其可能出現(xiàn)的失效模式采取相應(yīng)的防護(hù)措施，保障在使用過程中的安全是全新的設(shè)計(jì)理念。 </p><p>　　2）壓力容器使用壽命的設(shè)計(jì)，對此要有十分正確的把握。腐蝕是壓力容器失效的最常見的模式。受腐蝕性物質(zhì)的影響，壓力容器的使用壽命經(jīng)常會比預(yù)先設(shè)計(jì)的要短，尤其是在石油化工業(yè)，腐蝕性物質(zhì)較多，壓力容器與它們接觸的機(jī)會較多，長時(shí)間使用壓力容器后，其器壁的厚度會減小，甚至?xí)?/p>

4、腐蝕爛穿。所以，必須在設(shè)計(jì)中留有相應(yīng)的腐蝕裕量，同事，盡量選擇耐腐蝕性的材料作為壓力容器的殼體，另外，在設(shè)計(jì)中采用相應(yīng)的防腐措施也是必不可少的。 </p><p>　　3）設(shè)計(jì)應(yīng)該便于制造安裝和操作維修。設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧壓力容器的各個(gè)其他環(huán)節(jié)，才能保證安全性，結(jié)構(gòu)越簡單就會越容易制造和對設(shè)備講行檢測，即使產(chǎn)品的某此缺陷超標(biāo)了，也能夠在最快的時(shí)間內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，并且予以消除。另外，這樣做也能夠滿足一些比較特殊的要求，比如：一

5、些像頂蓋一樣的試驗(yàn)容器，在使用過程中要經(jīng)常裝拆，因此要采用便于裝拆的結(jié)構(gòu)形式，較少的使用笨重的主螺栓連接方式；有一些容器內(nèi)部的器件經(jīng)常需要清洗和維修，則有必要設(shè)置一些入孔和手孔。 </p><p>　　4）為了能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)壓力容器的設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求時(shí)，應(yīng)該盡量采用結(jié)構(gòu)簡單和節(jié)約貴重材料的方案，降低制造的成本。 </p><p>　　2、常規(guī)設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì) </p>

6、<p>　　過去壓力容器及其部件的設(shè)計(jì)基本上屬于常規(guī)設(shè)計(jì)。國內(nèi)常規(guī)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)為GB150.1～4-2011《壓力容器》，國外標(biāo)準(zhǔn)最常用的是ASME Ⅷ-1《壓力容器建造規(guī)則》。常規(guī)設(shè)計(jì)是彈性失效準(zhǔn)則為準(zhǔn)則的，該失效準(zhǔn)則認(rèn)為承受外載荷作用的構(gòu)件，只要有一點(diǎn)進(jìn)入屈服狀態(tài)，或稱該點(diǎn)受應(yīng)力作用而使材料產(chǎn)生塑性流動，即認(rèn)為該結(jié)構(gòu)失去繼續(xù)承載的能力。這樣做比較簡單，以現(xiàn)成的設(shè)計(jì)公式及曲線為依據(jù)， 多年來一直按這樣的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 然而，

7、這種方法比較粗糙，許多重要因素都未考慮進(jìn)去。 以內(nèi)壓圓筒為例，在常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)只考慮薄膜應(yīng)力，至于溫差應(yīng)力、邊緣應(yīng)力以及交變應(yīng)力引起的疲勞等問題均未考慮。所以在相關(guān)規(guī)范中，為了保證容器的安全可靠在設(shè)計(jì)中就采用了較高的安全系數(shù)。這樣做實(shí)際上是企圖以高的安全系數(shù)來包羅各種因素的影響，存在一些問題。 </p><p>　　近年來，由于鍋爐、石油、化工等行業(yè)的發(fā)展，壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)提高，使用條件也越來越苛刻，如果單純依靠提高

8、安全系數(shù)的辦法來保證強(qiáng)度，會導(dǎo)致設(shè)計(jì)變得不合理。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，我們在結(jié)構(gòu)型式與材料方面采取相應(yīng)措施外，還必須從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法上加以改進(jìn)和發(fā)展。其次是引入了極限分析與安定性分析的概念，對求得的應(yīng)力加以分類和加以限制。 </p><p>　　分析設(shè)計(jì)和常規(guī)設(shè)計(jì)的主要區(qū)別如下： </p><p>　?。?）分析設(shè)計(jì)比常規(guī)設(shè)計(jì)在選材、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、制造、檢臉和使用等方面都提出了較高的要

9、求和較多的限擊峰件。 </p><p>　?。?）分析設(shè)計(jì)考慮容器低循環(huán)疲勞失效，而常規(guī)設(shè)計(jì)并未包括疲勞分析。 </p><p>　?。?）分析設(shè)計(jì)考慮疲勞分析時(shí)要求詳細(xì)計(jì)算溫差應(yīng)力 ，而常規(guī)設(shè)計(jì)除個(gè)別元件外一般無此要求。 </p><p>　?。?）分析設(shè)計(jì)采用最大剪應(yīng)力理論，而常規(guī)設(shè)計(jì).采用最大主應(yīng)力理論。 </p><p>　?。?）分

10、析設(shè)計(jì)原則上要求對容器元件各個(gè)部位的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，并根據(jù)各種應(yīng)力對元件失效所起不同的作用予以分類，然后對不同類別的應(yīng)力采用不同的應(yīng)力校核條件加以限制。而常規(guī)設(shè)計(jì)一般不計(jì)算某些局部應(yīng)力，僅針對具體結(jié)構(gòu)引人不同的結(jié)構(gòu)系數(shù)，也不對應(yīng)力進(jìn)行分類。 </p><p>　　3、分析設(shè)計(jì)中應(yīng)力分類及其應(yīng)用 </p><p>　　分析設(shè)計(jì)涉及了各種可能失效模式中一些主要的失效模式，設(shè)計(jì)根據(jù)所考慮的失效

11、模式比較詳細(xì)地計(jì)算了容器及受壓元件的各種應(yīng)力，并根據(jù)各種應(yīng)力本身的性質(zhì)及對失效模式所起的不同作用予以分類并加以控制，對部件及所關(guān)心的部位進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算，搞清了應(yīng)力分布的情況；摒棄了傳統(tǒng)的同一許用應(yīng)力的做法。 由于應(yīng)力的具體分類，使分析設(shè)計(jì)更具科學(xué)性與安全性。 </p><p>　　壓力容器在外載荷作用下，滿足了平衡條件與變形協(xié)調(diào)條件后，容器各個(gè)部件中的應(yīng)力按其性質(zhì)分為以下三類： </p>&l

12、t;p>　?。?）一次應(yīng)力是因外載荷作用而在容器部件中產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。它沒有“自限性”，它的基本特點(diǎn)是當(dāng)它超過材料屈服極限時(shí)將產(chǎn)生過渡的變形而破壞。 一次應(yīng)力又分總體薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力和局部薄膜應(yīng)力。例如承受內(nèi)壓圓筒的器壁中的環(huán)向應(yīng)力即為總體薄膜應(yīng)力；平封頭或頂蓋中央部分在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的應(yīng)力即為一次彎曲應(yīng)力；殼體在固定支座或接管處由外載荷和力矩產(chǎn)生的應(yīng)力為局部薄膜應(yīng)力。 </p><p>　?。?/p>

13、2）二次應(yīng)力是由于容器部件的自身約束或相鄰部件的約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。 它的基本特點(diǎn)具有“自限性”，即局部屈服和小量變形就會使約束緩和、變形協(xié)調(diào)，只要不反復(fù)加載，二次應(yīng)力不會引起容器結(jié)構(gòu)破壞。 </p><p>　?。?）峰值應(yīng)力是因局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或形狀突變引起的局部應(yīng)力集中，它具有最高的應(yīng)力值。 它的基本特點(diǎn)具有“自限性”和“局部性”，峰值應(yīng)力不會引起容器明顯的變形。 </p><p&

14、gt;　　4、常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)比較 </p><p>　　常規(guī)設(shè)計(jì)是一種簡單易行的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，而分析設(shè)計(jì)則不同，它需要詳盡的應(yīng)力分析報(bào)告為依據(jù)，需要近代的分析計(jì)算工具和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為手段，因而提供了充分的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)和新工況更具科學(xué)性和可靠性。 分析設(shè)計(jì)提高了許用應(yīng)力，降低了安全系數(shù)。筆者查閱了相關(guān)資料得知30多年來的實(shí)際運(yùn)行表明：采用分析設(shè)計(jì)的容器安全可靠，且具有經(jīng)濟(jì)性；與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，可

15、節(jié)省材料 20%～30%，在一定程度上有效減少制造加工量、降低運(yùn)輸費(fèi)用。 但對于選材、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收規(guī)定了比常規(guī)設(shè)計(jì)更為嚴(yán)格的要求。 常規(guī)設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì)的對比，見表 1。 </p><p>　　分析設(shè)計(jì)方法雖然合理而先進(jìn)，但卻需要進(jìn)行大量復(fù)雜的分析計(jì)算，需要計(jì)算機(jī)才能完成，因而提高了設(shè)計(jì)費(fèi)用和時(shí)間，所以，只有當(dāng)設(shè)計(jì)高參數(shù)、重要的容器時(shí)，才采用這種方法。但有些容器必須采用分析設(shè)計(jì)而無其它選擇。對一般的常規(guī)容器，長

16、期的實(shí)踐證明采用傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法完全可以滿足容器的安全性，如采用分析設(shè)計(jì)方法，雖然節(jié)省部分鋼材，卻提高了設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用，實(shí)際上是不合算的。我國也頒布了相關(guān)的法規(guī)法標(biāo)，根據(jù)不同情況進(jìn)行不同選擇。分析設(shè)計(jì)是一個(gè)整體，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的不同，要求與之配套的一系列規(guī)范和措施也不同，包括材料選用、制造工藝、檢驗(yàn)要求、計(jì)算程序、設(shè)計(jì)制造資格等方面；而常規(guī)設(shè)計(jì)方法簡單易行，具有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，但有時(shí)卻無法解釋壓力容器出現(xiàn)的一些事故。 所以，常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)