壓力容器的強度及安全評定分析

柴永祥

摘要：由于負荷、介質(zhì)等原因，加之壓力容器的使用條件越來越苛刻等原因的存在使得壓力容器斷裂而造成的破壞事故越來越多，所以壓力容器的安全與否受到了較大的關(guān)注。所以，對壓力容器的安全及強度進行評定，了解壓力容器的性能狀況，對于提升壓力容器的安全性能，防止事故發(fā)生有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：壓力容器;強度;安全

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，壓力容器已經(jīng)被廣泛的應用到了輕工、紡織、電力、石油化工，以及冶金、機械和醫(yī)藥等行業(yè)。在壓力容器被得到廣泛應用的同時，也正朝著復雜化、大型化等方向發(fā)展，越來越多的具有強大功率、復雜結(jié)構(gòu)的壓力容器都被投入運行。

盡管在設(shè)計壓力容器時，大量使用高強度鋼，焊接技術(shù)也得到了普遍應用，但是因為設(shè)計壓力的提升，導致無法避免的會出現(xiàn)一些缺陷。因為負荷、介質(zhì)等原因帶來了很多新的缺陷，加之壓力容器的使用條件越來越苛刻等原因的存在使得壓力容器斷裂而造成的破壞事故越來越多，所以壓力容器的安全與否受到了較大的關(guān)注。因此，準確快速的找到壓力容器失效的原因及規(guī)律是減少事故發(fā)生的有效辦法，對于提升壓力容器的安全性能，防止事故發(fā)生有著重要的意義。

1.壓力容器的強度分析

壓力容器強度計算的基本準則之一是：在承載時容器整體（殼體等）應控制不得產(chǎn)生明顯的塑性變形，因而將Rp0.2當作材料強度的指標是比較合適的。而關(guān)于容器卸載后壓力容器整個所殘留的塑性變形量并不能成為壓力容器必須要控制的因素，因此將Rr0.2當作是材料強度的控制指標明顯不如將Rp0.2當作是材料強度的控制指標更為合適。

Rp0.2是很一個比較容易被準確的測定出的數(shù)值值。以拉伸曲線的坐標原點作為起點，在變形軸線上獲取標距長度為0.2%長度位置獲取一點，從這個點當作是彈性直線段的平行線，并和拉伸曲線相交，這該交點標示的應力值就是Rp0.2.然而Rr0.2則是不能被準確測定出來的數(shù)值。如果拉伸試樣被加載在某一個載荷點后卸載的話，那么殘余塑性變形量就正好相當于試樣標距長度的0.2%，但是想要非常準確的確定這一個載荷點幾乎上不可能存在的，并且這個策略的方法和過程非常的復雜，而且只能獲得近似值。

2.壓力容器的安全評定分析

本文以某鋼廠從俄羅斯引進的制氧工程設(shè)備中經(jīng)鍋檢部門按GB150-98標準檢驗檢測不合格的壓力容器為例。為不影響鋼廠投產(chǎn)工程進度和確保安全使用，對這批容器進行強度分析和安全評定。對壓力容器進行應力分析和強度評定，并以分離器為例說明評定計算過程。

2.1分離器的應力計算

應力分析采用有限元分析方法，分析中采用高級結(jié)構(gòu)分析程度SuperSAP - 91進行，該軟件具有強大的前后處理功能，計算效率高、精度好。

2.1.1計算依據(jù)

容器筒內(nèi)徑D i：500mm

容器設(shè)計壓力p：0. 9MPa

碟形封頭設(shè)計厚度S 1：3mm

筒體設(shè)計厚度S 2：3mm

容器材料：12X18H10T（俄羅斯牌號）

材料屈服強度σy：240MPa

材料抗拉強度σu：540MPa

封頭和筒體連接處環(huán)焊縫最大錯邊量3mm

2.1.2有錯邊時分離器的計算模型

分離器筒體與封頭連接處環(huán)焊縫有錯邊量，主要是由于封頭在制造時尺寸偏大造成的。致使封頭與筒體組對焊接后產(chǎn)生較大的錯邊量?？紤]到容器的實際情況，我們提出了計算模型。

0°位沒有錯邊量， 180°位錯邊量最大（3mm） ，在0°～180°之間錯邊量逐漸增加。由于錯邊使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非軸對稱性，本文采用板殼單元進行有限元應力分析。計算模型共分2700個板殼單元和2701個節(jié)點，計算是在Pentium586/ 75機器上進行的。

2.1.3分離器應力計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：在筒體，封頭與筒連接處（約離連接線1mm）存在最高應力，其值達159. 08MPa ;在封頭上，碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處存在最高應力，其值達198. 46MPa。分離器總體應力分布、分離器封頭與筒連接處應力分布和分離器碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處應力分布圖略。

2.2超標缺陷容器的強度評定

超標缺陷容器的強度評定是依據(jù)GB150 - 98和JB4732 - 95進行的。

GB150 - 98以彈性失效為設(shè)計準則，要求保證容器在工作時完全處于彈性狀態(tài)，即容器上任一點的應力達到屈服就認為該容器已經(jīng)失效，其應力強度判據(jù)為：σ≤<σ>強度理論采用最大剪應力理論。

JB4732 - 95以彈性分析為基礎(chǔ)，根據(jù)不同應力對容器的不同危害對應力加以分類，并分別加以限制。如果結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定與安定的，則允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部塑性區(qū)。各類應力及其組合都應滿足以下應力強度控制條件。

SⅠ= P m≤KS m SⅡ= P m + P L≤1. 5 KS m SⅢ= P m + P L + P b≤1. 5 KS m SⅣ= P m + P L + P b + Q≤3S m SⅤ= P m + P L + P b + Q + F≤S a其中： P m為總體一次薄膜應力， P L為局部一次薄膜應力， P b為一次彎曲應力， Q為二次應力， F為峰值應力， S m為應力強度許用極限， S a為允許交變應力強度幅， K為載荷組合系數(shù)。

按GB150 - 98計算，封頭與筒體連接處的應力均小于許用應力<σ> = 160MPa ，強度合格;碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處的內(nèi)壁有34. 85mm區(qū)域的應力超過160MPa ，強度不合格。

按JB4732 - 95的應力分類，碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處存在一次彎曲應力P b，此時的應力由總體薄膜應力P m和一次彎曲應力P b組成，其應力強度許用極限為1. 5<σ> = 240MPa ，分離器封頭經(jīng)線大小圓相接處最高應力為198. 46MPa ，小于應力強度許用極限，強度合格。對于環(huán)焊縫連接區(qū)域存在二次應力Q ，此時的應力由總體薄膜應力P m、一次彎曲應力P b和二次應力Q組成，其應力強度許用極限為3 <σ> = 480MPa ，而封頭與筒體連接處應力最高值為159. 08 ，小于應力強度許用極限，強度合格。

參考文獻：

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? ? ? ?z? ?? lang=EN-US>AMT技術(shù)和產(chǎn)品實現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)化主要取決于以下3個方面。

4.1可靠性。在不同的使用環(huán)境下AMT可靠、安全的工作是AMT技術(shù)和產(chǎn)品實現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)化首要條件。通過軟件的完善，降低對電控系統(tǒng)硬件的要求，利用總線控制技術(shù)減少電纜數(shù)目，提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障率。

4.2適應性。AMT產(chǎn)品對環(huán)境（不同道路和路面條件）和駕駛員的適應性直接影響其使用。對駕駛員的適應性主要指適應不同類型和個性的駕駛員的駕駛需求，這直接影響駕駛?cè)藛T的最終產(chǎn)品選擇。適應性主要在控制方法和控制策略中，通過使用模糊技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使AMT產(chǎn)品具有一定的智能性。

4.3舒適性。AMT產(chǎn)品舒適性直接影響工作人員的工作狀態(tài)和工作效率。AMT產(chǎn)品舒適性取決于換擋品質(zhì)的控制。采用發(fā)動機和自動變速箱一體化控制，可以有效控制車輛起步、制動、換擋的舒適性。同時完善AMT執(zhí)行操作機構(gòu)有利于提高駕駛員的駕駛舒適性。

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