壓力容器設(shè)計(jì)方法分析對(duì)比

周國(guó)風(fēng)

摘要：本文主要通過(guò)對(duì)比的方式闡述國(guó)內(nèi)壓力容器的兩種設(shè)計(jì)方法，即常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)的不同之處，包括設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，適用范圍，應(yīng)力評(píng)定以及優(yōu)劣等等。為在實(shí)際工作中選擇合理的設(shè)計(jì)方法提供參考的依據(jù)。

關(guān)鍵詞: 常規(guī)設(shè)計(jì) 分析設(shè)計(jì)應(yīng)力分類

目前我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)所采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有兩大類：一類是常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以GB150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)為代表；另一類是分析設(shè)計(jì),以JB4732-1995《鋼制壓力容器--分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為代表。兩類標(biāo)準(zhǔn)是相互獨(dú)立的、自成體系的、平行的壓力容器規(guī)范, 絕對(duì)不能混用, 只能依據(jù)實(shí)際的工程情況而選其一。

1．設(shè)計(jì)準(zhǔn)則比較

常規(guī)設(shè)計(jì)主要依據(jù)是第一強(qiáng)度理論，認(rèn)為結(jié)構(gòu)中主要破壞應(yīng)力為拉應(yīng)力，限定最大薄膜應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)規(guī)定許用應(yīng)力值，當(dāng)結(jié)構(gòu)中某最大應(yīng)力點(diǎn)一旦進(jìn)入塑性, 結(jié)構(gòu)就喪失了純彈性狀態(tài)即為失效。常規(guī)設(shè)計(jì)是基于彈性失效準(zhǔn)則,以殼體的薄膜理論或材料力學(xué)方法導(dǎo)出容器及其部件的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。一般情況它僅考慮壁厚中均布的薄膜應(yīng)力，對(duì)于邊緣應(yīng)力及峰值應(yīng)力等局部應(yīng)力一般不作定量計(jì)算，如對(duì)彎曲應(yīng)力。

分析設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是第三強(qiáng)度理論，認(rèn)為結(jié)構(gòu)中主要破壞應(yīng)力為剪切力。采用以極限載荷、安定載荷和疲勞壽命為界限的“塑性失效”與“彈塑性失效”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則， 對(duì)容器的各種應(yīng)力進(jìn)行精確計(jì)算和分類。對(duì)不同性質(zhì)的應(yīng)力, 如：總體薄膜應(yīng)力、邊緣應(yīng)力、峰值應(yīng)力等；同時(shí)還考慮了循環(huán)載荷下的疲勞分析, 在設(shè)計(jì)上更合理。

2．標(biāo)準(zhǔn)適用范圍對(duì)比

常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011適用于設(shè)計(jì)壓力大于或等于0.1MPa且小于35MPa，及真空度高于0.02MPa。對(duì)于設(shè)計(jì)溫度，GB150-2011規(guī)定為-269℃-900℃，是按鋼材允許的使用溫度確定設(shè)計(jì)溫度范圍, 可高于材料的蠕變溫度范圍。

分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB4732-1995適用于設(shè)計(jì)壓力大于或等于0.1MPa且小于100MPa，及真空度高于0.02MPa。對(duì)于設(shè)計(jì)溫度，JB4732-1995 將最高的設(shè)計(jì)許用溫度限制在受鋼材蠕變極限約束的溫度。

3．應(yīng)力評(píng)定對(duì)比

常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011，采用統(tǒng)一的許用應(yīng)力，如容器筒體，是采用“中徑公式”進(jìn)行應(yīng)力校核，最大應(yīng)力滿足許用應(yīng)力即可。

分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB4732-1995的核心是將壓力容器中的各種應(yīng)力加以分類，根據(jù)所考慮的失效模式比較詳細(xì)地計(jì)算了容器及受壓元件的各種應(yīng)力。根據(jù)各種應(yīng)力本身的性質(zhì)及對(duì)失效模式所起的不同作用予以分類如下：

3.1一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是由于受到外加機(jī)械載荷的作用而在容器中產(chǎn)生的為平衡這種外載所必須的正應(yīng)力或剪應(yīng)力, 它需要滿足外載和內(nèi)力的平衡關(guān)系。一次應(yīng)力是個(gè)統(tǒng)稱, 具體包括下述三類:

3.1.1 一次總體薄膜應(yīng)力

一次總體薄膜應(yīng)力存在于結(jié)構(gòu)總體范圍內(nèi), 其應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí), 會(huì)使元件的總體范圍內(nèi)整個(gè)壁厚的材料同時(shí)進(jìn)入屈服, 使元件產(chǎn)生過(guò)量的彈性和塑性變形而直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞, 它是各類應(yīng)力中對(duì)容器危害性最大的應(yīng)力。例如各種殼體中平衡內(nèi)壓或分布載荷所引起的薄膜應(yīng)力。

3.1.2一次局部薄膜應(yīng)力

一次局部薄膜應(yīng)力存在于結(jié)構(gòu)局部范圍內(nèi), 由介質(zhì)壓力或其他機(jī)械載荷所引起, 只要符合“局部地區(qū)”和“薄膜應(yīng)力”的特征都可以稱為一次局部薄膜應(yīng)力。一次局部薄膜應(yīng)力即使達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度也不會(huì)造成結(jié)構(gòu)整體過(guò)大的彈性和塑性變形, 因而允許這類應(yīng)力強(qiáng)度有比一次總體薄膜應(yīng)力較寬的校核條件。例如容器支座, 由于自重或外載在殼體上所引起的薄膜應(yīng)力。

3.1.3 一次彎曲應(yīng)力

一次彎曲應(yīng)力是彎曲應(yīng)力中的一種, 是由介質(zhì)壓力或其他機(jī)械載荷引起, 沿容器壁厚方向形成線性分布, 內(nèi)外壁表面大小相等、方向相反、中間面為中性面的應(yīng)力, 它滿足外載和內(nèi)力的平衡關(guān)系。一次彎曲應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)整體的危害程度同一次局部薄膜應(yīng)力相似, 因而這類應(yīng)力的強(qiáng)度校核條件也比一次總體薄膜應(yīng)力為寬。如平蓋中心部件由壓力引起的彎曲應(yīng)力。

3.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是由容器同一元件上不同部位的材料或者相鄰元件之間的總變形協(xié)調(diào)條件導(dǎo)出的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。由溫度差而引起的熱應(yīng)力都由變形協(xié)調(diào)關(guān)系導(dǎo)出, 根據(jù)其存在范圍是屬于整體還是局部分別劃入二次應(yīng)力或峰值應(yīng)力。如換熱器管板與筒體聯(lián)接處由于徑向膨脹量不同所產(chǎn)生的熱應(yīng)力等。

3.3峰值應(yīng)力

峰值應(yīng)力定義為在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處總應(yīng)力去除一次應(yīng)力及二次應(yīng)力后剩余的應(yīng)力。它的基本特性是不會(huì)引起結(jié)構(gòu)任何比較顯著的變形, 僅可能是導(dǎo)致容器出現(xiàn)疲勞破壞和脆性斷裂的潛在原因。峰值應(yīng)力的劃分并不是以它沿器壁厚度是均勻分布、線性分布還是非線性分布來(lái)定義, 不是高度集中的應(yīng)力, 如果它不會(huì)引起結(jié)構(gòu)顯著的變形, 也可劃歸為峰值應(yīng)力。例如在碳鋼容器的奧氏體鋼覆層中出現(xiàn)的溫差應(yīng)力。

4.優(yōu)勢(shì)與不足的比較

常規(guī)設(shè)計(jì)方法是以材料力學(xué)為及板殼理論與簡(jiǎn)化計(jì)算公式為基礎(chǔ),由于材料安全系數(shù)選取比較大，所以制造出的容器是比較安全的，但是因?yàn)檫^(guò)于保守的設(shè)計(jì)對(duì)于材料的浪費(fèi)也是不容忽略的問(wèn)題。另外對(duì)于比較苛刻的操作工況，常規(guī)設(shè)計(jì)便存在很大的局限性

分析設(shè)計(jì)采用以極限載荷，安定載荷和疲勞壽命為界限的塑性失效和彈塑性失效準(zhǔn)則,允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū), 允許對(duì)峰應(yīng)力部位作有限壽命設(shè)計(jì), 采用這個(gè)準(zhǔn)則可以較好地解決常規(guī)設(shè)計(jì)的不足, 合理的放松對(duì)計(jì)算應(yīng)力的過(guò)嚴(yán)控制。由于分析設(shè)計(jì)采用了塑性失效準(zhǔn)則, 因此安全系數(shù)相對(duì)降低, 許用應(yīng)力相對(duì)提高。另外由于分析設(shè)計(jì)考慮疲勞問(wèn)題后的緣故，分析設(shè)計(jì)提供疲勞分析設(shè)計(jì)的實(shí)用規(guī)程, 考慮交變應(yīng)力下容器的疲勞壽命。但是基于分析設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，對(duì)于容器的選材、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收都提出更加嚴(yán)格的要求。另外分析設(shè)計(jì)雖然科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，但卻需要進(jìn)行大量復(fù)雜的分析計(jì)算,因而提高了設(shè)計(jì)費(fèi)用和時(shí)間。

5．總結(jié)

利用常規(guī)設(shè)計(jì)方法可以快速的對(duì)容器進(jìn)行應(yīng)力校核，也可以滿足安全要求。而分析設(shè)計(jì)雖然可以節(jié)約部分鋼材，卻大大提高設(shè)計(jì)費(fèi)用。綜上所述，根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求選取合適的設(shè)計(jì)方法是很有必要的，在實(shí)踐工作過(guò)程中做到常規(guī)設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，才可以保證制造出來(lái)的壓力容器即合理有經(jīng)濟(jì)。

6.參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，GB150-2011《壓力容器》。

[2] 全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，JB/T4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

[3] 陸明萬(wàn), 壽比南， 新一代的壓力容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范-Ⅷ-2-2007 簡(jiǎn)介[ J ]。壓力容器, 2007, 24。

[4] 元少昀 我國(guó)壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比 ，石油化工設(shè)備技術(shù)，2009，30。

[5] 國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局發(fā)布，SH 3098-2000 《石油化工塔器設(shè)計(jì)規(guī)范》。