壓力容器分析設(shè)計規(guī)范進展介紹與修訂探討

沈 鋆 李 濤

(1. 惠生工程(中國)有限公司；2. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院；3. 浙江大學(xué)能源工程學(xué)院)

壓力容器分析設(shè)計規(guī)范進展介紹與修訂探討

沈 鋆*1,2李 濤3

(1. 惠生工程(中國)有限公司；2. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院；3. 浙江大學(xué)能源工程學(xué)院)

在簡析美歐分析設(shè)計規(guī)范技術(shù)進展的基礎(chǔ)上，針對今后新版JB 4732的修訂過程、開發(fā)途徑、篇章結(jié)構(gòu)、各篇內(nèi)容及預(yù)研課題等進行了的探討，提出了看法和建議。

壓力容器 JB 4732 標(biāo)準(zhǔn)修訂 分析設(shè)計

壓力容器設(shè)計主要有兩個途徑：規(guī)則設(shè)計(歐盟稱公式設(shè)計)和分析設(shè)計。雖然規(guī)則設(shè)計方便快捷、使用經(jīng)驗豐富，并占主導(dǎo)地位，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的工藝技術(shù)越來越復(fù)雜，設(shè)計高參數(shù)設(shè)備時使用規(guī)則設(shè)計顯得過于保守，致使分析設(shè)計的重要性和不可替代性也日益凸顯，并對提高未來壓力容器產(chǎn)品的國際競爭力具有戰(zhàn)略性的重要意義?；趹?yīng)力分析的優(yōu)化設(shè)計不僅可以充分發(fā)揮材料性能、降低制造成本，還具有提高操作安全性、降低設(shè)備維護費用等優(yōu)勢。

我國壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JB 4732主要采用的是應(yīng)力分類法。該方法由ASME于20世紀(jì)50年代提出，1963年引入ASME Ⅲ，1967年引入ASME Ⅷ-2，在壓力容器工程領(lǐng)域被世界上絕大多數(shù)國家所采納。然而在幾十年的工程實踐中，該方法也出現(xiàn)了一些難以克服的問題[1，2]。美國和歐盟基于失效模式的理念陸續(xù)提出了全新的分析設(shè)計方法，我國JB 4732的修改也正在有序進行中，勢必要吸納近年來的高新技術(shù)和先進設(shè)計理念，盡快與國際接軌。

1 美歐技術(shù)進展

為了避免應(yīng)力分類法帶來的一些問題，美歐相繼頒布了以彈-塑性分析方法(歐盟為直接法)為主要特征的新一代分析設(shè)計方法——EN13445、ASME Ⅷ-2 2007。這兩部新規(guī)范中所提出的全新理念和先進設(shè)計方法對我國修訂現(xiàn)行分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)具有重大的參考價值。近年來，這兩部規(guī)范得到了國內(nèi)專家的高度關(guān)注，并對其方法和原理進行了研究，同時也進行多方面、多角度的解讀[3～19]。EN13445和ASME Ⅷ-2不斷更新和修改的歷程是對分析設(shè)計方法持續(xù)改進和完善的過程。

1.1歐盟EN13445的頒布

歐盟技術(shù)委員會CEN TC54于2002年頒布了第一版歐盟統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)——EN13445-3《非接觸火焰壓力容器》。該規(guī)范中的分析設(shè)計直接法引起了全球關(guān)注。為解決應(yīng)力分類法在工程應(yīng)用中遇到的問題，分析設(shè)計直接法試圖通過以下幾個方面來解決：

a. 直接針對失效模式給出校核和處理方法；

b. 允許使用非線性本構(gòu)模型；

c. 對各種作用(Action)的組合應(yīng)用多安全系數(shù)(Multiple Safety Factor)；

d. 規(guī)定主要技術(shù)目標(biāo)并結(jié)合適用規(guī)則來滿足這些目標(biāo)。

1.2新版ASME Ⅷ-2的修訂

早在1998年，ASME標(biāo)準(zhǔn)委員會為保證ASME規(guī)范在技術(shù)上的持久競爭力、便于在規(guī)范中融入新技術(shù)和便于規(guī)范的發(fā)展，提出了“ASME Ⅷ-2現(xiàn)代化的口號”，啟動了重新編寫ASME Ⅷ-2這一項目。

2007年，新版ASME Ⅷ-2頒布，在用戶使用和委員會修訂的便利性方面有了極大的提高，并全面采用了近年來的研究成果，如材料性能參數(shù)計算的公式化、基于失效模式的設(shè)計方法、安全系數(shù)的降低、強度理論的變化、材料要求及制造要求的變化等。新版ASME Ⅷ-2吸納了世界的先進標(biāo)準(zhǔn)，并融入了許多新技術(shù)，從安全性和經(jīng)濟性的最佳結(jié)合點入手，為壓力容器設(shè)計和制造提供了更為全面的指導(dǎo)。

2 JB 4732修訂探討

經(jīng)過幾十年的努力，中國的承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)取得了極大的提高，初步建立了適合中國國情、技術(shù)指標(biāo)與國際接軌的標(biāo)準(zhǔn)體系，完成了以GB 150-2011[20]、JB 4732[22]和GB/T 151-2014[23]為代表的固定式壓力容器核心產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[24]。

從文獻[25～28]可以看出，近年來，GB 150、GB/T 151等主要壓力容器規(guī)范為保持其先進性都進行了修訂。但是，JB 4732自1995年頒布以來，只于2005年進行了一次確認(rèn)，并沒有進行過大幅修訂。如今美歐都頒布了新一代分析設(shè)計規(guī)范，我國的JB 4732也應(yīng)該從設(shè)計理念、安全系數(shù)及分析方法等方面著手進行修訂，以此來反映1995年JB 4732首次頒布后，國內(nèi)技術(shù)的不斷進步與更新，工程應(yīng)用經(jīng)驗的不斷積累與豐富，并在技術(shù)指標(biāo)和內(nèi)容上與國際接軌；以提高我國壓力容器設(shè)計的國際競爭力。

JB 4732的修訂需要在自主研發(fā)和借鑒消化美歐技術(shù)成果的基礎(chǔ)上來實現(xiàn)我國分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化。筆者將對近年來分析設(shè)計方面一些公認(rèn)的可吸納的先進技術(shù)進行簡要介紹。

2.1總體構(gòu)架與國際接軌

2.1.1規(guī)則設(shè)計與分析設(shè)計并列

新版ASMEⅧ-2中，規(guī)則設(shè)計與分析設(shè)計并列，是既相互獨立又相互補充的兩部分。規(guī)則設(shè)計能獨立完成的設(shè)計，可以直接應(yīng)用，不必再做分析設(shè)計；規(guī)則設(shè)計不能獨立完成的設(shè)計(如疲勞、復(fù)雜幾何形狀和載荷的情況)，可以用分析設(shè)計來補充完成。

JB 4732中以公式設(shè)計為基礎(chǔ)的“規(guī)則設(shè)計”放在正文中，而以有限元法為基礎(chǔ)的“分析設(shè)計”是以附錄形式出現(xiàn)的。今后修訂可將這兩部分并列列于正文。一方面，結(jié)構(gòu)清晰，與國際接軌；另一方也突出了“規(guī)則設(shè)計”和“分析設(shè)計”同為設(shè)計方法的地位同等性，既獨立又互補。

2.1.2失效模式作為編制主線

新版ASMEⅧ-2以失效模式為主線，針對不同的失效模式，規(guī)定了不同的設(shè)計計算方法和相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。

新版JB 4732分析設(shè)計部分應(yīng)該至少考慮失效模式，并針對每一種失效模式，給出一種或幾種校核方法和步驟(表1)。

表1 新版JB 4732分析設(shè)計部分需 考慮的失效模式和校核方法

2.2安全系數(shù)

研究成果已經(jīng)證實，安全系數(shù)的降低并不直接影響設(shè)備的安全性。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該調(diào)研已有材料的以往使用情況，參考國外同類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合以往使用經(jīng)驗，考慮各種風(fēng)險程度和相關(guān)因素，從而確定對應(yīng)的設(shè)計裕量[21]。

2.2.1抗拉強度的安全系數(shù)

降低安全系數(shù)是目前世界各國和地區(qū)承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的普遍傾向，美國(ASME)和歐盟壓力容器標(biāo)準(zhǔn)均降低了相應(yīng)的安全系數(shù)，美國ASMEⅧ-1 2007將nb由4.0降為3.5，ASMEⅧ-2 2007將nb由3.0降為2.4。

我國抗拉強度的安全系數(shù)按照《固容規(guī)》[29]調(diào)整為2.4。材料安全系數(shù)確定后，應(yīng)根據(jù)計算方法的精確度、材料性能的穩(wěn)定性、制造檢驗水平及運行管理水平等來確定載荷系數(shù)。以便引入基于可靠性的載荷和抗力系數(shù)法，此方法與歐盟的分安全系數(shù)理念是一致的。

2.2.2載荷系數(shù)

許用應(yīng)力設(shè)計(Allowable Stress Design，ASD)法是壓力容器設(shè)計最為常用的設(shè)計方法。ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2 2004版及之前的版本、我國GB 150-2011、JB 4732-1995均采用許用應(yīng)力設(shè)計法。許用應(yīng)力設(shè)計法的主要設(shè)計理念是：給材料強度取一個總安全系數(shù)(Global Safety Factor)，以此為設(shè)計中的不確定因素提供必要的安全裕度。

各類結(jié)構(gòu)設(shè)計除采用ASD法之外，還可以采用另一種方法——載荷和阻力系數(shù)設(shè)計法(Load and Resistance Factor Design，LRFD )，該法在鋼結(jié)構(gòu)、公路橋梁等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用多年[30～32]，新版ASME Ⅷ-2將它收入，作為壓力容器的一種設(shè)計方法。該法的主要設(shè)計理念是：不同的載荷和阻力(強度)采用不同的分安全系數(shù)(Partial SafetyFactor)，詳細(xì)可參閱文獻[33]。LRFD 法以可靠度理論的設(shè)計理念為基礎(chǔ)，可獲得更為合理的安全裕度，是一種創(chuàng)新性的新方法，建議JB 4732修訂時引入這一先進設(shè)計方法。

2.3非線性本構(gòu)關(guān)系

過去設(shè)計中常用的幾個主要材料性能為屈服強度、抗拉強度、彈性模量、外壓曲線及疲勞曲線等。受限于計算能力和復(fù)雜程度，大多數(shù)設(shè)計都基于經(jīng)驗或以實驗為基礎(chǔ)的圖表，模型的本構(gòu)關(guān)系也局限于彈性分析。然而在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，基于非線性本構(gòu)關(guān)系的彈-塑性垮塌分析或彈-塑性疲勞分析已經(jīng)比較容易實現(xiàn)。

引入彈-塑性分析的前提是建立以真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線為基礎(chǔ)的材料性能庫。這些工作耗時耗力，一般通過以下3個途徑來實施：實驗實測、借鑒國外材料標(biāo)準(zhǔn)和借助數(shù)字材料實驗室計算。

ASME提出了考慮材料塑性應(yīng)變強化的本構(gòu)模型，JB 4732修訂時可以借鑒，其表達式如下：

式中γ1——在較小應(yīng)變范圍的真實應(yīng)變；

γ2——在較大應(yīng)變范圍的真實應(yīng)變；

εts——真實應(yīng)變；

σt——真實應(yīng)力。

γ1、γ2分別有其對應(yīng)的子公式。

利用該材料模型，只要知道材料的工程屈服強度、工程抗拉強度、彈性模量和斷后延伸率，就可以利用上式轉(zhuǎn)換獲得材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，不需要通過材料拉伸實驗去獲得。但是該本構(gòu)模型公式復(fù)雜，需要采用計算機編程來提高計算效率。

2.4基于數(shù)值計算的先進設(shè)計方法

隨著近年來計算機軟、硬件的高速發(fā)展，壓力容器行業(yè)普遍開始采用以有限元為代表的數(shù)值計算進行分析設(shè)計。在大開孔接管、球罐、換熱器、塔器及加氫反應(yīng)器等的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有限元數(shù)值計算正在被設(shè)計人員廣泛使用。強度分析、傳熱分析及熱固耦合分析等這些基本的分析功能已經(jīng)日趨成熟。然而隨著設(shè)備運行情況的復(fù)雜性和工程設(shè)計的需要，也會逐漸融入更多數(shù)值分析的高級功能。

如何緊隨數(shù)值計算近年來的技術(shù)進步、更好地適應(yīng)以高性能計算機為主要工具的現(xiàn)代化設(shè)計方法是JB 4732修訂時需要考慮的問題。以下先進的方法，可在修訂時進行完善或擇優(yōu)引入：

a. 完善極限分析方法；

b. 引入基于彈塑性的局部應(yīng)變評定方法；

c. 引入基于彈-塑性有限元分析評定疲勞壽命的新方法；

d. 引入基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的焊接接頭評定方法；

e. 給出實用的應(yīng)用規(guī)則，來指導(dǎo)設(shè)計滿足規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)。

2.5引入自主研發(fā)的先進設(shè)計方法

2.5.1大開孔補強計算方法

薛明德等對帶徑向接管的圓柱形壓力容器提出了一種以薄殼理論為基礎(chǔ)的應(yīng)力分析方法[34]。該方法基于精確的圓柱殼Morley方程解和兩圓柱殼交貫線處精確的邊界條件，其適用范圍擴大至開孔率0.93，并通過一系列密網(wǎng)格三維有限元解驗證了解的可靠性。該方法已經(jīng)被GB 150-2011采納[35]。

2.5.2帶外載的接管計算方法

薛明德等給出了圓柱殼開孔接管在內(nèi)壓與支管載荷作用下的理論解[36]，并完成了可供工程設(shè)計使用的指導(dǎo)性文件CSCBPV-TD001-2013[37]。

2.5.3改進后的管板的計算方法

JB 4732附錄I中的管板應(yīng)力計算方法自頒布以來，在工程實踐中得到了廣泛應(yīng)用并積累了豐富的設(shè)計經(jīng)驗。近期，薛明德等針對管板設(shè)計中的應(yīng)力計算與校核方法提出改進意見[38,39],主要修訂內(nèi)容包括：

a. 帶膨脹節(jié)的固定式換熱器管板計算方法的改進；

b. 管板中最大應(yīng)力計算方法的改進；

c. 增加了管程壓力與殼程壓力同時作用的兩種校核工況。

這些技術(shù)進步在引入GB/T 151的同時，同樣可以引入到新版JB 4732中。

3 預(yù)研究課題

當(dāng)今的美歐規(guī)范雖然先進，但仍有值得改進之處。我國分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在借鑒美歐技術(shù)的同時，也需要針對實際國情，展開一些有益的調(diào)查和預(yù)研究，可從以下幾個方向著手，以完善新版分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的修訂。

3.1材料性能的研究

為了采用彈-塑性應(yīng)力或疲勞分析等先進技術(shù)和設(shè)計方法，材料性能數(shù)據(jù)的采集必不可少。至少有以下工作需要完成：

a. 需要基于大量試件，采集各種材料在不同溫度下包括硬化效應(yīng)的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

b. 需要采集彈-塑性疲勞所需的各種材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

c. LRFD法是基于可靠度的設(shè)計方法，強度(即抗力)(Strength Variables)變量，包括屈服極限和強度極限，都看作是隨機變量，所以需要采集國內(nèi)各種材料性能的可靠性數(shù)據(jù)。

3.2疲勞校核新方法的研究

近十年來，國際上壓力容器疲勞設(shè)計方法取得了巨大的變革性進展，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

a. 對焊接件和非焊接件的疲勞評定區(qū)別對待。這是合理也是必要的，因為兩者疲勞行為的機理不同。

b. 提出了網(wǎng)格不敏感的疲勞評定方法。這為采用有限元分析進行疲勞分析鋪平了道路，提高了評定結(jié)果的一致性。

c. 疲勞評定可在設(shè)計階段按不同的失效概率進行設(shè)計。

d. 有限元分析軟件及其后處理模塊的飛速發(fā)展。

新版ASME Ⅷ-2針對疲勞失效提出了3種方法，這3種方法相互獨立又相互補充，兼顧了安全性和經(jīng)濟性。文獻[40～42]分別介紹了這3種方法的原理和技術(shù)進展。

3.3屈曲分析及其安全系數(shù)

2007版ASME Ⅷ-2中外壓殼體設(shè)計公式適用于D0/t≤2000的外壓元件，較舊版ASME Ⅷ-2只適用于D0/t≤1000的情況，擴大了薄壁的使用范圍。當(dāng)D0/t>2000時，外壓元件則按分析設(shè)計進行設(shè)計。

針對D0/t≤10的厚壁殼體，舊版ASME Ⅷ-2采用強度失效原理進行設(shè)計；而2007版ASME Ⅷ-2則以實際應(yīng)力不超過許用壓縮應(yīng)力為準(zhǔn)則，不再區(qū)分薄壁或厚壁殼體。

2007版ASME Ⅷ-2給出了不同材料在不同溫度條件下的本構(gòu)關(guān)系，包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程及其參數(shù)的表格，并在此基礎(chǔ)上給出了切向模量的表達式。在非彈性失穩(wěn)區(qū)，使用切向模量對各種載荷情況下的許用壓縮應(yīng)力進行計算。新版的規(guī)范用數(shù)學(xué)公式直接計算方法替代了原來的圖算法，但仍然保留了利用第Ⅱ卷D篇第3分篇的外壓曲線圖計算切向模量的方法。

美歐新一代分析設(shè)計規(guī)范的特色之一是引入了基于數(shù)值計算的屈曲設(shè)計方法。屈曲分析與強度分析的一個最大不同點是：結(jié)果的不唯一性。不同的影響因素或其不同的組合會導(dǎo)致不同的屈曲模式，根據(jù)我國的設(shè)計和制造水平確定合理的安全系數(shù)是該方法的難點。

我國的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中，屈曲失效模式下的設(shè)計準(zhǔn)則和設(shè)計方法當(dāng)前還是一塊空白，可從以下幾個方面進行研究：

a. 幾何缺陷的施加，包括形狀和量級；

b. 由制造引起的不均勻和不協(xié)調(diào)，如坡口組對公差；

c. 加強結(jié)構(gòu)形式的多樣化；

d. 機械載荷、熱載荷、壓力載荷等的組合影響；

e. 焊縫殘余應(yīng)力和組織變化的影響；

f. 新型非金屬材料、多層復(fù)合材料、各向異性材料的屈曲行為。

3.4安定性的評定方法

目前，采用彈-塑性分析法評定棘輪，研究熱點在于材料在循環(huán)載荷下的本構(gòu)特性及其與棘輪的關(guān)系。

ASME Ⅷ-2規(guī)范保守地采用彈性理想塑性材料，回避了材料的強化問題。國內(nèi)對安定性分析的研究取得了可喜的進展[43，44]，為今后規(guī)范這一部分的修訂提供了良好的理論基礎(chǔ)。

3.5蠕變與蠕變疲勞

JB 4732的其中一個適用范圍為：設(shè)計溫度應(yīng)是低于以鋼材蠕變控制其許用應(yīng)力強度的相應(yīng)溫度。當(dāng)前，化工工藝越來越復(fù)雜，有些反應(yīng)器的工作溫度達到了455℃，設(shè)計溫度482℃[45]。某些鉻鉬鋼在此溫度下已進入蠕變階段。當(dāng)前已經(jīng)有一些壓力容器設(shè)計單位在研究基于數(shù)值模擬的蠕變設(shè)計方法。適時引入蠕變和蠕變疲勞校核方法，既能滿足國內(nèi)的設(shè)計需求，又能緊隨美歐分析設(shè)計規(guī)范的技術(shù)進步。

4 總結(jié)與展望

隨著歐美相繼推出各自新一代分析設(shè)計規(guī)范，分析設(shè)計也開始從彈性分析進入了彈-塑性分析的時代，開啟了新的歷史篇章。同時，數(shù)值計算和高性能計算機的飛速發(fā)展，也給分析設(shè)計提供了契機，新一代分析設(shè)計規(guī)范的一個顯著特征是全面引入數(shù)值計算(主要是有限元法)。國內(nèi)多位專家學(xué)者已經(jīng)開展了這方面的探討和展望[46～52]，為我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的修訂指明了方向。

未來，新版JB 4732應(yīng)該成為國際上具有較強競爭力的規(guī)范，在保證安全的基礎(chǔ)上，大大降低壓力容器的建造成本。在這樣一個技術(shù)進步日新月異的大環(huán)境下，JB 4732修訂的必要性和緊迫性日漸凸顯。對包括JB 4732等核心標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制定或修訂，都應(yīng)充分借鑒先進工業(yè)國家的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)內(nèi)容，不斷完善標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)內(nèi)容，成為世界各國承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中有影響力的中國標(biāo)準(zhǔn)。

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*沈 鋆，男，1980年8月生，高級工程師。上海市，201203。

TQ051.3

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0254-6094(2016)05-0561-07

2016-03-31，

2016-05-03)

ProgressandDiscussionofFormulatingandRevisingAnalysisandDesignSpecificationsforPressureVessels

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