可靠性方法在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

臧財(cái)寶

摘 ? 要：在壓力容器設(shè)計(jì)中，可靠性方法的合理應(yīng)用能夠提高容器使用的可靠性和安全性。結(jié)合壓力容器和可靠性的概念，就可靠性方法在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和討論，希望能夠?yàn)閴毫θ萜鞯脑O(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：可靠性方法;壓力容器;設(shè)計(jì);應(yīng)用

對比發(fā)達(dá)國家，我國在壓力容器設(shè)計(jì)方面略顯不足，需要做更加深入的研究。雖然發(fā)展速度較慢，不過早在20世紀(jì)初，我國就已經(jīng)開始了對壓力容器的研究，在壓力容器設(shè)計(jì)中引入了可靠性方法來提升容器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的可靠性，在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效果的同時(shí)，能夠有效降低設(shè)計(jì)成本。

1 ? ?相關(guān)概念

1.1 ?壓力容器

壓力容器是一種用于裝液體或者氣體、能夠承載一定壓力的密閉性設(shè)備，在工業(yè)、軍工、民用等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。為了能夠切實(shí)保證壓力容器運(yùn)行的安全性，需要做好壓力容器的設(shè)計(jì)工作[1]。對比一般容器，壓力容器在內(nèi)部直徑、工作壓力和工作介質(zhì)方面存在很大的不同。對壓力容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通常包含了接管、封頭、筒體以及密封元件、支座等。在壓力容器的使用過程中，會(huì)受到各種外部因素的影響，如果不能對其進(jìn)行有效的處理，則可能引發(fā)爆炸事故，威脅工作人員的人身安全。

1.2 ?可靠性

可靠性指產(chǎn)品在使用過程中，能夠在允許的工作環(huán)境中，于一定時(shí)間內(nèi)滿足用戶的需求，沒有故障和問題，其本身與溫度、濕度、壓強(qiáng)以及使用時(shí)間等密切相關(guān)。這里的產(chǎn)品可以是零部件，也可以是設(shè)備或者系統(tǒng)，而允許的工作環(huán)境則包含了很多內(nèi)容，如環(huán)境因素、使用條件、維護(hù)方法等。另外，產(chǎn)品的可靠性與時(shí)間同樣存在密切的關(guān)聯(lián)[2]。因?yàn)殡S著使用時(shí)間的延長，產(chǎn)品的可靠性和安全性都必然會(huì)有所下降，內(nèi)部的元器件也會(huì)逐漸老化，使用時(shí)間越長，安全隱患也就越大。所有產(chǎn)品生產(chǎn)的目的，都是為了能夠滿足生產(chǎn)生活的需求，而不同企業(yè)因?yàn)樽陨砩a(chǎn)條件的限制，得到的產(chǎn)品在功能上會(huì)存在一定差異，產(chǎn)品的可靠性也會(huì)有所不同。

2 ? ?壓力容器設(shè)計(jì)的可靠性要求

壓力容器在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，對于其設(shè)計(jì)的可靠性也有著相當(dāng)嚴(yán)格的要求，若在設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將會(huì)對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，也會(huì)威脅工作人員的生命安全。現(xiàn)階段，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓力容器的設(shè)計(jì)變得越發(fā)完善，其對于可靠性的要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 ?運(yùn)行可靠性

在壓力容器設(shè)計(jì)中，必須從其運(yùn)行環(huán)境出發(fā)，確保容器能夠承受高溫和高壓的影響，提升其對于腐蝕性物質(zhì)的抵抗能力，在保證容器封閉性能和使用效果的情況下，運(yùn)用合理的措施和手段，對壓力容器中的能量進(jìn)行處理，盡可能減少對容器的破壞性。

2.2 ?經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

在壓力容器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要在嚴(yán)格保證其安全性的同時(shí)，對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，降低生產(chǎn)成本。對于設(shè)計(jì)中存在的問題，應(yīng)該及時(shí)與專家進(jìn)行溝通，有效地應(yīng)對處理，提升壓力容器設(shè)計(jì)的質(zhì)量，降低維修費(fèi)用，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 ?使用壽命長

壓力容器在使用過程中，可能會(huì)接觸到各種各樣具有腐蝕性的介質(zhì)，這些介質(zhì)會(huì)對容器的殼體造成腐蝕，影響容器的使用壽命。但是從目前來看，不少設(shè)計(jì)人員沒有就常見的腐蝕材料進(jìn)行深入的研究，設(shè)計(jì)出的壓力容器對于腐蝕介質(zhì)并沒有很好的抵抗能力。對此，在進(jìn)行壓力容器可靠性設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該做好腐蝕材料的分析，提升容器殼體的抗腐蝕性能[3]。同時(shí)，也應(yīng)該做好需拆裝頂蓋的合理設(shè)計(jì)，配合快拆密封結(jié)構(gòu)來降低成本，為操作維修提供便利。

3 ? ?可靠性方法在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

壓力容器設(shè)計(jì)的方法有很多，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要關(guān)注設(shè)計(jì)工藝條件，明確設(shè)計(jì)期間的安全基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)方向，強(qiáng)化壓力容器的綜合使用價(jià)值，切實(shí)保證容器設(shè)計(jì)的可靠性。可靠性方法是壓力容器設(shè)計(jì)中最具代表性的一種，通過對可靠性方法的合理應(yīng)用，能夠提高壓力容器使用的安全系數(shù)，保證其使用安全。

3.1 ?方法

（1）可靠性數(shù)學(xué)方法。作為應(yīng)用數(shù)學(xué)中的一個(gè)重要分支，可靠性數(shù)學(xué)能夠?qū)⑸婕翱煽啃缘膯栴}通過數(shù)學(xué)模型的方式表現(xiàn)出來，然后借助運(yùn)籌學(xué)和概率學(xué)的方法及理論，開展深入研究，對存在的問題進(jìn)行解決。在開展壓力容器設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)用可靠性數(shù)學(xué)方法，能夠?qū)毫θ萜鞴收线M(jìn)行研究，對故障發(fā)生的規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也可以就壓力容器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析評估，為設(shè)計(jì)工作提供相應(yīng)的理論保障。（2）可靠性物理方法?？煽啃晕锢矸椒ㄔ趬毫θ萜髟O(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要是就壓力容器故障進(jìn)行分析，研究故障發(fā)生的原理，開展相應(yīng)的故障檢測工作，同時(shí)，也可以結(jié)合相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建起完善的物理模型，就壓力容器的失效模式進(jìn)行研究，提出有效的應(yīng)對和防范措施，確保在進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)的過程中，能夠盡量避開失效原因，提升設(shè)計(jì)的合理性及可靠性;（3）可靠性工程方法。可靠性工程方法能夠就壓力容器失效的現(xiàn)象進(jìn)行研究，幫助設(shè)計(jì)人員分析壓力容器失效現(xiàn)象發(fā)生的概率，并就失效現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測，開展設(shè)計(jì)模型的相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果來反推設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，對失效現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)格控制，切實(shí)保證最終設(shè)計(jì)方案的合理性及可靠性。

3.2 ?應(yīng)用

伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，壓力容器設(shè)計(jì)中的先進(jìn)技術(shù)和方法越發(fā)豐富，要求設(shè)計(jì)人員能夠了解壓力容器的應(yīng)用強(qiáng)度以及測試水平，做好相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)研工作，就壓力容器的尺寸、強(qiáng)度等因素進(jìn)行分析，明確壓力參數(shù)的變化情況，對壓力容器設(shè)計(jì)過程中的隨機(jī)變量進(jìn)行嚴(yán)格控制，推動(dòng)設(shè)計(jì)模式的優(yōu)化[4]。

3.2.1 ?做好數(shù)據(jù)信息分析

在運(yùn)用可靠性方法進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該做好壓力容器相關(guān)數(shù)據(jù)信息的分析和研究，明確容器參數(shù)變化以及隨機(jī)變量對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響，開展統(tǒng)計(jì)分析的同時(shí)，建立起完善的信息數(shù)據(jù)模型，并借助概率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，就研究對象的特征進(jìn)行描述，以此來保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，做好數(shù)據(jù)結(jié)果的記錄工作，再配合試驗(yàn)的方式以及概率學(xué)方法，就容器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、隨機(jī)性能以及應(yīng)用變量等作出合理判斷，分析壓力容器設(shè)計(jì)的先決條件，繼而對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.2 ?明確設(shè)計(jì)變化因素

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行壓力容器可靠性設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該對設(shè)計(jì)變化因素進(jìn)行分析，在把控好隨機(jī)變量的同時(shí)，做好概率數(shù)據(jù)的計(jì)算工作，明確壓力容器的使用特征，盡可能對容器的失效故障進(jìn)行規(guī)避。同時(shí)，應(yīng)該借助概率學(xué)因素，對壓力容器使用的可靠性進(jìn)行記錄，把握好先決條件，做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，明確壓力容器設(shè)計(jì)期間存在的變量因素，如物理量、熱荷載、機(jī)械荷載等，找出設(shè)計(jì)失敗的原因，做好有效應(yīng)對。

3.2.3 ?優(yōu)化產(chǎn)品數(shù)值評定

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確產(chǎn)品參數(shù)的變化情況，就產(chǎn)品數(shù)值和綜合性能進(jìn)行評定，了解壓力容器強(qiáng)度、抵抗力的具體情況，在分析設(shè)計(jì)條件的同時(shí)，控制好數(shù)據(jù)指標(biāo)，保證壓力容器的整體使用價(jià)值。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析的過程中，必須了解應(yīng)用變化因素以及容器失效因素，對應(yīng)力作用以及抗力變化進(jìn)行深入分析。

3.2.4 ?充分考慮隨機(jī)事件

在壓力容器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要就可能存在的隨機(jī)事件作出充分考慮，借助概率論來對隨機(jī)事件發(fā)生的概率進(jìn)行印證，明確產(chǎn)品故障產(chǎn)生的原因以及故障變化機(jī)制，做好統(tǒng)計(jì)分析和概率論證工作，同時(shí)，也應(yīng)該對壓力容器的使用可靠性做出評估，對壓力容器的使用壽命進(jìn)行分析，測定好具體的使用參數(shù)，以此來保證壓力容器的工作價(jià)值。

3.3 ?注意事項(xiàng)

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，壓力容器的設(shè)計(jì)開始采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對設(shè)計(jì)人員的能力和素質(zhì)提出了更加嚴(yán)格的要求，要求其不僅需要掌握壓力容器設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)，還需要具備一定的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)及電腦繪圖能力。在壓力容器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如果一味關(guān)注計(jì)算結(jié)果而忽視計(jì)算過程，則可能在容器中埋下安全隱患：以鋼材的選擇為例，要求設(shè)計(jì)人員必須能夠先對壓力容器承受的壓力和溫度進(jìn)行分析，選擇質(zhì)量良好的材料，但是也不能盲目追求鋼材等級(jí)，而是應(yīng)該充分考慮自身需求，因?yàn)椴缓侠淼牟牧峡赡軙?huì)導(dǎo)致容器殼體壁厚增加，引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問題，也會(huì)增大企業(yè)的成本。對此，企業(yè)在進(jìn)行材料采購的過程中，應(yīng)該在保證其質(zhì)量的前提下，盡可能降低成本，促進(jìn)壓力容器可靠性的提高[5]。

4 ? ?結(jié)語

壓力容器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜性、系統(tǒng)性的工程，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該引入可靠性方法，了解壓力容器的安全系數(shù)和設(shè)計(jì)變量，就其離散性質(zhì)進(jìn)行分析，控制好數(shù)據(jù)精度，分析可能存在的影響參數(shù)，促進(jìn)壓力容器在使用過程中的可靠性提高，在保證容器質(zhì)量的前提下，對成本進(jìn)行控制，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

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