壓力容器設計方法分析對比

周國風

摘要：本文主要通過對比的方式闡述國內壓力容器的兩種設計方法，即常規設計和分析設計的不同之處，包括設計準則，適用范圍，應力評定以及優劣等等。為在實際工作中選擇合理的設計方法提供參考的依據。

關鍵詞: 常規設計 分析設計應力分類

目前我國壓力容器設計所采用的標準規范有兩大類：一類是常規設計標準，以GB150-2011《壓力容器》標準為代表；另一類是分析設計,以JB4732-1995《鋼制壓力容器--分析設計標準》為代表。兩類標準是相互獨立的、自成體系的、平行的壓力容器規范, 絕對不能混用, 只能依據實際的工程情況而選其一。

1．設計準則比較

常規設計主要依據是第一強度理論，認為結構中主要破壞應力為拉應力，限定最大薄膜應力強度不超過規定許用應力值，當結構中某最大應力點一旦進入塑性, 結構就喪失了純彈性狀態即為失效。常規設計是基于彈性失效準則,以殼體的薄膜理論或材料力學方法導出容器及其部件的設計計算公式。一般情況它僅考慮壁厚中均布的薄膜應力，對于邊緣應力及峰值應力等局部應力一般不作定量計算，如對彎曲應力。

分析設計的主要依據是第三強度理論，認為結構中主要破壞應力為剪切力。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”的設計準則， 對容器的各種應力進行精確計算和分類。對不同性質的應力, 如：總體薄膜應力、邊緣應力、峰值應力等；同時還考慮了循環載荷下的疲勞分析, 在設計上更合理。

2．標準適用范圍對比

常規設計標準GB150-2011適用于設計壓力大于或等于0.1MPa且小于35MPa，及真空度高于0.02MPa。對于設計溫度，GB150-2011規定為-269℃-900℃，是按鋼材允許的使用溫度確定設計溫度范圍, 可高于材料的蠕變溫度范圍。

分析設計標準JB4732-1995適用于設計壓力大于或等于0.1MPa且小于100MPa，及真空度高于0.02MPa。對于設計溫度，JB4732-1995 將最高的設計許用溫度限制在受鋼材蠕變極限約束的溫度。

3．應力評定對比

常規設計標準GB150-2011，采用統一的許用應力，如容器筒體，是采用“中徑公式”進行應力校核，最大應力滿足許用應力即可。

分析設計標準JB4732-1995的核心是將壓力容器中的各種應力加以分類，根據所考慮的失效模式比較詳細地計算了容器及受壓元件的各種應力。根據各種應力本身的性質及對失效模式所起的不同作用予以分類如下：

3.1一次應力

一次應力是由于受到外加機械載荷的作用而在容器中產生的為平衡這種外載所必須的正應力或剪應力, 它需要滿足外載和內力的平衡關系。一次應力是個統稱, 具體包括下述三類:

3.1.1 一次總體薄膜應力

一次總體薄膜應力存在于結構總體范圍內, 其應力達到材料的屈服強度時, 會使元件的總體范圍內整個壁厚的材料同時進入屈服, 使元件產生過量的彈性和塑性變形而直接導致結構破壞, 它是各類應力中對容器危害性最大的應力。例如各種殼體中平衡內壓或分布載荷所引起的薄膜應力。

3.1.2一次局部薄膜應力

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

3.1.3 一次彎曲應力

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

3.2 二次應力

二次應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調條件導出的正應力或剪應力。由溫度差而引起的熱應力都由變形協調關系導出, 根據其存在范圍是屬于整體還是局部分別劃入二次應力或峰值應力。如換熱器管板與筒體聯接處由于徑向膨脹量不同所產生的熱應力等。

3.3峰值應力

峰值應力定義為在局部結構不連續處總應力去除一次應力及二次應力后剩余的應力。它的基本特性是不會引起結構任何比較顯著的變形, 僅可能是導致容器出現疲勞破壞和脆性斷裂的潛在原因。峰值應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定義, 不是高度集中的應力, 如果它不會引起結構顯著的變形, 也可劃歸為峰值應力。例如在碳鋼容器的奧氏體鋼覆層中出現的溫差應力。

4.優勢與不足的比較

常規設計方法是以材料力學為及板殼理論與簡化計算公式為基礎,由于材料安全系數選取比較大，所以制造出的容器是比較安全的，但是因為過于保守的設計對于材料的浪費也是不容忽略的問題。另外對于比較苛刻的操作工況，常規設計便存在很大的局限性

分析設計采用以極限載荷，安定載荷和疲勞壽命為界限的塑性失效和彈塑性失效準則,允許結構出現可控制的局部塑性區, 允許對峰應力部位作有限壽命設計, 采用這個準則可以較好地解決常規設計的不足, 合理的放松對計算應力的過嚴控制。由于分析設計采用了塑性失效準則, 因此安全系數相對降低, 許用應力相對提高。另外由于分析設計考慮疲勞問題后的緣故，分析設計提供疲勞分析設計的實用規程, 考慮交變應力下容器的疲勞壽命。但是基于分析設計的特點，對于容器的選材、制造、檢驗和驗收都提出更加嚴格的要求。另外分析設計雖然科學嚴謹，但卻需要進行大量復雜的分析計算,因而提高了設計費用和時間。

5．總結

利用常規設計方法可以快速的對容器進行應力校核，也可以滿足安全要求。而分析設計雖然可以節約部分鋼材，卻大大提高設計費用。綜上所述，根據具體的設計要求選取合適的設計方法是很有必要的，在實踐工作過程中做到常規設計與應力分析設計的有機結合，才可以保證制造出來的壓力容器即合理有經濟。

6.參考文獻

[1] 國家技術監督局，GB150-2011《壓力容器》。

[2] 全國壓力容器標準化技術委員會，JB/T4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》。

[3] 陸明萬, 壽比南， 新一代的壓力容器分析設計規范-Ⅷ-2-2007 簡介[ J ]。壓力容器, 2007, 24。

[4] 元少昀 我國壓力容器分析設計標準與常規設計標準的對比 ，石油化工設備技術，2009，30。

[5] 國家石油和化學工業局發布，SH 3098-2000 《石油化工塔器設計規范》。