壓力容器設(shè)計方法分析對比

周國風(fēng)

摘要：本文主要通過對比的方式闡述國內(nèi)壓力容器的兩種設(shè)計方法，即常規(guī)設(shè)計和分析設(shè)計的不同之處，包括設(shè)計準(zhǔn)則，適用范圍，應(yīng)力評定以及優(yōu)劣等等。為在實際工作中選擇合理的設(shè)計方法提供參考的依據(jù)。

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

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

1．設(shè)計準(zhǔn)則比較

常規(guī)設(shè)計主要依據(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)度不超過規(guī)定許用應(yīng)力值，當(dāng)結(jié)構(gòu)中某最大應(yīng)力點一旦進(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)計計算公式。一般情況它僅考慮壁厚中均布的薄膜應(yīng)力，對于邊緣應(yīng)力及峰值應(yīng)力等局部應(yīng)力一般不作定量計算，如對彎曲應(yīng)力。

分析設(shè)計的主要依據(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)計準(zhǔn)則， 對容器的各種應(yīng)力進(jìn)行精確計算和分類。對不同性質(zhì)的應(yīng)力, 如：總體薄膜應(yīng)力、邊緣應(yīng)力、峰值應(yīng)力等；同時還考慮了循環(huán)載荷下的疲勞分析, 在設(shè)計上更合理。

2．標(biāo)準(zhǔn)適用范圍對比

常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011適用于設(shè)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(shè)計溫度，GB150-2011規(guī)定為-269℃-900℃，是按鋼材允許的使用溫度確定設(shè)計溫度范圍, 可高于材料的蠕變溫度范圍。

分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JB4732-1995適用于設(shè)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(shè)計溫度，JB4732-1995 將最高的設(shè)計許用溫度限制在受鋼材蠕變極限約束的溫度。

3．應(yīng)力評定對比

常規(guī)設(shè)計標(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, 會使元件的總體范圍內(nèi)整個壁厚的材料同時進(jìn)入屈服, 使元件產(chǎn)生過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)度也不會造成結(jié)構(gòu)整體過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定義, 不是高度集中的應(yīng)力, 如果它不會引起結(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)勢與不足的比較

常規(guī)設(shè)計方法是以材料力學(xué)為及板殼理論與簡化計算公式為基礎(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，但是因為過于保守的設(shè)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(guī)設(shè)計便存在很大的局限性

分析設(shè)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(zhǔn)則,允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū), 允許對峰應(yīng)力部位作有限壽命設(shè)計, 采用這個準(zhǔn)則可以較好地解決常規(guī)設(shè)計的不足, 合理的放松對計算應(yīng)力的過嚴(yán)控制。由于分析設(shè)計采用了塑性失效準(zhǔn)則, 因此安全系數(shù)相對降低, 許用應(yīng)力相對提高。另外由于分析設(shè)計考慮疲勞問題后的緣故，分析設(shè)計提供疲勞分析設(shè)計的實用規(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)計的特點，對于容器的選材、制造、檢驗和驗收都提出更加嚴(yán)格的要求。另外分析設(shè)計雖然科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，但卻需要進(jìn)行大量復(fù)雜的分析計算,因而提高了設(shè)計費用和時間。

5．總結(jié)

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

6.參考文獻(xiàn)

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

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

[3] 陸明萬, 壽比南， 新一代的壓力容器分析設(shè)計規(guī)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的對比 ，石油化工設(shè)備技術(shù)，2009，30。

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