壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)分析

李銳

【摘 要】在對壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，其機(jī)械強(qiáng)度是否可靠是設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注的重點(diǎn)。在通常情況下，研發(fā)人員在研究機(jī)械強(qiáng)度可靠性問題時(shí)，都會預(yù)先搭建三維模型，之后才會運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)情況下。然而，這種方式下完成的可靠性設(shè)計(jì)是不能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的，通常都不具備實(shí)用性。在以壓力容器為對象進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，必須要認(rèn)真考慮容器的實(shí)際工作條件，從而展開針對性的設(shè)計(jì)，如果只是進(jìn)行單一的仿制，是不可能制造出優(yōu)良產(chǎn)品的。在當(dāng)前工業(yè)水平飛速發(fā)展的今天，壓力容器在載荷測試水平和強(qiáng)度檢測水平方面，都得到了實(shí)質(zhì)性的提高，在進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員越來越關(guān)注參數(shù)的隨機(jī)性問題了，這顯然是十分有必要的。當(dāng)前壓力容器被運(yùn)用到了很多領(lǐng)域，它的可靠性也逐漸受到國民的關(guān)注，故而，在今后的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，對于可靠性設(shè)計(jì)方法的研究必將是其未來的走向。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；可靠性設(shè)計(jì)；機(jī)械強(qiáng)度

在進(jìn)行壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮到一些關(guān)鍵性的問題，最典型的就是關(guān)于尺寸的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員在尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，需要嚴(yán)格根據(jù)實(shí)現(xiàn)的工況來確定。在實(shí)施環(huán)節(jié)上我們可以按順序進(jìn)行如下安排，首先進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再生產(chǎn)，在使用時(shí)進(jìn)行必要的保養(yǎng)工作等。機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)是一個(gè)十分繁雜的工作，文章開篇就對其進(jìn)行了簡要的論述，然后對再對其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了相關(guān)的探討。

一、理論方法

（一）基礎(chǔ)理論

壓力容器的主體就是一個(gè)筒狀裝置，它的設(shè)計(jì)一般是根據(jù)GB150-2011 標(biāo)準(zhǔn)來確定的，在設(shè)計(jì)過程中需要考慮到它的厚度問題，對其進(jìn)行細(xì)分可以分為兩個(gè)方面，一個(gè)是計(jì)算厚度，還有一個(gè)就是厚度的附加值。對于計(jì)算厚度而言，它是按照相關(guān)壓力計(jì)算準(zhǔn)則而得到的厚度數(shù)值；厚度附加值通常是由多個(gè)因素構(gòu)成的，主要的就是鋼材厚度負(fù)偏差值，然后影響比較大的就是筒體的腐蝕裕量，前者的取值是按照鋼材相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擇取的。

經(jīng)過一些科學(xué)的探究我們發(fā)現(xiàn)，在很多情況下，屈服極限數(shù)值都被作為強(qiáng)度極限最大值使用，進(jìn)而計(jì)算出筒體失效概率。

（二）可靠性設(shè)計(jì)步驟

對壓力容器可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行劃分，通常可以分為以下六步：第一步，通過一些公式預(yù)先計(jì)算出可靠度等數(shù)值；第二步，在科學(xué)計(jì)算式B=[R] 的基礎(chǔ)上，確定工件的故障概率F，F(xiàn)的相關(guān)公式為F=1-R；第三步，在我們得到故障概率數(shù)值之后，求出設(shè)定條件下的分布規(guī)律，之后再把可靠度指數(shù)確定下來；第四步，求出制造材料的相關(guān)數(shù)值，比如受載參數(shù)等；第五步，借助第三步算出的可靠度指數(shù)來確定應(yīng)力均值；第六步，因?yàn)閼?yīng)力均值與尺寸值之間存在一定的規(guī)律，這是我們需要知道的，獲取該值之后，就能夠求出容器的壁厚尺寸了。

二、可靠性的概述

（一）可靠性定義

我們對產(chǎn)品可靠性有如下定義，其說的是在單位時(shí)間內(nèi)、指定條件下，它的所有功能都能達(dá)到用戶需求，并且在工作狀態(tài)下不會發(fā)生故障，一直能夠穩(wěn)定的運(yùn)行的性能。有鑒于它是一個(gè)壓力容器，因此其可靠性受到諸多情況的影響，不僅包括溫度、濕度和應(yīng)力等典型因子，而且還有用戶需求等客觀因素。壓力容器的可靠性和研究人員指定的時(shí)間密切相關(guān)，并且存在這樣一個(gè)關(guān)系，時(shí)間越長，產(chǎn)品的可靠性就會越差。自從有了可靠性這一理念，研究人員在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，就可以更好的把握其使用時(shí)間了。

（二）可靠性研究意義

對于一些極為珍貴的產(chǎn)品，比如電子產(chǎn)品、軍工設(shè)備等，它們的可靠性將直接影響到企業(yè)的運(yùn)營情況，甚至于影響到國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，故而，不管是平常的物件，還是比較重要的用品都需要把握其可靠性。當(dāng)前科技正在一個(gè)飛速發(fā)展的階段，使用者對產(chǎn)品的功能需求變得越來越多。產(chǎn)品質(zhì)量包括的領(lǐng)域正在逐漸的擴(kuò)大，其早就不僅僅指的是單一的產(chǎn)品性能，它的范圍正在逐漸擴(kuò)大至，產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，甚至是其安全性、可靠性等。現(xiàn)在說的產(chǎn)品的可靠性指的就是其投入使用后的質(zhì)量特性，換句話說也就是產(chǎn)品性能的一種延伸；經(jīng)濟(jì)性是對產(chǎn)品整個(gè)性價(jià)比的一種衡量形式；安全性則是產(chǎn)品投入市場上使用時(shí)，其安全層面上的保障程度。安全性這一點(diǎn)通常是用使用者能夠承受的危險(xiǎn)概率來表述的。

（三）可靠性的指標(biāo)

（1）可靠度（R）

這里說的可靠度一般是這樣定義的，在單位時(shí)間內(nèi)、一定條件下完成任務(wù)的概率，學(xué)術(shù)界一般都是使用R表示的。可靠度的影響因子一般有五個(gè)：研究對象、作用條件、實(shí)現(xiàn)功能、花費(fèi)時(shí)間、概率值等。在數(shù)學(xué)的角度來描述，可靠度可以用時(shí)間函數(shù)來表示，它的數(shù)值一般在0-1之間，期間使用的公式如下①表示：

R=R（t） ①

（2）維修度

維修度同樣也是一個(gè)概率值，它指的是產(chǎn)品出現(xiàn)問題以后，在特定條件下實(shí)施并完成維修的概率。由上述定義不難發(fā)現(xiàn)，維修度在很大程度上反映了進(jìn)行產(chǎn)品維修的難度，它通常是和維修用時(shí)呈現(xiàn)正相關(guān)的，一般情況下，產(chǎn)品經(jīng)過維修之后都可以達(dá)到之前的工作狀態(tài)。

再把目光放回到壓力容器上，它的可靠度和安全性一般會用特殊字符β表示，關(guān)于壓力容器的可靠度的數(shù)據(jù)分析，在十九世紀(jì)八十年代都已經(jīng)開始了，它的調(diào)研范圍涉及美、德、英等發(fā)達(dá)國家，其結(jié)果顯示發(fā)達(dá)國家代表的美國，其失效概率為0.63×10-5，而工業(yè)強(qiáng)國的德國其數(shù)值為10-5。值得注意的是，當(dāng)前學(xué)界說使用的壓力容器失效概率的標(biāo)準(zhǔn)，都是根據(jù)德國的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)指定的。

三、進(jìn)行壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)的基本方法

（一）注重極限情況

在壓力容器處于工作狀態(tài)下時(shí)，筒體的厚度都會產(chǎn)生很大的改變，而且，由于受到筒體應(yīng)力的影響，其也會產(chǎn)生部分變化，故而，在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要首先分析好裝載的物質(zhì)對筒體的腐蝕速率。研究人員會使用相關(guān)數(shù)學(xué)和物理公式對筒體厚度進(jìn)行確定，在這個(gè)過程中一定要考慮到可靠性被損壞的情況：a、壓力容器筒體發(fā)生屈服失效；b、壓力容器筒體部位產(chǎn)生裂痕；研究人員一定要注意到壓力容器在一些極限位置下的失效情況，經(jīng)過研究盡可能提高壓力容器抗壓值，進(jìn)而保證產(chǎn)品的可靠性。

（二）精確計(jì)算壓力容器的筒體厚度

在上世紀(jì)五十年代，科學(xué)家在對路合金強(qiáng)度探究時(shí)，找到了實(shí)際工況下的腐蝕深度分布規(guī)律，隨著大量資金的投入和研發(fā)人員不懈的努力，相關(guān)研究取得的成果也變得越來越多。還有一點(diǎn)要注意的是，在計(jì)算壓力容器腐蝕裕量的過程中，是能夠求出容器最開始的筒體厚度的。

（三）合理應(yīng)用受壓材料

在對壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性影響的研究中，我們不難發(fā)現(xiàn)受壓材料是一個(gè)不容忽視的話題，受壓材料在使用時(shí)，必須要依據(jù)介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)度以及相關(guān)的設(shè)計(jì)壓力來確定，一方面，受壓材料受介質(zhì)影響比較大，這里的介質(zhì)通常都具有易燃、易爆性質(zhì)，故而制作壓力容器的原材料一定要滿足國家既定的標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，必須要為壓力容器設(shè)置一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)，這對產(chǎn)品可靠性也是至關(guān)重要的。

四、結(jié)語

在進(jìn)行壓力容器的設(shè)計(jì)時(shí)，安全系數(shù)一般都不是一個(gè)確定值，根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)方法，我們將部件上的應(yīng)力、強(qiáng)度都看成隨意變化的數(shù)值，這就意味著它的主要特性就是離散性，而此時(shí)我們的處理手段就是運(yùn)用數(shù)學(xué)函數(shù)和概率統(tǒng)計(jì)等解決。我們之所以進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，就是為了使得壓力容器的強(qiáng)度滿足既定要求。

【參考文獻(xiàn)】

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