可靠性方法在壓力容器設計中的應用及探討

葉柯柯，姚正鑫

（中核嘉華設備制造股份公司，甘肅嘉峪關 735100）

0 引言

可靠性代表著經久耐用和堅固牢靠，可靠性不僅能體現出設備安全性也能夠體現出效率。壓力容器的應用范圍較廣，如核動力設施、石油化工設施、國防軍工設施等，這些行業都直接影響到我國的社會利益和國家利益，因此壓力容器設計過程中設計方法的可靠性研究十分重要，是設備安全平穩運行的保證。

1 壓力容器設計的可靠性要求

1.1 運行可靠性

設計壓力容器時首先要從設備的運行環境著手，要確保壓力容器能夠承受較高的溫度和較高的壓力，盡力提升壓力容器的抗腐蝕能力。在確保容器使用效果的前提下提升其封閉性，采用科學合理的方法處理壓力容器運行過程中產生的能量，將對壓力容器的破壞性盡量減少到最低。通過可靠性設計確保壓力容器能夠可靠穩定地運行。

1.2 經濟實用性

設計壓力容器時不僅要確保其安全性和穩定性，還要對結構進行適當的簡化，以降低生產成本。設計過程中一旦出現問題則需要及時與專家進行溝通，對問題進行分析并制定相應的處理對策，最大限度提升壓力容器的質量，以有效控制后期的維保費用，降低企業的投入成本，增加企業的市場競爭力，提升企業的經濟效益。可通過BIM 技術對壓力容器的設計進行數字建模，通過模擬設計和模擬生產的過程來降低試制的成本和避免資源浪費，同時也能對設備運行的過程進行詳細觀察，及時發現問題、解決問題。

1.3 使用壽命長

壓力容器在應用過程中必然會接觸具有腐蝕性的介質，容器的外殼會因為這些介質而腐蝕，進而影響容器的運行年限。從目前的設計角度來看，許多設計人員只注重如何精簡設備結構、降低生產成本及提升運行穩定性，并沒有對腐蝕影響因素進行深入分析和研究。設計壓力容器時需要對腐蝕材料進行分類分析，以提升容器外殼的抗腐蝕性，還要對外殼進行優化設計，例如頂蓋能夠更加方便的拆裝，能夠快速拆裝的密封結構有效降低生產成本，也能提升維修的效率和質量。

2 可靠性方法在壓力容器設計中的應用

2.1 方法

2.1.1 數學方法

采用可靠性數學中的建模方式有助于壓力容器的設計，可靠性數學是應用數學中較為重要的一個分支，涉及到的可靠性問題能夠采用建模的方式展現出來，利用概率學和運籌學對其進行深入研究，可有效解決設計中的可靠性問題。壓力容器在設計的過程中通過使用可靠性數學對容器故障進行排查和研究，對故障出現的規律進行觀察和統計，并對設計方案進行分析和評估，從理論方面為設計工作提供保障。

2.1.2 物理方法

壓力容器設計過程中采用的可靠性物理方法的主要作用是對壓力容器的故障進行深入分析，分析故障的基本原理并對設備的故障進行實時檢測。結合設計參數構建出物理模型，對壓力容器的失效情況進行分析和研究，并根據研究結果提出具有針對性的應對及防范方案，確保壓力容器在設計過程中規避失效隱患，提升設計的可靠性、合理性和科學性。

2.1.3 工程方法

采用可靠性工程方法能夠對壓力容器的失效模式進行深入研究，通過對壓力容器的失效概率進行分析和計算預估失效形式。通過建模的方式對設計方案進行反復試驗，根據試驗結果對設計參數的可行性和合理性進行反推。這樣能夠嚴格控制失效情況的產生，確保設計方案具備可靠性和合理性。

2.2 應用

2.2.1 數據信息分析

將可靠性設計法應用在壓力容器的設計中，應對容器的相關數據信息進行詳細分析，并對容器參數變化和隨機變量有可能對設計結果造成的影響進行深入研究，通過統計分析數據構建完整的信息數據及數據模型，采用數據概率統計方法對研究對象進行特征描述，以得到準確性更高的統計結果，最后做好記錄，配合試驗方式和概率學計算對容器的隨機性能、應用變量以及設計數據進行合理的預估，對設計壓力容器的條件進行分析后優化其設計方法。

2.2.2 明確設計變化

設計人員采用可靠性設計法設計壓力容器時應掌控好隨機變量，并做好概率計算工作，對設計中有可能出現的變化情況進行深入分析，對壓力容器的使用特征進行明確，這樣能夠有效規避失效等故障情況的出現。另外還需要通過概率學對壓力容器的可靠性運行進行記錄，對試驗數據進行有效分析，明確容器在設計過程中出現的變化因素，如熱荷載、物理量以及機械荷載等，對設計方案失敗的部分進行研究，并制定有效的對應策略。

2.2.3 優化數值評定

壓力容器設計過程中應充分掌握生產參數的變化，對產品的綜合性能和生產過程中的數值進行充分論證，充分掌握容器的強度和抵抗力等情況。對設計條件進行分析的同時掌控好相關的數據指標，確保壓力容器達到要求的使用狀態。產品在設計和制作過程中應對變化因素和失效因素進行分析，對其抗力變化和應力作用進行有效分析。

2.2.4 充分考慮風險

設計壓力容器時也要充分考慮隨機事件造成的風險問題，通過概率論對風險發生的概率進行推斷，查明產品出現故障情況，并明確故障的變化機理，對其進行充分的統計分析和概率論證。設計過程中可根據對風險的推斷對壓力容器的運行可靠性進行評估，分析壓力容器的使用年限，對相關的使用參數進行測定，確保壓力容器安全運行。

3 壓力容器可靠性設計實例探討

3.1 壓力容器的可靠性設計理論

壓力容器的設計目標是在可靠度保證的前提下危險斷面的最小抗力不能低于最大應力，否則容器會失去可靠度，發生失效情況。這里的強度和應力均為不確定值，強度與應力為多個隨機變量組成，具有分布規律。壓力容器采用可靠性設計法能夠利用干涉模型對正態分布的強度和應力進行計算。假設壓力容器的強度和應力均為隨機變量，且均正態分布，則干涉模型理論計算可靠度為：

可靠性安全系數的計算方法有概率安全系數、隨機安全系數等。壓力容器設計中比較常見的是取強度均值和實際應力的均值之比，即均值安全系數：

將公式代入可得：

從式（4）可以看出，影響安全的具體因素包括可靠度、強度變異系數和應力變異系數，求出強度及應力的變異系數就可以得到與可靠度相對應的安全系數。強度均值和標準差通常是已知的，壓力容器筒體最大應力：

3.2 分析討論

從以上設計實例分析得出，可靠性設計法比常規設計法更加節省資源，也能有效反映出容器的破壞概率即容器的可靠程度。在進行可靠度分析計算的過程中，假設所有隨機變量均為正態分布，能夠更加簡單便捷地計算出隨機變量的數值，能夠提升設備的安全度。

通過大量的實驗計算數據，強度可以通過正態分布來進行計算。從強度與應力的干涉理論能得出右傾斜的應力造成右端的密度過大導致干涉區增大，這樣會降低可靠度。因此應力在對數正態分布的條件下，如果按照正態分布條件進行設計無法確保設計的可靠性要求，應根據具體情況進行具體分析。

4 結束語

綜上所述，通過對可靠性設計法的原理進行分析，結合實例計算與分析，總結得出壓力容器采用常規設計方法雖然安全系數較大但主觀隨意性同樣較大。采用可靠性設計方法具有較為明顯的離散性，可以通過分布函數來進行計算，強度與應力均設為隨機變量，采用概率統計的方法能夠計算出相應的設計數值。可靠性計算法還需要對統計資料進行進一步完善積累，未來的研究方向應是將可靠性設計法的指標科學合理地分配到各個影響因素中，進一步提升可靠性設計法的穩定性，確保壓力容器的制造質量。