如何做好壓力容器設計的工作

1、<p>　　如何做好壓力容器設計的工作</p><p>　　摘要：下文主要結合筆者多年的工作實踐經驗，針對壓力容器的常規(guī)設計與分析設計兩種設計進行了比較，并分析設計中應力分類及其應用。希望通過以下闡述，能與各位同仁相互交流，同時今后也能夠為類似的設計提供一些借鑒與參考。 </p><p>　　關鍵詞：要求 常規(guī)設計 分析設計 </p><p>　　1、壓力

2、容器的設計要求 </p><p>　　1）設計的壓力容器要保證能夠安個可靠的運行眾所周知，在工作過程中，壓力容器內部具有相當?shù)哪芰浚绻萜髟獾酵饨绲钠茐亩孤秲炔康哪芰?，該能量在瞬間爆發(fā)出來會造成很嚴重的后果，另外，在連續(xù)生產的作用下，很容易造成壓力容器的損壞，也會威脅到其他相關設備的安全，形成連鎖反應。在壓力容器的建造和使用過程中，設計是保證壓力容器安全的第一個重要的環(huán)節(jié)，在設計階段全面考慮壓力容器的風險控制

3、，考慮到在腐蝕、異常高低溫以及疲勞載荷情況下根據(jù)其可能出現(xiàn)的失效模式采取相應的防護措施，保障在使用過程中的安全是全新的設計理念。 </p><p>　　2）壓力容器使用壽命的設計，對此要有十分正確的把握。腐蝕是壓力容器失效的最常見的模式。受腐蝕性物質的影響，壓力容器的使用壽命經常會比預先設計的要短，尤其是在石油化工業(yè)，腐蝕性物質較多，壓力容器與它們接觸的機會較多，長時間使用壓力容器后，其器壁的厚度會減小，甚至會被

4、腐蝕爛穿。所以，必須在設計中留有相應的腐蝕裕量，同事，盡量選擇耐腐蝕性的材料作為壓力容器的殼體，另外，在設計中采用相應的防腐措施也是必不可少的。 </p><p>　　3）設計應該便于制造安裝和操作維修。設計應該兼顧壓力容器的各個其他環(huán)節(jié)，才能保證安全性，結構越簡單就會越容易制造和對設備講行檢測，即使產品的某此缺陷超標了，也能夠在最快的時間內被發(fā)現(xiàn)，并且予以消除。另外，這樣做也能夠滿足一些比較特殊的要求，比如：一

5、些像頂蓋一樣的試驗容器，在使用過程中要經常裝拆，因此要采用便于裝拆的結構形式，較少的使用笨重的主螺栓連接方式；有一些容器內部的器件經常需要清洗和維修，則有必要設置一些入孔和手孔。 </p><p>　　4）為了能夠實現(xiàn)經濟效益，當壓力容器的設計各項指標都滿足要求時，應該盡量采用結構簡單和節(jié)約貴重材料的方案，降低制造的成本。 </p><p>　　2、常規(guī)設計與分析設計 </p>

6、<p>　　過去壓力容器及其部件的設計基本上屬于常規(guī)設計。國內常規(guī)設備標準為GB150.1～4-2011《壓力容器》，國外標準最常用的是ASME Ⅷ-1《壓力容器建造規(guī)則》。常規(guī)設計是彈性失效準則為準則的，該失效準則認為承受外載荷作用的構件，只要有一點進入屈服狀態(tài)，或稱該點受應力作用而使材料產生塑性流動，即認為該結構失去繼續(xù)承載的能力。這樣做比較簡單，以現(xiàn)成的設計公式及曲線為依據(jù)， 多年來一直按這樣的方法進行設計。 然而，

7、這種方法比較粗糙，許多重要因素都未考慮進去。 以內壓圓筒為例，在常規(guī)設計時只考慮薄膜應力，至于溫差應力、邊緣應力以及交變應力引起的疲勞等問題均未考慮。所以在相關規(guī)范中，為了保證容器的安全可靠在設計中就采用了較高的安全系數(shù)。這樣做實際上是企圖以高的安全系數(shù)來包羅各種因素的影響，存在一些問題。 </p><p>　　近年來，由于鍋爐、石油、化工等行業(yè)的發(fā)展，壓力容器設計參數(shù)提高，使用條件也越來越苛刻，如果單純依靠提高

8、安全系數(shù)的辦法來保證強度，會導致設計變得不合理。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，我們在結構型式與材料方面采取相應措施外，還必須從設計觀點和設計方法上加以改進和發(fā)展。其次是引入了極限分析與安定性分析的概念，對求得的應力加以分類和加以限制。 </p><p>　　分析設計和常規(guī)設計的主要區(qū)別如下： </p><p>　　（1）分析設計比常規(guī)設計在選材、結構、設計、制造、檢臉和使用等方面都提出了較高的要

9、求和較多的限擊峰件。 </p><p>　?。?）分析設計考慮容器低循環(huán)疲勞失效，而常規(guī)設計并未包括疲勞分析。 </p><p>　?。?）分析設計考慮疲勞分析時要求詳細計算溫差應力 ，而常規(guī)設計除個別元件外一般無此要求。 </p><p>　?。?）分析設計采用最大剪應力理論，而常規(guī)設計.采用最大主應力理論。 </p><p>　　（5）分

10、析設計原則上要求對容器元件各個部位的應力進行詳細計算，并根據(jù)各種應力對元件失效所起不同的作用予以分類，然后對不同類別的應力采用不同的應力校核條件加以限制。而常規(guī)設計一般不計算某些局部應力，僅針對具體結構引人不同的結構系數(shù)，也不對應力進行分類。 </p><p>　　3、分析設計中應力分類及其應用 </p><p>　　分析設計涉及了各種可能失效模式中一些主要的失效模式，設計根據(jù)所考慮的失效

11、模式比較詳細地計算了容器及受壓元件的各種應力，并根據(jù)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并加以控制，對部件及所關心的部位進行了詳細的應力計算，搞清了應力分布的情況；摒棄了傳統(tǒng)的同一許用應力的做法。 由于應力的具體分類，使分析設計更具科學性與安全性。 </p><p>　　壓力容器在外載荷作用下，滿足了平衡條件與變形協(xié)調條件后，容器各個部件中的應力按其性質分為以下三類： </p>&l

12、t;p>　?。?）一次應力是因外載荷作用而在容器部件中產生的正應力或剪應力。它沒有“自限性”，它的基本特點是當它超過材料屈服極限時將產生過渡的變形而破壞。 一次應力又分總體薄膜應力、一次彎曲應力和局部薄膜應力。例如承受內壓圓筒的器壁中的環(huán)向應力即為總體薄膜應力；平封頭或頂蓋中央部分在內壓作用下產生的應力即為一次彎曲應力；殼體在固定支座或接管處由外載荷和力矩產生的應力為局部薄膜應力。 </p><p>　?。?/p>

13、2）二次應力是由于容器部件的自身約束或相鄰部件的約束而產生的正應力或剪應力。 它的基本特點具有“自限性”，即局部屈服和小量變形就會使約束緩和、變形協(xié)調，只要不反復加載，二次應力不會引起容器結構破壞。 </p><p>　?。?）峰值應力是因局部結構不連續(xù)或形狀突變引起的局部應力集中，它具有最高的應力值。 它的基本特點具有“自限性”和“局部性”，峰值應力不會引起容器明顯的變形。 </p><p&

14、gt;　　4、常規(guī)設計和分析設計比較 </p><p>　　常規(guī)設計是一種簡單易行的傳統(tǒng)設計方法，而分析設計則不同，它需要詳盡的應力分析報告為依據(jù)，需要近代的分析計算工具和實驗技術為手段，因而提供了充分的強度數(shù)據(jù)，對新工藝、新材料、新結構和新工況更具科學性和可靠性。 分析設計提高了許用應力，降低了安全系數(shù)。筆者查閱了相關資料得知30多年來的實際運行表明：采用分析設計的容器安全可靠，且具有經濟性；與常規(guī)設計相比，可

15、節(jié)省材料 20%～30%，在一定程度上有效減少制造加工量、降低運輸費用。 但對于選材、制造、檢驗和驗收規(guī)定了比常規(guī)設計更為嚴格的要求。 常規(guī)設計與分析設計的對比，見表 1。 </p><p>　　分析設計方法雖然合理而先進，但卻需要進行大量復雜的分析計算，需要計算機才能完成，因而提高了設計費用和時間，所以，只有當設計高參數(shù)、重要的容器時，才采用這種方法。但有些容器必須采用分析設計而無其它選擇。對一般的常規(guī)容器，長

16、期的實踐證明采用傳統(tǒng)的常規(guī)設計方法完全可以滿足容器的安全性，如采用分析設計方法，雖然節(jié)省部分鋼材，卻提高了設計、制造費用，實際上是不合算的。我國也頒布了相關的法規(guī)法標，根據(jù)不同情況進行不同選擇。分析設計是一個整體，設計準則的不同，要求與之配套的一系列規(guī)范和措施也不同，包括材料選用、制造工藝、檢驗要求、計算程序、設計制造資格等方面；而常規(guī)設計方法簡單易行，具有豐富的使用經驗，但有時卻無法解釋壓力容器出現(xiàn)的一些事故。 所以，常規(guī)設計和分析設