压力容器的常规设计和分析设计

?必威动态 ????|???? ?2019-07-26 15:13


  压力容器是特种设备(shèbèi)之一,其设计和制造都应遵循一定的标准和规范,实行国家强制许可制度。目前,压力容器所采用的设计标准有两大类:一种是按规范进行设计,称‘常规设计*,以美国ASME-硎-1压力容器建造》和我国GB150钢制压力容器》标准为代表;另一种是按应力分析设计,称’分析设计“,以美国ASME——2压力容器建造另一规则》和我国JB4732钢制压力容器分析设计标准》为代表。
  1常规设计常规设计的理论基础自1925年美国ASME开始发布压力容器规范非直接火压力容器》以来,其后许多国家发布的类似规范均属于常规设计范畴。它的理论基础是弹性失效准则,认为容器内某一最大应力点达到屈服极限进入塑性,丧失了纯弹性状态即为失效。常规设计只考虑单一的最大载荷“工况,按一次施加的静力载荷处理不考虑交变载荷,不涉及容器的疲劳寿命问题(Emerson)。目前我国相应的设计标准为GB150-1998钢制压力容器》,还有美国的ASME锅炉与压力容器规范第卷第1册和日本标准JISB8243等。
  常规设计在分析方法上是以材料力学方法或板壳薄膜理论导出计算公式,从基本的薄膜应力出发,同时将其他应力对容器安全性的影响,包括在较大的安全系数之中,未对容器重要区域的实际应力进行详细而严格的计算。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。实际上,当容器承载以后器壁上会出现多种应力,其中包括由于结构不连续所产生的局部高应力等。常规设计标准对此只是根据经验做出规定,将局部应力控制在一个安全水平上,只能在设计中选取许用应力时采用较高的安全系数,以保证压力容器的安全运行。
  器,其计算公式心PcA/2叩,6为圆筒或球壳的计算厚度,mm;Pc为计算压力,MPa;Di为圆筒或球壳的内直径,mm;王夕芹,女,山东安丘人,潍坊宏伟化工设备有限企业工程师。
  在许用应力后面的多种失效模式。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。因此,可以说常规设计本质上是一种基于经验的设计方法。但其设计方法简单易行,具有丰富的使用经验,在很长一段时间内对压力容器的设计和技术发展起着积极的推动作用。
  常规设计的不足之处从实践中发现,压力容器出现的一些事故用常规设计的观点说明不了,常规设计的确存在一些不能满足设计要求之处,主要有以下三点:工程结构中的应力分布大多数是不均匀的,对于几何或载荷不连续处,若按最大应力点进入塑性状态就算失效,就显得过于保守。因为结构尚有很大的承载潜力;若不考虑应力集中,只按简化公式的平均应力进行计算又不安全,应力集中区将可能(maybe)出现裂纹,进而会导致失效;对具有热应力的容器,要热应力控制在传统规范允许的水平之下,有时是做不到的。在高温、高压的容器中,热应力与内压应力之和往往超过传统的许用应力值,无论加厚或减薄壁厚均不能满足传统标准规范的要求,因为两者对壁厚大小的要求是相反的;在实际运行中,有许多承受交变载荷的容器出现了疲劳裂纹,这是一种实实在在的破坏形式。据统计,约有过半数的容器失效是属于疲劳破坏,但基于一次静力加载的常规设计和容器水压试验都不能对疲劳失效做出合理的评定和预测,但这些均不能按传统增加壁厚的办法加以解决,因此,除在结构型式与材料方面采取相应的措施(指针对问题的解决办法)外,还必须从设计观点和设计方法上加以改进。
  那么还有没有更合理、全面的设计方法呢,随着科学技术的进步,压力容器设计有了质的变化,那就是分析设计。
  2分析设计事实上,压力容器除了薄膜应力外,还存在着局部应力和温差应力等,当局部应力达到材料的屈服极限时,容器大部分区域仍处于弹性状态,此时己经屈服的局部区域,受周围弹性区的影响(influence),其变形量也不可能进一步增长,因而不会引起整个容器的失效。常规设计方法对这些问题(Emerson)难于解决,因而需要新的设计方法来解决这些问题。
  容器可选材料种类的增加,品质的提高,新结构、高参数的出现,制造工艺和检测手段的改进,这些都给分析设计的发展与应用创造了良好的条件;更重要的是计算技术的突飞猛进,有限元法的出现,各种功能App的推广使用,给压力容器设计计算提供了重要的手段。所有这些都为分析设计的发展奠定了基础。
  2.1分析设计的理论基础分析设计放弃了传统的弹性失效准则采用了弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则,允许结构出现可控制的局部塑性区,合理地放松了对计算应力的过严限制,适当地提高了许用应力,又严格保证了结构的安全性。目前我国相应的设计标准为JB4732-95钢制压力容器分析设计标准》JB4732-95标准是以第三强度理论即最大剪应力理论为基础认为不论材料处于何种应力状态,只要最大剪应力达到屈服时的最大剪应力值,就发生屈服破坏。分析设计方法的核心是将压力容器中的各种应力加以分类,分清主次,根据不同应力对容器安全性的影响程度,规定不同的安全系数,保证产品的安全性与经济性。
  分析设计的发展也是建立在数值分析方法、弹塑性理上的。
  分析设计中应力分类及其应用分析设计涉及了各种可能失效模一些主要的失效模式,设计根据所考虑(consider)的失效模式比较详细地计算了容器及受压元件的各种应力,并根据各种应力本身的性质及对失效模式所起的不同作用予以分类并加以控制,对部件及所关心的部位进行了详细的应力计算,搞清了应力分布的情况;摒弃了传统的同一许用应力的做法。压力容器并对每个类别的压力容器在设计、制造过程,以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。压力容器已实施进口商品安全质量许可制度,未取得进口安全质量许可证书的商品不准进口。由于应力的具体分类,使分析设计更具科学性与安全性压力容器在外载荷作用下,满足了平衡条件与变形协调条件后,容器各个部件中的应力按其性质分为以下三类:一次应力。一次应力是因外载荷作用而在容器部件中产生的正应力或剪应力。它没有‘自限性“它的基本特点是当它超过材料屈服极限时将产生过渡的变形而破坏。一次应力又分总体薄膜应力、一次弯曲应力和局部薄膜应力。例如承受内压圆筒的器壁中的环向应力即为总体薄膜应力;平封头或顶盖中央部分在内压作用下产生的应力即为一次弯曲应力;壳体在固定支座或接管处由外载荷和力矩产生的应力为局部薄膜应力。
  二次应力。二次应力是由于容器部件的自身约束或相邻部件的约束而产生的正应力或剪应力。它的基本特点具有‘自限性“即局部屈服和小量变形就会使约束缓和、变形协调,只要不反复加载,二次应力不会引起容器结构破坏。
  峰值应力。峰值应力是因局部结构不连续或形状突变引起的局部应力集中,它具有最高的应力值。它的基本特点具有‘自限性“和局部性”峰值应力不会引起容器明显的变形。
  容器上三种应力通常是同时并存的,分析设计允许导致结构破坏的危险性不同而将弹性名义应力进行分类,采用第三强度理论即01和03共同起作用,所以考虑了疲劳问题。因此分析设计不只减少了壁厚,而且结构更安全合理。
  实际上,在常规设计的标准GB150-1998钢制压力容器》中,部分内容己经直接应用了应力分类的限制条件,例如在膨胀节设计中,直接引用分析设计观点,把由内压引起的薄膜应力用4限制、薄膜应力和弯曲应力的叠加值用1.5*限制,必要时进行疲劳寿命校核;在内压圆筒及球壳设计中,包括温差在内的总应力强度可用24进行校核;无折边锥形封头大、小端和无折边球形封头都是把包括二次应力在内的总应力限制在3;还有平盖设计、低温压力容器设计都应用了应力分类的设计观点。
  王夕芹:压力容器的常规设计和分析设计3常规设计和分析设计比较性。分析设计提高了许用应力,降低了安全系数。30多年来的实际运行表明:采用分析设计的容器安全可靠,并具有经常规设计是一种简单易行的传统设计方法,而分析设计济性;与常规设计相比,一般可节省材料20%30%,还可减则不同,它需要详尽的应力分析报告为依据(yī jù),需要近代的分少制造加工量、降低运输费用。但对于选材、制造、检验和验析计算工具和实验技术为手段,因而提供了充分的强度数收规定了比常规设计更为严格的要求。常规设计与分析设计据,对新工艺、新材料、新结构和新工况更具科学性和可靠的对比,见表1.表1常规设计与分析设计比较项目(xiàng mù)常规设计分析设计弹性失效,弹塑性失效设计准则弹性失效只允许存在弹性变允许出现局部的、可控制的塑性变形极限载荷安定载荷、板壳理论应力不分类应力分类应力评定同一的许用应力用应力强度对各类应力进行评定用第一强度理论用第三强度理论基本安全系数较大基本安全系数较小材料常规要求优质、延性好、性能稳定制造、检验常规要求整体性、连续性、相贯处光滑过渡、全焊透、100%探伤分析设计方法虽然合理而先进,但却需要进行大量复杂的分析计算,需要计算机才能完成,因而提高了设计费用和时间,所以,只有当设计高参数、重要的容器时,才采用这种方法。但有些容器必须采用分析设计而无其它选择。
  对一般的常规容器,长期的实践证明采用传统的常规设计方法完全可以满足容器的安全性,如采用分析设计方法,虽然节省部分钢材,却提高了设计、制造费用,实际上是不合算的。因而美国ASME规范同时规定了上述两种设计准则,我国也颁布了GB150-1998钢制压力容器》和JB4732~95钢制压力容器分析设计标准》根据不同情况(Condition)进行不同选择。
  分析设计是一个整体,设计准则的不同,要求与之配套的一系列规范和措施也不同,包括材料选用、制造工艺、检验要求、计算程序、设计制造资格等方面;而常规设计方法简单易行,具有丰富的使用经验,但有时却无法说明压力容器出现的一些事故。所以,常规设计和分析设计不能混用,设计者应根据实践经验,通过经济核算,进行选择,确定最佳设计方案。