压力容器的常规设计和分析设计

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压力容器是-种特种设备.其设计和制造都应按照我国的标准和规范进行，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：-种是按规范进行设计，称常规设计”(Design bv rule)，以美国ASME-Ⅷ-1《压力容器建造》和我国 cmso(钢制压力容器》标准为代表；另-种是按应力分析设计，称分析设计”f Design bv anysis)，以美国ASME-Wl-2《压力容器建造--另-规则》和我国JB4732(钢制压力容器- 分析设计标准》为代表。

1.常规设计与分析设计过去压力容器及其部件的设计基本上属于常规设计.我国现在执行的相应的设计规范是《钢制压力容)(cm5o-98)。常规设计的特点是：筒体及其部件的应力不允许超过弹性范围内的某-许用值。如果达到这-要求。即认为筒体或部件就是比较可靠的。这样做比较简单，以现成的设计公式及曲线为依据.多年来-直按这样的方法进行设计。然而。这种方法比较粗糙，许多重要因素都未考虑进去。以内压圆筒为例 .在常规设计时只考虑薄膜应力 ，至于温差应力、边缘应力以及交变应力引起的疲劳等问题均未考虑。所以在规范中.为了保证容器的安全可靠在设计中就采用了较高的安全系数 最早的安全系数 n5.40年代末改为n4。这样做实际上是企图以高的安全系数来包罗各种因素的影响，存在-些问题。

近年来。由于锅炉、石油、化工等行业的发展，压力容器设计参数提高.使用条件也越来越苛刻.如果单纯依靠提高安全系数的办法来保证强度 .会导致设计变得不合理。为了防止这种现象的发生，我们在结构型式与材料方面采取相应措施外.还必须从设计观点和设计方法上加以改进和发展。目前世界上-些先进的国家都在运用应力分析方法.我国也于 1995年颁布了f钢制压力容器--分析设计标准)0B47犯-95).要求把零部件中的应力较为准确地设计出来或用应力测试法测定出来。其次是引入了极限分析与安定性分析的概念.对求得的应力加以分类和加以限制分析设计和常规设计的主要区别如下：(1)分析设计比常规设计在选材、结构、设计、制造、检脸和使用等方面都提出了较高的要求和较多的限击峰件(2)分析设计考虑容器低循环疲劳失效 ，而常规设计并未包括疲劳分析。

(3)分析设计考虑疲劳分析时要求详细计算温差应力 ，而常规设计除个别元件外-般无此要求(4)分析设计采用最大剪应力理论。而常规设计.采用最大主应力理论。

(5)分析设计原则上要求对容器元件各个部位的应力进行详细计算 .并根据各种应力对元件失效所起不同的作用予以分类.然后对不同类别的应力采用不同的应力校核条件加以限制 而常规设甘-般不计算某些局部应力.仅针对具体结构引人不同的结构系数.也不对应力进行分类。

2.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式中-些主要的失效模式.设计根据所考虑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-许用应力的做法。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：2.1-次应力- 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。-次应力又分总体薄膜应力、-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-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。

2.2二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2.3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3.常规设计和分析设计比较常规设计是-种简单易行的传统设计方法，而分析设计则不同。它需要详尽的应力分析报告为依据.需要近代的分析计算工具和实验技术为手段，因而提供了充分的强度数据，对新工艺 、新材料、新结构和新工况更具科学性和可靠性。分析设计提高了许用应力，降低了安全系数。3O多年来的实际运行表明：采用分析设计的容器安全可靠，且具有经济性；与常规设计相比，可节省材料 20%～30%，在-定程度上有效减少制造加工量、降低运输费用。但对于选材、制造、检验和验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的对比。

见表 1表 1 常规设计与分析设计比较项目 常规设计 分析设计弹性失效.弹塑性失效设计准则定载荷反复加载1、-次加载2.安弹性失效只允许存在弹性变载荷 静载荷 静载荷、交变载荷分析方法 薄膜理论、材料力学方法 弹性或塑性力学分析(理论方法、简化公式加经验系数 数值方法、实验方法)、板壳理论应力不分类 应力分类同-的许用应力 用应力强度对各类应力进行评定应力评定用第-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-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(下转第325页)◇科技论坛◇ 科技嚣向导 2013年21期期.可以每周采用人工检测-次。在使用的中后期.可以适当增加人工检测的频次(2)通过电磁仪器检测可以准确测量钢丝绳金属损失情况，这样就可以在检测钢丝绳三个单项指标基础上.将三项指标对强度损失影响综合考虑。增加剩余安全系数这-直观的判断指标∩以提高钢丝绳安全情况判断的准确性(3)由于在线检测意义不大。且检测磁头对于高速运行的钢丝绳而言存在安全隐患，因此，现有技术阶段 ，不建议在线检测。