压力容器设计方法分析对比

摘要：本文主要通过对比的方式阐述国内压力容器的两种设计方法，即常规设计和分析设计的不同之处，包括设计准则，适用范围，应力评定以及优劣等等。为在实际工作中选择合理的设计方法提供参考的依据。

关键词: 常规设计 分析设计应力分类

目前我国压力容器设计所采用的标准规范有两大类：一类是常规设计标准，以GB150-2011《压力容器》标准为代表；另一类是分析设计,以JB4732-1995《钢制压力容器--分析设计标准》为代表。两类标准是相互独立的、自成体系的、平行的压力容器规范, 绝对不能混用, 只能依据实际的工程情况而选其一。

1．设计准则比较

常规设计主要依据是第一强度理论，认为结构中主要破坏应力为拉应力，限定最大薄膜应力强度不超过规定许用应力值，当结构中某最大应力点一旦进入塑性, 结构就丧失了纯弹性状态即为失效。常规设计是基于弹性失效准则,以壳体的薄膜理论或材料力学方法导出容器及其部件的设计计算公式。一般情况它仅考虑壁厚中均布的薄膜应力，对于边缘应力及峰值应力等局部应力一般不作定量计算，如对弯曲应力。

分析设计的主要依据是第三强度理论，认为结构中主要破坏应力为剪切力。采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹塑性失效”的设计准则， 对容器的各种应力进行精确计算和分类。对不同性质的应力, 如：总体薄膜应力、边缘应力、峰值应力等；同时还考虑了循环载荷下的疲劳分析, 在设计上更合理。

2．标准适用范围对比

常规设计标准GB150-2011适用于设计压力大于或等于0.1MPa且小于35MPa，及真空度高于0.02MPa。对于设计温度，GB150-2011规定为-269℃-900℃，是按钢材允许的使用温度确定设计温度范围, 可高于材料的蠕变温度范围。

分析设计标准JB4732-1995适用于设计压力大于或等于0.1MPa且小于100MPa，及真空度高于0.02MPa。对于设计温度，JB4732-1995 将最高的设计许用温度限制在受钢材蠕变极限约束的温度。

3．应力评定对比

常规设计标准GB150-2011，采用统一的许用应力，如容器筒体，是采用“中径公式”进行应力校核，最大应力满足许用应力即可。

分析设计标准JB4732-1995的核心是将压力容器中的各种应力加以分类，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。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如下：

3.1一次应力

一次应力是由于受到外加机械载荷的作用而在容器中产生的为平衡这种外载所必须的正应力或剪应力, 它需要满足外载和内力的平衡关系。一次应力是个统称, 具体包括下述三类:

3.1.1 一次总体薄膜应力

一次总体薄膜应力存在于结构总体范围内, 其应力达到材料的屈服强度时, 会使元件的总体范围内整个壁厚的材料同时进入屈服, 使元件产生过量的弹性和塑性变形而直接导致结构破坏, 它是各类应力中对容器危害性最大的应力。例如各种壳体中平衡内压或分布载荷所引起的薄膜应力。

3.1.2一次局部薄膜应力

一次局部薄膜应力存在于结构局部范围内, 由介质压力或其他机械载荷所引起, 只要符合“局部地区”和“薄膜应力”的特征都可以称为一次局部薄膜应力。一次局部薄膜应力即使达到材料的屈服强度也不会造成结构整体过大的弹性和塑性变形, 因而允许这类应力强度有比一次总体薄膜应力较宽的校核条件。例如容器支座, 由于自重或外载在壳体上所引起的薄膜应力。

3.1.3 一次弯曲应力

一次弯曲应力是弯曲应力中的一种, 是由介质压力或其他机械载荷引起, 沿容器壁厚方向形成线性分布, 内外壁表面大小相等、方向相反、中间面为中性面的应力, 它满足外载和内力的平衡关系。一次弯曲应力对结构整体的危害程度同一次局部薄膜应力相似, 因而这类应力的强度校核条件也比一次总体薄膜应力为宽。如平盖中心部件由压力引起的弯曲应力。

3.2 二次应力

二次应力是由容器同一元件上不同部位的材料或者相邻元件之间的总变形协调条件导出的正应力或剪应力。由温度差而引起的热应力都由变形协调关系导出, 根据其存在范围是属于整体还是局部分别划入二次应力或峰值应力。如换热器管板与筒体联接处由于径向膨胀量不同所产生的热应力等。

3.3峰值应力

峰值应力定义为在局部结构不连续处总应力去除一次应力及二次应力后剩余的应力。它的基本特性是不会引起结构任何比较显著的变形, 仅可能是导致容器出现疲劳破坏和脆性断裂的潜在原因。峰值应力的划分并不是以它沿器壁厚度是均匀分布、线性分布还是非线性分布来定义, 不是高度集中的应力, 如果它不会引起结构显著的变形, 也可划归为峰值应力。例如在碳钢容器的奥氏体钢覆层中出现的温差应力。

4.优势与不足的比较

常规设计方法是以材料力学为及板壳理论与简化计算公式为基础,由于材料安全系数选取比较大，所以制造出的容器是比较安全的，但是因为过于保守的设计对于材料的浪费也是不容忽略的问题。另外对于比较苛刻的操作工况，常规设计便存在很大的局限性

分析设计采用以极限载荷，安定载荷和疲劳寿命为界限的塑性失效和弹塑性失效准则,允许结构出现可控制的局部塑性区, 允许对峰应力部位作有限寿命设计, 采用这个准则可以较好地解决常规设计的不足, 合理的放松对计算应力的过严控制。由于分析设计采用了塑性失效准则, 因此安全系数相对降低, 许用应力相对提高。另外由于分析设计考虑疲劳问题后的缘故，分析设计提供疲劳分析设计的实用规程, 考虑交变应力下容器的疲劳寿命。但是基于分析设计的特点，对于容器的选材、制造、检验和验收都提出更加严格的要求。另外分析设计虽然科学严谨，但却需要进行大量复杂的分析计算,因而提高了设计费用和时间。

5．总结

利用常规设计方法可以快速的对容器进行应力校核，也可以满足安全要求。而分析设计虽然可以节约部分钢材，却大大提高设计费用。综上所述，根据具体的设计要求选取合适的设计方法是很有必要的，在实践工作过程中做到常规设计与应力分析设计的有机结合，才可以保证制造出来的压力容器即合理有经济。

6.参考文献

[1]国家技术监督局，GB150-2011《压力容器》。

[2]全国压力容器标准化技术委员会，JB/T4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》。

[3]陆明万, 寿比南， 新一代的压力容器分析设计规范-Ⅷ-2-2007 简介[ J ]。压力容器, 2007, 24。

[4]元少昀 我国压力容器分析设计标准与常规设计标准的对比 ，石油化工设备技术，2009，30。

[5]国家石油和化学工业局发布，SH 3098-2000 《石油化工塔器设计规范》。

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