浅谈压力容器的两种设计方法
作者：王艳
来源：《价值工程》2010年第15期
摘要:本文介绍了压力容器的两种设计方法,指出分析设计方法虽然相对复杂,但较常规设计方法更安全更经济,且随着计算机技术的发展、有限元方法的应用及各种功能软件的使用它将会得到更广泛的应用。
Abstract: This paper introduces two kinds of pressure vessel design methods and points that analysis and design methods are relatively complex and more economical,but safer than the conventional design method,and with the development of computer technology,finite element method and software applications will be more widely used.
关键词:压力容器;常规设计;分析设计
Key words: pressure vessel;conventional design;analysis and design
中图分类号:TH49 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)15-0166-01
压力容器是化工、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广泛使用的承压设备。
尽管各类压力容器设备功能各异、结构复杂程度不一,但一般可将其分解为筒体、封头、法兰、开孔、接管、支座等部件。
压力容器及其部件的两种设计方法分别是常规设计和分析设计。
常规设计是以弹性设计准则为基础,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,这些公式均以显式表达,给出了压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系。
它包含了设计三要素:设计方法、设计载荷及许用应力,但这些并不是建立在对容器及其部件进行详尽的应力分析基础之上。
如容器筒体,是采用“中径公式”(根据内压与筒壁上均匀分布的薄膜应力整体平衡推导而得),一般情况它仅考虑壁厚中均布的薄膜应力,不考虑其它类型的应力,如对弯曲应力,只有当它特别显著、起主导作用时才予以考虑。
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,常规设计对此只是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件设计做一些规定,在结构、选材、制造等方面提出要求,把局部应力粗略地控制在一个安全水平上,在考虑许用应力时选取相对高的安全系数,留有足够的安全裕度。
因此,常规设计从本质上讲,可以说是基于经验的设计方法。
工程实际中我们用常规设计的观点和方法解决了很多问题,但也有一些问题无法解释,因为常规设计只考虑弹性失效,没有去深究隐含在许用应力值后面的多种失效模式。
分析设计以详细的应力分析报告为设计依据,以严格的选材与工艺质量为保证。
它采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹塑性失效”准则,采用最大剪应力理论来确定受压元件的尺寸,考虑各种载荷条件可能的组合,以弹性力学薄壳理论为基础进行分析计算,将应力根据其起因、来源、作用范围、性质和危害程度的不同进行分类,如:总体薄膜应力、边缘应力、峰值应力等,并对其进行准确全面计算,按照不同应力引起的不同破坏形式,分别予以不同的强度限制条件,以此来对元件的厚度进行计算。
另外,在JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》中,对材料、制造、检验、制造厂的资格审查等都提出更加严格的要求。
容器中存在的边缘效应、开孔接管、支座、附件连接等局部不连续使器壁应力分布不均匀,局部应力有时会比基于薄膜理论的简化公式算出的应力高好几倍。
在设计上,我们如果采用常规设计,按最大应力点达到屈服极限才认为失效,把最大应力限制在许用应力一下,对大部分低应力区来说不需要这么大的承载潜力,就会造成材料的浪费,如果不考虑应力集中,只按简化公式的薄膜应力进行计算,又会造成应力集中区出现塑性变形,在反复载荷作用下还可能出现裂纹,导致安全事故。
显然,如果我们采用分析设计,对容器进行全面的应力分析,根据容器及其部件的应力分布,对“症”下“药”,该厚处就加厚该薄处就减薄,不仅能确保容器的安全性还可以节省材料。
一些关于弹性力学板壳理论的专著提出壁厚与曲率半径之比小于0.05的壳体为薄壁壳体,大于0.05的为厚壁壳体。
对于薄壁壳体,壳体内外壁产生的应力大小相差不多,我们可以采用常规设计的方法,假设沿壁厚分布的应力是均匀分布的,采用“中径公式”计算壳体的应力与实际应力值相差不大。
但在厚壁壳体中,用这种方法计算的结果往往与实际相差甚远,因为这种情况下其内壁与外壁产生的应力值差别较大。
这就要求我们采用分析设计的方法,对壳体进行详细的应力分析确定合理的尺寸。
当然作为一种设计方法,分析设计也有其不足之处,如在计算时,必须预先确定受压元件及其相邻元件的所有尺寸,再进行强度计算,如果在计算后发现不满足强度条件,则需调整尺寸重新计算,因而计算工作十分繁杂。
可喜的是,近年来计算机技术迅猛发展,为我们提供了有效的计算手段,有限元方法的应用又使我们的结果与工程实际更接近更合理,各种功能软件的应用更是为我们带来极大的方便,分析设计已成为可能。
参考文献:
[1][美]莫斯(Moss,D.R.).压力容器设计手册[M].陈允中,译.北京:中国石化出版社,2005.
[2]JB4732-95 钢制压力容器-分析设计标准[S].
[3]GB150-1998 钢制压力容器[Z].。