压力容器分析设计方法的安全性和经济性讨论.PDFVIP

压力容器分析设计方法的安全性和经济性讨论 秦叔经 (中国石化集团上海工程有限公司 上海 200040) 摘要：对于受内压筒体上带径向接管的开孔补强设计计算，文献给出的大量计算和试验结果表明等面积法的计算结 果是安全的，而应力分类设计方法的结果过于保守。本文通过对应力分类设计方法的假定条件和分析过程的讨论， 分析了该方法的结果比等面积法保守的原因。然后，又对两种分析设计方法——应力分类方法以及EN13445 所提出 的直接法，在分析计算方法和失效判定条件两个方面的不同之处作了分析和比较，说明了这两个方法在EN13445 标 准中的关系，并对这两种分析设计方法用于压力容器设计的安全性和经济性进行了讨论。 关键词：分析设计方法 应力分类方法 经济性 安全性 0 前言 自从上世纪60 年代美国将按应力分类的设计方法纳入其“锅炉与压力容器规范” （ASME VIII-2 ）后， 这种按分析方法进行压力容器设计的思想和概念逐渐为世界各主要工业国家的压力容器设计规范所采纳， 我国也于1995 年颁布了JB4732-95 《钢制压力容器分析设计标准》。近些年来，随着计算机技术的高速发 展，使用有限元方法来获得结构中的应力分布已不再是一件困难的工作，因此，基于应力分类的分析设计 方法在工程中被较普遍的得到了应用。 按应力分类的设计方法主要基于以下的思想和假定： 1 ．不同种类的应力将使结构产生不同的失效模式； 2 ．作用于结构上的不同载荷将在结构中产生不同种类的应力，这些不同种类的应力对结构失效的影 响大小也是不同的； 3 ．考虑的材料限于理想弹塑性材料，决定结构失效的是按第三强度理论或第四强度理论得到的当量 应力； 4 ．鉴于考虑工程应用的可行性，采用线弹性分析方法来获得结构中的应力分布。因此，用以进行强 度评定的是结构中的名义应力，而不是真实应力。 要指出的是，在应力分类的设计方法中，采用了板壳理论中有关薄膜应力和弯曲应力的概念。对于三 向应力状态，在力学理论上实际并不存在所谓的薄膜应力和弯曲应力，为了按应力分类设计方法中所规定 的强度条件进行评定，需通过应力线形化过程来得到平均应力（薄膜应力）、线形分布应力（弯曲应力）和 非线形分布应力（峰值应力）。本质上，应力分类的设计方法，包括应力线形化方法，都是一种工程应用的 强度设计方法，而不是严格按力学理论推导得到的方法。工程设计中一个普遍接受的原则是，检验一种设 计方法的有效性，不是看其是否严格符合力学理论或其他相关理论，而是主要看其给出的结果与结构失效 的真实结果（或实验结果）是否吻合，只要这种方法能保证所设计的容器有足够的安全性，又兼备较好的 经济性，那么，这种方法在工程上就是可以接受的。 无论是JB4732-95 或是ASME VIII-2 ，相对于按常规（公式）设计的容器来说，这两个标准都对按分 析设计的容器在选材、制造和检验等方面提出了更高的要求，如在 JB4732 中有以下要求：不允许使用普 通碳素钢 Q235-B、Q235-C ；当需要做材料的低温冲击试验时，要求做三种尺寸的试样，并且，要求达到 的最低平均冲击功比GB150 要高；按JB4732 设计的容器必须 100%无损探伤，等等。这意味着除了获得 更高的安全性之外，标准的导向应是：在保证安全的前提下，按分析设计的容器应该比按常规设计的容器 消耗较少的材料以补偿设计成本的提高。由此，对分析设计方法提出了两方面的要求，首先，按分析方法 设计的容器必须是安全的；第二，按分析方法设计的容器，其材料使用的经济性（以下简称为经济性）应 不低于按常规方法设计的容器。但是，近年来的一些研究表明，按应力分类的分析设计方法对于个别结构， 并不能满足经济性低于常规设计方法的要求。以下将通过实例对应力分类方法的安全性和经济性进行讨论。 1 筒体上径向接管结构的补强计算 Rodabaugh[1]按ASME VIII-1 中UG-101 通过爆破试验确定最大允许工作压力的方法以及等面积补强的 原则，总结了前人研究成果，对采用等面积补强法设计的结构，通过爆破试验，对试验验证的结果进行了 分析。表1 为文[1]给出的表2 中用补强圈补强结构的数据所进行的汇总。表1 中符号的意义为： Do ——筒体外径； T ——筒体壁厚；