1、如何做好压力容器设计的工作摘要：下文主要结合笔者多年的工作实践经验，针对压力容器的常规设计与分析设计两种设计进行了比较，并分析设计中应力分类及其应用。希望通过以下阐述，能与各位同仁相互交流，同时今后也能够为类似的设计提供一些借鉴与参考。 关键词：要求 常规设计 分析设计 1、压力容器的设计要求 1）设计的压力容器要保证能够安个可靠的运行众所周知，在工作过程中，压力容器内部具有相当的能量，如果容器遭到外界的破坏而泄露内部的能量，该能量在瞬间爆发出来会造成很严重的后果，另外，在连续生产的作用下，很容易造成压力容器的损坏，也会威胁到其他相关设备的安全，形成连锁反应。在压力容器的建造和使用过程中，设计
2、是保证压力容器安全的第一个重要的环节，在设计阶段全面考虑压力容器的风险控制，考虑到在腐蚀、异常高低温以及疲劳载荷情况下根据其可能出现的失效模式采取相应的防护措施，保障在使用过程中的安全是全新的设计理念。 2）压力容器使用寿命的设计，对此要有十分正确的把握。腐蚀是压力容器失效的最常见的模式。受腐蚀性物质的影响，压力容器的使用寿命经常会比预先设计的要短，尤其是在石油化工业，腐蚀性物质较多，压力容器与它们接触的机会较多，长时间使用压力容器后，其器壁的厚度会减小，甚至会被腐蚀烂穿。所以，必须在设计中留有相应的腐蚀裕量，同事，尽量选择耐腐蚀性的材料作为压力容器的壳体，另外，在设计中采用相应的防腐措施也是
3、必不可少的。 3）设计应该便于制造安装和操作维修。设计应该兼顾压力容器的各个其他环节，才能保证安全性，结构越简单就会越容易制造和对设备讲行检测，即使产品的某此缺陷超标了，也能够在最快的时间内被发现，并且予以消除。另外，这样做也能够满足一些比较特殊的要求，比如：一些像顶盖一样的试验容器，在使用过程中要经常装拆，因此要采用便于装拆的结构形式，较少的使用笨重的主螺栓连接方式；有一些容器内部的器件经常需要清洗和维修，则有必要设置一些入孔和手孔。 4）为了能够实现经济效益，当压力容器的设计各项指标都满足要求时，应该尽量采用结构简单和节约贵重材料的方案，降低制造的成本。 2、常规设计与分析设计 过去压力容
4、器及其部件的设计基本上属于常规设计。国内常规设备标准为 GB150.14-2011压力容器 ，国外标准最常用的是 ASME -1压力容器建造规则 。常规设计是弹性失效准则为准则的，该失效准则认为承受外载荷作用的构件，只要有一点进入屈服状态，或称该点受应力作用而使材料产生塑性流动，即认为该结构失去继续承载的能力。这样做比较简单，以现成的设计公式及曲线为依据， 多年来一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。所以在相关规范中，为了保证容器的安全可靠在设计中就
5、采用了较高的安全系数。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，存在一些问题。 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。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
6、，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一般无此要求。 （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。而常规设计一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。3、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一些主要的失效模式，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
7、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。 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： （1）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
8、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。 （2）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。 （3）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。 4、常规设计和分析设计比较 常规设计是一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
9、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。笔者查阅了相关资料得知 30 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%，在一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。 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。我国也颁布了相关的法规法标，根据不同情况进行不同选择。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，但有时却无法解释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。
