壓力容器分析設(shè)計(jì)法運(yùn)用

鄭偉 王宗宇（山東海成石化工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 淄博 255400）

壓力容器分析設(shè)計(jì)法運(yùn)用

鄭偉 王宗宇（山東海成石化工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 淄博 255400）

安全、經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保已經(jīng)成為未來(lái)壓力容器發(fā)展的重要方向。這就讓人們向著壓力容器向輕型化發(fā)展。從運(yùn)用壓力容器分析法、提高材料強(qiáng)度、降低安全系數(shù)及優(yōu)化壓力容器結(jié)構(gòu)等方面實(shí)現(xiàn)壓力容器壁厚的減薄，這些中設(shè)計(jì)分析法起到了無(wú)法替代的作用。

壓力容器；安全；設(shè)計(jì)分析；優(yōu)化結(jié)構(gòu)

隨著當(dāng)今社會(huì)壓力容器向著大型化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，裝置向著大型化的發(fā)展趨勢(shì)。重型設(shè)備、大型儲(chǔ)罐等需求旺盛。這些導(dǎo)致設(shè)備厚度不斷增加，同時(shí)很多設(shè)備需要特種材料，導(dǎo)致設(shè)備制造成本不斷增加。為實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)同等重要，分析設(shè)計(jì)法的運(yùn)用顯得尤為重要。同時(shí)分析設(shè)計(jì)法的運(yùn)用對(duì)于材料的安全系數(shù)的降低起到推動(dòng)作用。這幾年來(lái)，壓力容器分析設(shè)計(jì)方法有了重大進(jìn)展?，F(xiàn)在具體闡述一下在設(shè)計(jì)過(guò)程中分析設(shè)計(jì)法的價(jià)值。

1 優(yōu)化局部應(yīng)力

在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，人們應(yīng)用最多的是常規(guī)設(shè)計(jì)方法，此方法彈性失效準(zhǔn)則是在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循的主要思想。雖然以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為依據(jù)的設(shè)計(jì)方法在一定程度上可以保證產(chǎn)品的功能，但如果遇到局部受到較大應(yīng)力的情況時(shí)，局部應(yīng)力接近極限值，但容器的其它部位在受力上還有較大裕量。這種情況分析設(shè)計(jì)法能夠很好的應(yīng)對(duì)。

基于彈性失效準(zhǔn)則的常規(guī)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中仍然有許多問(wèn)題難以解決，由于壓力容器殼體上的應(yīng)力分布不均勻，那么設(shè)計(jì)中以最大應(yīng)力位置進(jìn)入塑性作為失效的依據(jù)太過(guò)于保守，這造成材料的嚴(yán)重浪費(fèi)；壓力容器的開(kāi)口位置有應(yīng)力集中問(wèn)題；機(jī)械疲勞與交變載荷難以解決的問(wèn)題。這些因素都影響壓力容器的安全性和綠色環(huán)保。基于塑性失效準(zhǔn)則的分析設(shè)計(jì)方法，即在壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以降低結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)的最大應(yīng)力值，能夠更好的利用材料的承載性能，減薄壁厚，實(shí)現(xiàn)壓力容器的經(jīng)濟(jì)性能，對(duì)于節(jié)能環(huán)保有著重要意義。

2 方法的選擇

彈性分析的應(yīng)力分類法在壓力容器分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已十分普遍，但在一些情況下，不能準(zhǔn)確地區(qū)分一次和二次應(yīng)力的強(qiáng)度，如果按一次應(yīng)力進(jìn)行校核可能偏向于保守，按二次應(yīng)力控制又偏向于冒進(jìn)。實(shí)際使用中一次結(jié)構(gòu)法使用起來(lái)比較復(fù)雜，因此我們需要尋找一種更加方便快捷的替代方法。如今隨著工程實(shí)踐和理論研究的進(jìn)步，用以解決應(yīng)力分類法不足之處的替代方法已逐漸成熟。遵循相關(guān)規(guī)范、ANSYS有限元軟件應(yīng)用等方面討論了極限載荷法在壓力容器分析設(shè)計(jì)中應(yīng)用的方法及注意事項(xiàng)，從而大大提高了分析設(shè)計(jì)法的使用價(jià)值。

3 非線性有限元法在分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

線性分析法在如今已經(jīng)漸漸不能滿足設(shè)備多樣化的需求，非線性通常采用分段線性化的思想，在使用軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以將加載過(guò)程分解成若干個(gè)載荷。把每個(gè)載荷當(dāng)作線性問(wèn)題解決。然后吧結(jié)果累加從而得到非線性的結(jié)果。

4 疲勞設(shè)計(jì)校核

當(dāng)前壓力容器承受循環(huán)載荷的情況日漸增多，產(chǎn)生疲勞失效事故的幾率在不斷增加。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，壓力容器的受力是平穩(wěn)的，沒(méi)有波動(dòng)。然而疲勞設(shè)備的受力是間歇的，壓力、溫度都在不斷的變化。在此載荷的作用下受壓元件的焊接接頭周邊。、結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置以及接管開(kāi)孔周圍等區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很高的局部峰值應(yīng)力。這些力很集中，甚至?xí)_(dá)到總體薄膜應(yīng)力的3-8倍，在此力的反復(fù)作用下，會(huì)導(dǎo)致容器最終反生疲勞斷裂。疲勞設(shè)計(jì)校核的方法是一種先進(jìn)的壓力容器設(shè)計(jì)方法，它設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)就是分析設(shè)計(jì)。它遵守的原理是根據(jù)所有的溫度、壓力以及變化的載荷進(jìn)行計(jì)算，從而得到累加的循環(huán)疲勞度。這種方法在現(xiàn)在的石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并且越來(lái)越多的設(shè)備需要使用疲勞設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行壓力容器分析設(shè)計(jì)具有工作量小，設(shè)計(jì)周期短，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)更加合理、簡(jiǎn)單以及高效。容器各部分結(jié)構(gòu)尺寸通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法確定，更加有利于避免材料的浪費(fèi)。如果我們能夠再深入一步，設(shè)計(jì)人員預(yù)先編制好壓力容器常用元件和局部結(jié)構(gòu)的文件，和一個(gè)根據(jù)輸入的設(shè)計(jì)條件和選定的原件的局部結(jié)構(gòu)，電腦軟件能夠自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的分析文件和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，就可以對(duì)常規(guī)壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，為壓力容器的安全、綠色環(huán)保奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。壓力容器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化離不開(kāi)設(shè)計(jì)分析法的支持。

6 結(jié)語(yǔ)

壓力容器分析法的應(yīng)用與進(jìn)步是一項(xiàng)復(fù)雜而長(zhǎng)久的工作，設(shè)計(jì)人員在理論計(jì)算、選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各項(xiàng)環(huán)節(jié)中應(yīng)充分利用分析法的優(yōu)點(diǎn)。在壓力容器設(shè)計(jì)中我們除了嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正確設(shè)計(jì)以外，還應(yīng)多借鑒他人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)壓力容器分析法的發(fā)展，我相信在不久的將來(lái)在壓力容器設(shè)計(jì)中，分析法會(huì)成為主流的設(shè)計(jì)方法，它將最終推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步，為壓力容器的大型化做出貢獻(xiàn)。

[1]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：新華出版社，2009.

[2]JB4732-1995,鋼制壓力容器-------分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）[S].

[3]李建國(guó).壓力容器設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)及其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]陸萬(wàn)明，壽比南.新一代的壓力容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范-----ASMEⅧ-2-2007簡(jiǎn)介[J].