压力容器设计方法分析对比.doc

压力容器制定方法分析对比

目前我国压力容器制定所采纳的标准规范有两大类：一类是常规制定标准，以GB150-2021《压力容器》标准为代表；另一类是分析制定,以JB4732-1995《钢制压力容器--分析制定标准》为代表。两类标准是互相独立的、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状况而选其一。
制定准则比较
常规制定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。常规制定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制定计算公式。一般状况它仅合计壁厚中均布的薄膜应力，关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。
分析制定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。采纳以极限载荷、安定载荷和疲惫寿命为界限的"塑性失效'与"弹塑性失效'的制定准则， 对容器的各种应力进行准确计算和分类。对不同性质的应力, 如：总体薄膜应力、边缘应力、峰值应力等；同时还合计了循环载荷下的疲惫分析, 在制定上更合理。
标准适用范围对比
常规制定标准GB150-2021适用于制定压力大于或等于0.1MPa且小于35MPa，及真空度高于0.02MPa。关于制定温度，GB150-2021规定为-269℃-900℃，是按钢材同意的使用温度确定制定温度范围, 可高于材料的蠕变温度范围。
分析制定标准JB4732-1995适用于制定压力大于或等于0.1MPa且小于100MPa，及真空度高于0.02MPa。关于制定温度，JB4732-1995 将最高的制定许用温度限制在受钢材蠕变极限约束的温度。
应力评定对比
常规制定标准GB150-2021，采纳统一的许用应力，如容器筒体，是采纳"中径公式'进行应力校核，最大应力满足许用应力即可。
分析制定标准JB4732-1995的核心是将压力容器中的各种应力加以分类，依据所合计的失效模式比较具体地计算了容器及受压元件的各种应力。依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：

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。

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, 因而同意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, 依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惫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。
优势与不够的比较
常规制定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制定关于材料的浪费也是不容忽略的问题。另外关于比较苛刻的操作工况，常规制定便存在很大的局限性
分析制定采纳以极限载荷，安定载荷和疲惫寿命为界限的塑性失效和弹塑性失效准则,同意结构出现可控制的局部塑性区, 同意对峰应力部位作有限寿命制定, 采纳这个准则可以较好地解决常规制定的不够, 合理的放松对计算应力的过严控制。由于分析制定采纳了塑性失效准则, 因此安全系数相对降低, 许用应力相对提升。另外由于分析制定合计疲惫问题后的缘故，分析制定提供疲惫分析制定的有用规程, 合计交变应力下容器的疲惫寿命。但是基于分析制定的特点，关于容器的选材、制造、检验和验收都提出更加严格的要求。另外分析制定虽然科学严谨，但却需要进行大量复杂的分析计算,因而提升了制定费用和时间。
利用常规制定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。而分析制定虽然可以节约部分钢材，却大大提升制定费用。综上所述，依据具体的制定要求选取合适的制定方法是很有必要的，在施行工作过程中做到常规制定与应力分析制定的有机结合，才可以保证制造出来的压力容器即合理有经济。