压力容器分析设计规范进展介绍与修订探讨.pdf
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1、第 4 3卷第 5期 化工机械 5 6 1 压力容器分析设计规范进展介绍与修订探讨 沈 鏊 李 涛 ( 1 惠生工程 ( 中国) 有 限公 司; 2 清华 大学航 天航空学 院; 3 浙江大学能源 工程学 院) 摘要在简析美欧分析设计规范技术进展的基础上, 针对今后新版J B 4 7 3 2的修订过程、 开发途径、 篇 章结构、 各篇内容及预研课题等进行了的探讨, 提出了看法和建议。 关键词 压力容器J B 4 7 3 2 标准修订分析设计 中图分类号T Q 0 5 1 3 文献标识码A 文章编号0 2 5 4 6 0 9 4 ( 2 0 1 6 ) 0 5 - 0 5 6 1 - 0 7 压
2、 力容器 设计 主要有两 个途径 : 规则 设计 ( 欧盟称公式设计 ) 和分析设计 。虽然规则设计 方便快捷 、 使用经验丰富, 并 占主导地位, 但随着 现代工业的工艺技术越来越复杂 , 设计高参数设 备时使用规则设计显得过于保守, 致 使分析设计 的重要性和不可替代性也 日益凸显 , 并对提高未 来压力容器产品的国际竞争力具有战略性的重要 意义 。基于应力分析的优化设计不仅可以充分发 挥材料性能、 降低制造成本 , 还具有提高操作安全 性 、 降低设备维护费用等优势。 我国压力容器分析设计标准 J B 4 7 3 2主要采 用的是应力分类法。该方法 由 A S ME于 2 O世纪 5 O
3、年代提出, 1 9 6 3年引入 A S ME , 1 9 6 7年引入 A S M E- 2 , 在压 力容器工程领域被世 界上绝 大 多数国家所采纳。然而在几十年 的工程实践中, 该方法也出现了一些难 以克服的问题 。美国 和欧盟基于失效模式的理念陆续提出了全新的分 析设计方法 , 我国 J B 4 7 3 2的修改 也正在有序进 行 中, 势必要吸纳近年来 的高新技术 和先进设计 理念 , 尽快与国际接轨 。 1 美欧技 术进 展 为了避免应力分类法带来的一些 问题 , 美欧 相继颁 布 了以弹 一塑性 分析方法 ( 欧盟为 直接 法 ) 为 主 要 特 征 的 新 一 代 分 析 设
4、计 方 法 E N 1 3 4 4 5 、 A S ME一 2 2 0 0 7 。这 两部新 规范 中所 提 出的全新理念和先进设计方法对我国修订现行 分析设计标准具有重大的参 考价值。近年来 , 这 两部规范得到了国内专家的高度关注 , 并对其方 法和原理进行了研究 , 同时也进行多方面 、 多角度 的解读 t 9 。E N 1 3 4 4 5和 A S M E 2不 断更 新 和修改的历程是对分析设计方法持续改进和完善 的过程 。 1 1 欧盟 E N 1 3 4 4 5的颁布 欧盟技术委员会 C E N T C 5 4于 2 0 0 2年颁 布 了第一版 欧盟统一标 准E N 1 3 4
5、 4 5 3 非接触 火焰压力容器 。该规范 中的分析设计直接法引 起了全球关注。为解决应力分类法在工程应用中 遇到的问题 , 分析设计直接法试 图通过 以下几个 方面来解决 : a 直接 针对 失效 模 式给 出校 核和 处理方 法 ; b 。允许使用非线性本构模型 ; c 对各种作用 ( A c t i o n ) 的组合应用 多安全 系数 ( Mu l t i p l e S a f e t y F a c t o r ) ; d 规定主要技术 目标并结合适用规则来满 足这些 目标。 1 2新 版 A S M E 一 2的修 订 早在 1 9 9 8年 , A S ME 标 准 委 员
6、会 为 保 证 A S ME规范在技术上的持久竞争力、 便 于在规范 中融人新技术 和便于规范 的发展 , 提 出了“ A S ME - 2现代化的口号” , 启动了重新编写 A S ME- 2 这一 项 目。 沈簋 , 男 , 1 9 8 0年 8月生 , 高级工程师 。上海市 , 2 0 1 2 0 3 。 5 6 2 化工机械 2 0 1 6钲 2 0 0 7年 , 新 版 A S ME 2颁布 , 在用户使用 和委员会修订的便利性方面有 了极大 的提高, 并 全面采用了近年来 的研究成果 , 如材料性能参数 计算的公式化 、 基于失效模式的设计方法 、 安全系 数 的降低 、 强度理论
7、的变化 、 材料要求及制造要求 的变化等。新版 A S ME 2吸纳 了世 界 的先进 标准, 并融人了许多新技术 , 从安全性和经济性的 最佳结合点人手 , 为压力容器设计和制造提供 了 更 为全 面的指 导 。 2 J B 4 7 3 2修 订探 讨 经过几十年的努力 , 中国的承压设备标准 已 经取得了极大的提高 , 初步建立了适合 中国国情 、 技术指标与国际接轨 的标 准体系 , 完成 了以 G B 1 5 0 2 01 1【 2 0 、J B 4 7 3 2 和 G B T 1 5 1 2 0 1 4 为 代表的固定式压力容器核心产品标准 。 从文献 2 5 2 8 可以看 出,
8、近年来 , G B 1 5 0 、 G B T 1 5 1等主要压力 容器规 范为保 持其先进性 都进行了修订 。但是 , J B 4 7 3 2自 1 9 9 5年颁布 以 来, 只于 2 0 0 5年进行 了一次确认 , 并 没有进行过 大幅修订。如今美欧都颁布了新一代分析设计规 范 , 我国的 J B 4 7 3 2也应该从设计理念 、 安全系数 及分析 方法等 方面着 手进行 修订 , 以此 来反 映 1 9 9 5年 J B 4 7 3 2首次颁布后 , 国内技 术的不 断进 步与更新 , 工程应用经验的不断积累与丰富, 并在 技术指标和内容上与国际接轨 ; 以提高我 国压力 容器设
9、计的国际竞争力。 J B 4 7 3 2的修订需要在 自主研发 和借鉴消化 美欧技术成果的基础上来实现我 国分析设计标准 的现代化 。笔者将对近年来分析设计方面一些公 认的可吸纳的先进技术进行简要介绍。 2 1 总体构架与国际接轨 2 1 1 规则设计与分析设计并列 新版 A S ME - 2中, 规则设计与分析设计并 列 , 是既相互独立又相互补充 的两部分。规则设 计能独立完成的设计 , 可以直接应用 , 不必再做分 析设计 ; 规则设计不能独立完成 的设计 ( 如疲劳 、 复杂几何形状 和载荷的情况) , 可 以用分析设计 来补充完成。 J B 4 7 3 2中以公式设计为基础 的“ 规
10、则设计” 放在正文 中, 而以有限元法为基础 的“ 分析设计” 是以附录形式 出现的。今后修订可将这两部分并 列列于正文。一方面, 结 构清晰, 与国际接轨 ; 另 一 方也突出了“ 规则设计 ” 和“ 分析设计” 同为设 计方法的地位同等性 , 既独立又互补。 2 1 2失效模式作为编制主线 新版 A S M E 2以失效模式为主线, 针对不 同的失效模式 , 规定了不 同的设计计算方法和相 应的设计准则。 新版 J B 4 7 3 2分析设计部分应该至少考虑失 效模式 , 并针对每一种失效模式 , 给出一种或几种 校核方法和步骤( 表 1 ) 。 表 1 新版 J B 4 7 3 2分析设
11、计部分需 考虑 的失效 模 式和校核 方 法 2 2安全系数 研究成果已经证实 , 安全系数的降低并不直 接影响设备的安全性。标准应该调研已有材料的 以往使用情况 , 参考国外 同类标准 , 结合以往使用 经验 , 考虑各种风险程度和相关因素 , 从而确定对 应的设计裕量 。 2 2 1 抗拉强度的安全系数 降低安全系数是 目前世界各国和地 区承压设 备标准的普遍倾 向, 美 国( A S ME) 和欧盟压力容 器标准均降低 了相应的安全系数 , 美 国 A S ME 1 2 0 0 7将 , b 由 4 0降为 3 5 , A S ME 2 2 0 0 7将 n 由 3 0降为 2 4 。
12、我国抗拉强度的安全系数按照 固容规 心 9 第 4 3卷第 5期 化工机械 5 6 3 调整为 2 4 。材料安全系数确定后 , 应根据计算 方法的精确度 、 材料性能的稳定性、 制造检验水平 及运行管理水平等来确定载荷系数。以便引入基 于可靠性 的载荷和抗力系数法 , 此方法与欧盟的 分安全系数理念是一致的。 2 2 2载荷系数 许用 应力 设计 ( A l l o w a b l e S t r e s s D e s i g n , A S D) 法是压力容器设计最为 常用的设计 方法 。A S ME 一 1和 A S ME- 2 2 0 0 4版及之 前 的版本 、 我 国 G B 1
13、 5 0 2 0 1 1 、 J B 4 7 3 2 - 1 9 9 5均采用许用应力设计 法。许用应力设计法 的主要设计理念是 : 给材料 强度取一个总安全系数 ( G l o b a l S a f e t y F a c t o r ) , 以 此为设计中的不确定因素提供必要的安全裕度。 各类结构设计除采用 A S D法之外 , 还可以采 用另一种方法载荷和阻力 系数设计法 ( L o a d a n d R e s i s t a n c e F a c t o r D e s i g n , L R F D) , 该法在钢结 构、 公路桥梁等领域 已广泛应用多年 弛 , 新版 A S
14、 M E 2将它收入 , 作 为压力容器 的一种设计 方法。该法的主要设计理念是 : 不同的载荷和阻 力( 强度) 采用不同的分安全 系数 ( P a r t i a l S a f e t y - F a c t o r ) , 详细可参 阅文献 3 3 。L R F D法 以可靠 度理论的设计理念为基础 , 可获得更为合理 的安 全裕度 , 是一种创新性的新方法 , 建议 J B 4 7 3 2修 订时引入这一先进设计方法。 2 3 非线性本构关系 过去设计中常用的几个主要材料性能为屈服 强度、 抗拉强度 、 弹性模量 、 外压 曲线及疲劳曲线 等。受限于计算 能力和复杂程度, 大多数设计
15、都 基于经验或以实验为基础的图表, 模型的本构关 系也局限于弹性分析。然而在计算机技术飞速发 展的今天 , 基于非线性本构关系的弹 一塑性垮塌 分析或弹 一塑性疲劳分析 已经比较容易实现。 引入弹 一塑性分析的前提是建立以真实应力 一 应变曲线为基础的材料性能库。这些工作耗时 耗力 , 一般通过以下 3个途径来实施 : 实验实测 、 借鉴国外材料标准和借助数字材料实验室计算。 A S ME提出了考虑材料塑性应变强化的本构 模型, J B 4 7 3 2修订时可以借鉴 , 其表达式如下 : t s y: 式中 在较小应变范围的真实应变 ; y 在较大应变范围的真实应变 ; 。 真实应变 ; o
16、r 真 实应 力 。 、y 分别有其对应的子公式。 利用该材料模型, 只要知道材料 的工程屈服 强度、 工程抗拉强度、 弹性模量和断后延伸率 , 就 可以利用上式转换获得材料的真实应力 一应变曲 线 , 不需要通过材料拉伸实验去获得。但是该本 构模型公式复杂 , 需要采用计算机编程来提高计 算效率。 2 4基于数值计算的先进设计方法 随着近年来计算机软、 硬件的高速发展 , 压力 容器行业普遍开始采用以有限元为代表的数值计 算进行分析设计。在大开孔接管、 球罐、 换热器、 塔器及加氢反应器等 的结构设计 中, 有限元数值 计算正在被设计人员广泛使 用。强 度分析 、 传热 分析及热固耦合分析等
17、这些基本的分析功能已经 日趋成熟。然而随着设备运行情况的复杂性和工 程设计 的需要 , 也会逐 渐融人更多数值分析 的高 级 功 能 。 如何紧随数值计算近年来 的技术进 步、 更好 地适应 以高性能计算机为主要工具的现代化设计 方法是 J B 4 7 3 2修订时需要考虑的问题。以下先 进 的方法 , 可在修订时进行完善或择优引入: a 完善极限分析方法 ; b 引入 基 于弹塑 性 的局部 应变评 定方 法 ; c 引入基于弹 一塑性有限元分析评定疲劳 寿命的新方法 ; d 引入基 于结 构应 力 的焊接 接头 评定 方 法 ; e 给出实 用的应用规则 , 来 指导设计满 足 规范 的技
18、 术指标 。 2 5引入 自主研发的先进设计方法 2 5 1 大开孔补强计算方法 薛明德等对带径 向接管的圆柱形压力容器提 出了一种以薄壳理论为基础的应力分析方法 。 该方法基 于精确 的圆柱壳 Mo r l e y方程解和两圆 柱壳交贯线处精确的边界条件 , 其适用范围扩大 至开 孔率 0 9 3 , 并 通过一 系列 密 网格 三 维有 限元 解验证 了解 的可靠性。该方法 已经被 G B 1 5 0 - 2 0 1 1 采纳 。 2 5 2 带外载的接管计算方法 薛明德等给出了圆柱壳开孔接管在内压与支 管载荷作用下 的理论解 , 并完成了可供工程设 计使用的指导性文件 C S C B P
19、 V- T D 0 0 1 2 0 1 3 。 5 6 4 化工机械 2 0 1 6焦 2 5 3改进后的管板的计算方法 J B 4 7 3 2附录 I中的管板应力计算方法 自颁 布 以来 , 在工程实践 中得到 了广泛应用并积累了 丰富的设计经验。近期 , 薛 明德等针对管板设计 中的应力计算与校核方法提出改进意见 均 , 主 要修订 内容包括 : a 带膨胀节的固定式换 热器管板计算方法 的 改进 ; b 管板中最大应力计算方法的改进 ; c 增加 了管程压力与壳程压力 同时作用的 两 种校 核工 况 。 这些技术进 步在 引入 G B T 1 5 1的 同时, 同 样可以引入到新版 J
20、B 4 7 3 2中。 3预研 究课 题 当今的美欧规范虽然先进 , 但仍有值得改进 之处 。我 国分析设计标准 , 在借鉴美欧技术的同 时 , 也需要针对实际国情 , 展开一些有益 的调查和 预研究 , 可从以下几个方向着手 , 以完善新版分析 设计标准的修订。 3 1 材料性能 的研究 为 了采用 弹 一塑性应力或疲劳分析等先进技 术和设计方法 , 材料性能数据 的采集 必不可少。 至少有以下工作需要完成 : a 需要基于 大量试件 , 采集 各种材 料在不 同温度下包括硬化效应的真实应力 一应变 曲线 , 并要建立相应的数学模型。 b 需要采集弹 一塑性疲劳所需的各种材料 的循环应力 一
21、应变 曲线 , 并要建立相应 的数学模 型 。 c L R F D法是基于可靠度的设计方法 , 强度 ( 即抗 力 ) ( S t r e n g t h V a r i a b l e s ) 变量 , 包括屈服极 限和强度极限, 都看作是随机变量 , 所以需要采集 国内各种材料性能的可靠性数据。 3 2疲劳校核新方法的研究 近十年来 , 国际上压力容器疲劳设 计方法取 得了巨大的变革性进展, 主要体现在如下几个方 面 : a 对焊接件和非焊接件的疲劳评定 区别对 待。这是合理也是必要的, 因为两者疲劳行为的 机 理不 同。 b 提出了网格不敏感 的疲劳评定方 法。这 为采用有限元分析进行疲
22、 劳分析铺平了道路 , 提 高了评定结果的一致性 。 c 疲劳评定可在设计 阶段按不同的失效概 率进行设计。 d 有限元分析软件及其后处理模块的飞速 发 展 。 新版 A S ME 2针对疲 劳失效提 出了 3种 方法 , 这 3种方法相互独立又相互补充 , 兼顾 了安 全性和经济性。文献 4 O一 4 2 分别介 绍 了这 3 种方法的原理和技术进展 。 3 3 屈曲分析及其安全系数 2 0 0 7版 A S ME 2中外压壳体设计公式适 用于 D。 t 2 0 0 0时 , 外压元件则按分析设计 进行设计。 针对 D o l t 1 0的厚壁壳体 , 旧版 A S M E- 2 采用 强度
23、 失效原理 进行设 计; 而 2 0 0 7版 A S ME - 2 则 以实际应力不超过许用压缩应力为准贝 0 , 不再 区分薄壁或厚壁壳体。 2 0 0 7版 A S ME- 2给 出了不同材料在不 同 温度条件下的本构关 系, 包括应力 一应变曲线方 程及其参数的表格 , 并在此基 础上给出了切向模 量的表达式。在非弹性失稳 区, 使用切 向模量对 各种载荷情况下的许用压缩应力进行计算。新版 的规范用数学公式直接计算方法替代了原来的图 算法 , 但仍然保留了利用第 卷 D篇第 3分篇的 外压曲线图计算切向模量的方法。 美欧新一代分析设计规范的特色之一是引入 了基于数值计算 的屈曲设计方法
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