钢制压力容器静强度可靠性设计研究

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【摘要】本文以钢制压力容器静强度可靠性理论概述的介绍开始，依次对钢制压力容器静强度可靠性设计的重要性和压力容器设计中容易忽视的问题做了进一步的分析，最后通过实际情况对钢制压力容器静强度可靠性设计进行了探讨。

【关键词】钢制压力容器，静强度，可靠性

中图分类号： S611 文献标识码： A

一、前言

随着钢制压力容器设计的不断完善，对钢制压力容器静强度可靠性设计的要求也越来越高，这就要求必须加强对强度可靠性设计的研讨，并努力提高设计水平，为钢制压力容器静强度可靠性设计提高有力的保障。

二、钢制压力容器静强度可靠性理论概述

为了确定钢制内压容器在真正投入使用和正常操作时能够具备安全性和可靠性，针对新制造出来或者维修后重新使用的钢制内压容器，一定要用高于设计压力的试验压力针对其开展压力试验，以检查和验证容器的强度、焊接致密性及密封严密性。全球有很多国家按照本国的钢制压力容器试验压力的实际发展情况，制定出设计、制造、检查及监察压力容器标准的相应规范，这些规范的主要内容之就是确定、规范试验压力方式和取值。

压力试验常用的试验方式有液压试验和气压试验，即由钢制压力容器设计的相关单位按照其工艺要求选用其中一种方式作为试验方法，以确定试验压力的数值标准或操作规范。实践证明，确定科学的试验压力的标准对于规范试验压力，减少压力容器发生事故的机率，确保操作人员的生命安全及财产安全有着重要和积极的作用。因为钢制压力容器试验压力的方式及数值的确定涉及到公共安全，所以一定要制定出确定试验压力的标准和规范，研究并明确试验的理论依据，准确设计并计算试验压力和的安全系数的关系。本文中针对钢制内压容器在压力试验时的可靠度理论进行分析和研究，试图建立其可靠性理论，获得钢制压力容器试验压力的方法。

三、钢制压力容器静强度可靠性设计的重要性

在压力容器检验中，人们常常会发现发生于母材的各种腐蚀缺陷，如点腐蚀、均匀腐蚀，出现筒体壁厚减薄现象，材料的强度具有离散性，即使同一种材料，在相同的热处理规范和试验条件下，其强度值也呈现不同程度的波动；零部件所受的应力也因其尺寸、形状的误差以及表面加工粗糙度的不同而呈现不同程度的波动；此外，所受的载荷，即使是静载荷也不是完全确定性的。所以，只有将这些设计参数看作服从某种分布的随机变量，建立统计数学模型，运用概率统计方法进行计算，才能全面地描述校核对象，所得结果才更符合实际情况。我们把这种运用概率统计方法进行的分析称为可靠性分析或失效分析。把这一分析方法引入到在用压力容器的强度校核中，对保证压力容器安全运行很有必要，将能显著地节约设备成本，为企业带来巨大的技术经济效益。

四、压力容器设计中容易忽视的问题

1、材料的问题

在压力容器的使用过程中，对压力容器的承受力有着严格的要求。压力容器的材料用钢需要根据设计的需求，对钢材的诸多的纹理性质进行有效的加工改造。在实际的设计中，为了让压力容器能够承受较高的压力，会相应的增加所用钢板的厚度，来提高其抗压能力。但在设计过程中，如果一味的追求压力容器的抗压能力，也是不对的。化工用钢材的选用除考虑设备的设计压力、设计温度、介质特性、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构外，还需要考虑其经济合理性，盲目的提高钢板厚度是错误的。

2、法兰问题

我国在法兰设计上制定了严格的标准规范，对各种法兰都有非常具体的严格要求。在进行压力容器设计时，由于设计者疏于对法兰的使用，不能严格的按照设计标准进行法兰的有效选择，从而导致法兰选择不合理，比如在使用过程中，法兰变形、泄漏等，严重影响了设备的使用寿命。而且从压力容器的受力情况来看，不同类型的法兰，其受力的侧重点是不一样的。因此，设计者应该准确的选择法兰的类型。在选择标准设备法兰时，首先应根据压力容器的介质特性、温度、压力来选取相应的法兰材料、压力等级及法兰型式等。材料的选取要在整个容器选材时统一考虑，尤其在进行压力等级选取时，一定要按照标准法兰的最高工作压力，注意相应的适用范围和附加要求。

3、分气缸的设计问题

在进行分气缸设计时，容易忽视分气缸的出气口和进气口之间的有效距离。在设计的过程中，应根据具体的工艺参数，确定两者之间的距离是十分重要的。另外合理控制好分气缸的开口和环焊缝之间的距离也是十分重要的。应避免在焊缝处开孔，并保证两者之间有一定的距离，以减小局部应力的影响，进而保障分气缸的正常工作。对于分气缸的支架铺设，不能随意确定支架的位置，要根据设计需求，合理设置，尽量加强支架的稳定性。

4、储气罐的设计问题

对于储气罐的设计，对其罐体的材质有着很高的要求，要选择合理的钢材来满足其抗压的需求。切忌过于追求压力容器的抗压能力，而忽视了材质的选择。同时，在设计的过程中，要充分的考虑储气罐的罐体长度和直径之间的关系，尽量把两者之间的比值控制在设计的要求范围之内，不能过于的追求罐体的直径。

五、钢制压力容器静强度可靠性设计

1、压力容器优化设计数学模型的建立

选取几何尺寸Ｒ和Ｈ作为设计变量，以压力容器的最大体积作为目标函数。结合压力容器结构特点，可得目标函数的表达式如下：Ｖｍａｘ＝４３πＲ３＋２πＲ２（Ｈ－Ｒ）该压力容器结构及载荷满足对称性要求，为提高后续有限元优化设计计算的效率，取压力容器的四分之一进行有限元优化设计。同时，利用ＡＮＳＹＳ软件进行有限元优化设计时，一般是求解目标函数的最小值，与上述目标函数求解压力容器的最大体积不相符，需要把求解目标函数的最大值转化为求解目标函数的最小值。

3、压力容器的造价问题

在压力容器的设计过程中，成本造价一直以来都是困扰设计者的主要问题之一，影响压力容器成本造价的主要因素是结构尺寸和材料。由于有些行业对容器的使用要求较高，如果选择价格较低的材料虽然可以降低成本，但却有可能无法满足客户的使用需求，这就给容器设计带来了很大难度。笔者认为解决这一问题可采取以下对策：其一，在满足压力容器使用的前提下，若选择不同的壳体尺寸，能够获得不同的设备质量，在不同的壳体尺寸选取一个最佳的组合，可以使容器质量达到最小，这样便可以降低成本造价；其二，当压力容器的设计温度低于-20℃时，且处于低温低压力工况的条件下，则无需按照低温压力容器的规定进行设计，这样就可以不必选择价格较高的低温用钢，设备造价自然会有所降低。

4、法兰设计问题

在压力容器中，法兰是比较重要的组成部分，对于压力容器法兰的标准也有着详细的规定。但在实际设计中，时常会遇到这样的问题，即设备压力和直径超出法兰的范围标准，这时就需要重新设计法兰的结构尺寸，并计算其应满足的强度要求，也就是我们通常所说的非标准法兰的设计。此时问题就出现了，通过软件计算后，虽然法兰的强度满足了设计要求，但在实际生产制造过程中及安装时，却发现法兰不合理，有的甚至无法满足正常使用要求。针对这一问题可采取以下对策加以解决：其一，应根据国家相关标准的规定进行非标准法兰尺寸的设计，在实际设计中，应确保扳手具备足够的操作空间；其二，由于高压力容器的螺栓一般比普通压力容器的螺栓要大很多，当其直径大于64mm时，应按照HG/T21573-95中的相关标准确定液压拉伸器的空间，以此来确保螺栓能够上紧；其三，设计时应充分考虑腐蚀裕量的计算；其四，因碳钢及合金钢等构件的许用应力较同种材料的板材低，所以设计时法兰小端的厚度应比连接位置的封头及筒体板材厚2-3mm。

5、压力容器设计中的腐蚀问题

在压力容器的设计过程中，腐蚀是一个较为复杂的问题，大多数压力容器的损坏都是由于介质腐蚀造成的，所以容器的防腐蚀措施已经成为其设计过程中，必须重视的问题。然而，有些设计者为了降低容器的制造成本，选择一些防腐蚀性能较差的材料进行设计，这就造成容器本身的防腐蚀性能较差，运行一段时间后，有些设备则在介质的腐蚀下出现问题，影响设备的正常使用。解决这一问题可采取以下对策：其一，在设计时应充分了解设备在生产操作方面的技术要求以及工艺条件，并以此为依据进行容器防腐蚀设计；其二，应避免采用容易引起应力腐蚀、电偶腐蚀、冲刷腐蚀等腐蚀破坏的结构；其三，设计时应尽量避免出现死角，以此来防止沉淀腐蚀的情况发生；其四，在容器底部位置应进行残留液体排除设计，防止液体残留造成容器腐蚀。

六、结束语

综上所述，加强对钢制压力容器静强度的剖析，能够对钢制压力容器静强度可靠性设计进行把握，进而能够提出一些设计方法，如此方可在实际的设计工作中对危险进行掌控，提高钢制压力容器静强度可靠性设计水平。

参考文献

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