压力容器形状偏差对安全性能的影响

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【摘要】目前压力容器广泛应用在我国工业和制造业的方面，随着技术的不断发展，对其安全性能的要求也日益严格。本文从压力容器安全性能监督检查的方面入手，探求如何通过对压力容器形状设计偏差的设定，壳体尺寸的优化，公差问题的分析等方面，提高压力容器的安全性能。

【关键词】压力容器，形状偏差，安全性能，影响

中图分类号：P624.8 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

随着我国改革开放以后经济社会的不断发展，我国的工业生产技术有了巨大的提升。其中在工业生产中常见的压力容器，也从最初的来自国外进口，到现在的国产，体现了我国工业技术的不断进步。压力容器应用的普遍性，一方面要求能够量产，同时其自身较高的技术要求，也使得在进行生产时技术非常成熟。特别是在其安全性能方面，更是重中之重。本文选取了压力容器中常见的形状偏差问题作为切入点，研究其对压力容器安全性能的影响。

二、压力容器构成和尺寸设计

1.压力容器的构成

压力容器主要由筒体和封头两大部件组成，设计者需根据容器的具体结构特征，依据相应的国家标准，对筒体和封头的形状公差做出规定。在容器的加工制造过程中，由于各种原因仍会出现形状超差的情况，这其中既包括筒体或封头偏离标准形状过大，也包括容器的局部出现过大的形状偏差。当出现这种情况时，容器的设计者应能确切地掌握这些形状偏差究竟会对容器的安全性能产生多大的影响，并判断这些形状偏差是否可以接受。一般情况下压力容器的筒体和封头都具有轴对称的几何形状。

2．压力容器常规设计标准

GB150《钢制压力容器》是压力容器行业标准体系中的核心标准, 本标准规定了钢制压力容器的设计、制造、检验和验收要求。设计时考虑的厚度包括计算厚度和厚度附加量 其中计算厚度为按照有关公式采用计算压力得到的厚度 厚度附加量由钢材的厚度负偏差 和腐蚀裕量 组成， 应按相应钢材标准的规定选取，腐蚀裕量一般可以根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定随着原材料制造技术 过程装备制造水平及过程装备使用过程控制手段的提高，材料的力学性能参数 壳体的几何参数为随机变量的压力容器的可靠性设计越来越受到人们的重视 从目前公开发表的来看，对内压圆筒体的可靠性设计大都以弹性失效的中径公式作为极限状态函数来研究，强度极限大都以屈服极限作为参考 ，据此求得在某一确定失效概率下筒体的计算壁厚 然而对于筒体的确定失效概率如何选取，以及在可靠性设计基础上腐蚀量如何取值的问题则很少有文献探讨 文献 对压力容器和管道的腐蚀深度进行可靠性计算以预测寿命，但其评价标准为以厚度为基准进行可靠性计算，而不是以应力失效为评判标准。

3．整体形状偏差对筒体的影响

在理想状态下，筒体的横截面为一个标准的圆环。设筒体壁厚为t，内半径为R，则在内压p的作用下，筒体壁内沿环向的一次薄膜应力为：

当出现整体形状偏差时，筒体的横截面将变成一个椭圆环，筒体壁内的应力分布将改变，叠加在之上的一次弯曲应力也将随形状偏差的增大而增大，且在椭圆的长轴处达到最大。

如图1所示，考虑到结构的对称性，取1/4的椭圆环进行平面应变问题的有限元应力计算。为了获得普遍性的结果，这里设椭圆内环的半长轴为R1，半短轴为R2，建立以下三个无量纲参数：

其中，反映了筒体弯曲应力的大小，反映了筒体整体形状偏差的大小，e反映了筒体壁厚的大小。

加内压后，椭圆形的筒体将会随着内压的升高而逐渐被撑成圆形。由于筒体的刚度较弱，变形较大，筒体形状变化较为明显。此时，变形对载荷和刚度的影响已不再是可忽略的小量了，因此在进行有限元计算时必须考虑几何非线性的影响，并进行逐步加载。

由于在几何非线性条件下弯曲应力不再与内压呈线性关系，因此将会与内压p的大小有关。这里以一次薄膜应力作为反映内压p的大小的参数，据此可将计算结果整理成和随内压变化的曲线图（图2）。每张图有3组形状偏差，每组曲线又有5种壁厚。

由图2可以得出以下几点结论：

（1）几何非线性对计算结果的影响是十分显著的，并且筒壁越薄，影响越大。这体现在图2中随着e的增加，代表不同的的各条曲线的斜率差别越明显。

（2）形状偏差可导致弯曲应力的显著增加。这体现在图2中与呈正比关系。

（3）对于同样的壁厚，薄膜应力越小，形状偏差所导致的弯曲应力的增加越显著。这体现在图2中对于一组曲线， 越小，直线斜率越大。

（4）对于同样的形状偏差，筒壁越薄，所导致的弯曲应力的增加越显著。这体现在图2中对于各组曲线，当值相同时，e值越大，对应的值越大。

对于薄壁容器，在弹性范围内，可根据图来计算筒体形状偏差所导致的一次应力的变化情况。

三、提高压力容器安全性能的途径

在设计容器时, 首先接触到的问题是容器的基本尺寸—容器的直径和高度(或长度). 这个尺寸如果设计合理, 可使容器的材料消耗最少, 制造成本最低，同时安全性能较高。我们知道每个容器都是按照一定的容积设计的. 在容积一定的条件下容器的直径和高度(或长度)可以按照各种尺寸组合, 但在各种组合中总有一组尺寸使材料最省或投资费用最低. 为了求得这样一组尺寸, 我们可用优化设计的方法.

1. 极限状态方程

随着压力容器运行时壁厚的变化，筒体的应力也在不断变化，所以设计时需要考虑腐蚀速率的影响 在已有研究基础上 ，可以得到运行时薄壁压力容器的实际壁厚：

式中：— 筒体最初壁厚，mm ；—腐蚀速率，mm/年；—筒体设计寿命，年。

压力容器筒体承受内压时，主要有两种失效形式，一为容器筒体发生屈服失效，二为断裂失效 根据标准以及简化方便，在设计时主要考虑第一种失效形式 根据相关标准 ，可以得到压力容器筒体运行时的有效应力为：

式中：筒体内径；内压力，在压力容器运行时，筒体的壁厚由筒体的实际壁厚t代替。

根据以上结论，可以得到此时压力容器筒体的极限状态方程为：

式中：筒体材料的屈服强度 容器的失效概率即为上式中的概率 由上述三式可以看出，进行压力容器筒体设计时，极限状态方程为下列随机变量的函数：

2.初始壁厚

在已有研究成果 的基础上，可以得到以下结论：介质及环境对压力容器与压力管道的最大腐蚀深度符合型极大值分布采用耐腐蚀可靠性理论，对腐蚀裕量进行可靠性计算 根据相关文献 ，腐蚀裕量的可靠度为最大腐蚀深度不超过腐蚀裕量的概率。

如果要求的可靠度为则腐蚀裕量：

式中：尺度参数；位置参数。

根据文献可以取腐蚀裕量的可靠度为为95%，据此求得腐蚀裕量数值。

3.可靠性指标

可靠度安全指标被用来衡量结构的可靠程度，1988年Bush根据美国、英国和德国的统计数据，得到德国的压力容器失效概率低于。根据美国的725000台压力容器得到压力容器的失效概率为。因此，目前广泛应用的失效概率为是可接受的

四、结束语

压力容器的形状偏差对其安全性能具有较大的影响，本文从压力容器的直径尺寸、壁厚、腐蚀速率等方面考虑，如何通过技术手段减少压力容器的安全隐患。但同时我们还应考虑到压力容器的安全性能监督检验问题。包括在压力容器的设计、制造规范标准方面，由于各国的标准不一致，因此在面对不同类型的压力容器，特别是来自不同国家的压力容器时，要依据其性能要求和各国实际情况完成结构外观质量及几何尺寸检查、壁厚测量、无损检测等安全性方面的标量。但可以肯定的是，无论是哪个国家、哪种用途的压力容器，研究其形状偏差影响的最终目的都是为了不断地提高压力容器的安全性能。

参考文献：

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[2] 刘有艳 压力容器筒体可靠性设计研究机械设计与制造-2011年12期

[3] 曹桂新压力容器壳体尺寸优化的研究湛江师范学院学报( 自然科学版)-1999年12月份

[4] 曹利刚 探讨进口锅炉压力容器安全性能监督检验中遇到的问题科技风-2012年02期

[5] 张健 对压力容器壳体直径公差问题的分析化工施工技术-2000年3期