可靠性方法在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

【摘 要】在科技水平逐漸提高的形勢(shì)下，有關(guān)壓力容器的研究也在不斷地深入，然而在多種復(fù)雜因素的作用下，壓力容器的幾何參數(shù)、應(yīng)力、強(qiáng)度等都受到了一定的影響，不利于設(shè)備可靠性的提高，也產(chǎn)生了較大的安全隱患，對(duì)人身安全、生產(chǎn)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。本文將簡(jiǎn)要地提出可靠性以及壓力容器設(shè)計(jì)的概念，并從一定的角度對(duì)壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)理論進(jìn)行深入的探究，希望切實(shí)提高壓力容器的可靠性，保障系統(tǒng)以及設(shè)備安全地運(yùn)行，節(jié)約材料成本，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康穩(wěn)定發(fā)展，同時(shí)也為在壓力容器中應(yīng)用可靠性方法的相關(guān)研究提供一定意義上的理論參考。

【關(guān)鍵詞】可靠性；壓力容器；應(yīng)力；強(qiáng)度；安全系數(shù)

近年來(lái)，我國(guó)壓力容器的設(shè)計(jì)及制造的標(biāo)準(zhǔn)逐漸地嚴(yán)格，參數(shù)的確定性不斷地提高，安全系數(shù)受到了更加廣泛的關(guān)注。然而，雖然常規(guī)的設(shè)計(jì)方法安全性較高，也具有操作較為簡(jiǎn)單的特征，然而由于對(duì)影響壓力容器可靠性的相關(guān)因素還缺乏充分考慮，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，極易造成較大的誤差，導(dǎo)致安全性大大降低，同時(shí)安全系數(shù)傳統(tǒng)保守，不僅會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)材料，更不利于壓力容器安全性以及可靠性的提高，除此以外，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法對(duì)容器的結(jié)構(gòu)形式做出了明確的規(guī)定，導(dǎo)致其他容器的載荷形式以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有得到全面的考慮，針對(duì)性較強(qiáng)而普適性較差。因此，在壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)用可靠性方法已刻不容緩。

1.可靠性的定義

一個(gè)產(chǎn)品要具有可靠性，也就是說(shuō)，在產(chǎn)品的使用過(guò)程中，在相關(guān)條件、時(shí)間以及環(huán)境的允許下，能夠滿足使用者的需求，其功能被最大化地發(fā)揮，并且不會(huì)產(chǎn)生故障。由此可知，產(chǎn)品可靠性與諸多條件息息相關(guān)，例如溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等，并且也與使用者對(duì)產(chǎn)品的功能需求、使用期限等密不可分。所以，可靠性的概念可以概括為：產(chǎn)品在一定期限和條件下滿足人們對(duì)規(guī)定功能的需求的能力。產(chǎn)品即用來(lái)試驗(yàn)或者研究的系統(tǒng)、設(shè)備，既可以是樣品也可以是總樣；條件包含使用、貯存、維護(hù)以及環(huán)境等條件，也有對(duì)使用者的操作技術(shù)的要求；時(shí)間主要為廣義時(shí)間，不僅可以為運(yùn)行時(shí)間，也可以指里程數(shù)以及循環(huán)零件的循環(huán)或者旋轉(zhuǎn)次數(shù)；功能即產(chǎn)品所擁有的技術(shù)指標(biāo)。

2.壓力容器設(shè)計(jì)概述

壓力容器設(shè)計(jì)對(duì)壓力容器的運(yùn)行狀況具有深刻的影響，間接的作用于人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)研究應(yīng)該更加關(guān)注、重視并且投入更多的精力。隨著歷史的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，壓力容器產(chǎn)生了新的發(fā)展趨勢(shì)，呈現(xiàn)出以下特征：體型逐漸地大型化，其參數(shù)有了很大的提高，在材料的選用方面強(qiáng)度更加大。多種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也逐漸地取代了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，對(duì)彈性失效的考慮更加充分和全面。

對(duì)于壓力容器的生產(chǎn)而言，設(shè)計(jì)不僅是首要也是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)品質(zhì)的高低對(duì)容器質(zhì)量的好壞有著很大的影響。在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，要以工藝設(shè)計(jì)條件為基礎(chǔ)，并且嚴(yán)格貫徹落實(shí)相關(guān)的規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化設(shè)計(jì)流程，同時(shí)要重視安全，選用材料時(shí)要科學(xué)合理以及經(jīng)濟(jì)，對(duì)多種因素進(jìn)行綜合性的分析，另外，要全面考慮容器的密封、強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

壓力容器設(shè)計(jì)要兼顧經(jīng)濟(jì)性以及安全性，要將這兩種要求進(jìn)行綜合來(lái)考慮。設(shè)計(jì)要將安全作為前提，要以經(jīng)濟(jì)作為基本目標(biāo)，在安全得以保障后再對(duì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行考慮。可以從節(jié)約材料成本，在制造以及安裝維修的過(guò)程中節(jié)約不必要的資金消耗來(lái)著手，提高設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)前可選用較多的方法來(lái)設(shè)計(jì)化工壓力容器。可靠性設(shè)計(jì)法、分析設(shè)計(jì)法以及常規(guī)設(shè)計(jì)法是目前比較普遍和廣泛應(yīng)用的，另外，還有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法以及優(yōu)化設(shè)計(jì)法等方法。

3.壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)理論

在可靠度下，在危險(xiǎn)斷面上，確保最大的應(yīng)力不超過(guò)最小的強(qiáng)度，是設(shè)計(jì)壓力容器所要達(dá)到的基本目標(biāo)。若沒(méi)有達(dá)到可靠度相關(guān)要求，容器將會(huì)在很大程度上失去其本身的效用，就無(wú)法滿足人們對(duì)容器的基本需求。強(qiáng)度以及應(yīng)力具有不確定性，是一種具有分布規(guī)律的隨機(jī)變量。通過(guò)強(qiáng)度以及應(yīng)力的模型和分布狀態(tài)的分析，可以進(jìn)行壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)模型理論以及給定的具有正態(tài)分布規(guī)律的壓力容器的應(yīng)力以及強(qiáng)度的分析，我們能夠求出壓力容器的可靠度，公式中的可靠度系數(shù)對(duì)應(yīng)著可靠度。可靠度系數(shù)受應(yīng)力均值、強(qiáng)度均值、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差、應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差、強(qiáng)度變異系數(shù)以及應(yīng)力變異系數(shù)的影響，一旦其中的某一因素發(fā)生變化可靠度系數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生改變，這里就不對(duì)可靠度系數(shù)以及其影響因素進(jìn)行過(guò)多的分析。

可以通過(guò)隨機(jī)安全系數(shù)以及概率安全系數(shù)等方法來(lái)計(jì)算可靠性安全系數(shù)。在壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，均值安全系數(shù)可以由強(qiáng)度均值比實(shí)際應(yīng)力均值來(lái)得到，將均值安全系數(shù)代入到可靠度系數(shù)公式當(dāng)中可以得知，應(yīng)力以及強(qiáng)度的變異系數(shù)和可靠度都能對(duì)安全系數(shù)造成影響。所以要得出安全系數(shù)，就要先求得應(yīng)力以及強(qiáng)度的變異系數(shù)。因?yàn)橐话闱闆r下，都會(huì)給出強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差和均值，所以要求出應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差及均值。對(duì)此，可以先利用應(yīng)力計(jì)算公式求出壓力容器的筒體最大應(yīng)力。然后在基本函數(shù)法的運(yùn)用下，求出應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差及均值。

4.總結(jié)

總而言之，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法由于主觀隨意性較強(qiáng)，安全系數(shù)的可信度較低。在壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)用可靠性設(shè)計(jì)，不僅可以克服常規(guī)設(shè)計(jì)方法的弊端，還能提高容器的可靠性，保障容器的經(jīng)濟(jì)性以及安全性，因此需要大力地普及。然而在目前，在壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)中，我國(guó)積累的所需的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相關(guān)資料還不豐富和完備，因此需要投入更大的力度進(jìn)行系統(tǒng)的管理和充實(shí)，同時(shí)在壓力容器的設(shè)計(jì)中也要不斷的積累經(jīng)驗(yàn)和方法，對(duì)可靠性方法進(jìn)行更加深入的研究和完善。 [科]

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