壓力容器分析設計法運用

鄭偉 王宗宇（山東海成石化工程設計有限公司，山東 淄博 255400）

壓力容器分析設計法運用

鄭偉 王宗宇（山東海成石化工程設計有限公司，山東 淄博 255400）

安全、經濟、綠色環保已經成為未來壓力容器發展的重要方向。這就讓人們向著壓力容器向輕型化發展。從運用壓力容器分析法、提高材料強度、降低安全系數及優化壓力容器結構等方面實現壓力容器壁厚的減薄，這些中設計分析法起到了無法替代的作用。

壓力容器；安全；設計分析；優化結構

隨著當今社會壓力容器向著大型化以及應用領域的不斷拓寬，裝置向著大型化的發展趨勢。重型設備、大型儲罐等需求旺盛。這些導致設備厚度不斷增加，同時很多設備需要特種材料，導致設備制造成本不斷增加。為實現安全與經濟同等重要，分析設計法的運用顯得尤為重要。同時分析設計法的運用對于材料的安全系數的降低起到推動作用。這幾年來，壓力容器分析設計方法有了重大進展?，F在具體闡述一下在設計過程中分析設計法的價值。

1 優化局部應力

在設計壓力容器時，人們應用最多的是常規設計方法，此方法彈性失效準則是在設計過程中遵循的主要思想。雖然以行業標準規范為依據的設計方法在一定程度上可以保證產品的功能，但如果遇到局部受到較大應力的情況時，局部應力接近極限值，但容器的其它部位在受力上還有較大裕量。這種情況分析設計法能夠很好的應對。

基于彈性失效準則的常規設計在壓力容器設計中仍然有許多問題難以解決，由于壓力容器殼體上的應力分布不均勻，那么設計中以最大應力位置進入塑性作為失效的依據太過于保守，這造成材料的嚴重浪費；壓力容器的開口位置有應力集中問題；機械疲勞與交變載荷難以解決的問題。這些因素都影響壓力容器的安全性和綠色環保?；谒苄允蕜t的分析設計方法，即在壓力容器設計中應用有限元軟件ANSYS對壓力容器進行結構優化，可以降低結構不連續區的最大應力值，能夠更好的利用材料的承載性能，減薄壁厚，實現壓力容器的經濟性能，對于節能環保有著重要意義。

2 方法的選擇

彈性分析的應力分類法在壓力容器分析設計中的應用已十分普遍，但在一些情況下，不能準確地區分一次和二次應力的強度，如果按一次應力進行校核可能偏向于保守，按二次應力控制又偏向于冒進。實際使用中一次結構法使用起來比較復雜，因此我們需要尋找一種更加方便快捷的替代方法。如今隨著工程實踐和理論研究的進步，用以解決應力分類法不足之處的替代方法已逐漸成熟。遵循相關規范、ANSYS有限元軟件應用等方面討論了極限載荷法在壓力容器分析設計中應用的方法及注意事項，從而大大提高了分析設計法的使用價值。

3 非線性有限元法在分析設計中的應用

線性分析法在如今已經漸漸不能滿足設備多樣化的需求，非線性通常采用分段線性化的思想，在使用軟件設計時，可以將加載過程分解成若干個載荷。把每個載荷當作線性問題解決。然后吧結果累加從而得到非線性的結果。

4 疲勞設計校核

當前壓力容器承受循環載荷的情況日漸增多，產生疲勞失效事故的幾率在不斷增加。在常規設計中，壓力容器的受力是平穩的，沒有波動。然而疲勞設備的受力是間歇的，壓力、溫度都在不斷的變化。在此載荷的作用下受壓元件的焊接接頭周邊。、結構不連續位置以及接管開孔周圍等區域會產生很高的局部峰值應力。這些力很集中，甚至會達到總體薄膜應力的3-8倍，在此力的反復作用下，會導致容器最終反生疲勞斷裂。疲勞設計校核的方法是一種先進的壓力容器設計方法，它設計的基礎就是分析設計。它遵守的原理是根據所有的溫度、壓力以及變化的載荷進行計算，從而得到累加的循環疲勞度。這種方法在現在的石油化工等領域應用廣泛，并且越來越多的設備需要使用疲勞設計進行校核。

5 結構優化

應用結構優化進行壓力容器分析設計具有工作量小，設計周期短，設備整體結構更加合理、簡單以及高效。容器各部分結構尺寸通過結構優化的方法確定，更加有利于避免材料的浪費。如果我們能夠再深入一步，設計人員預先編制好壓力容器常用元件和局部結構的文件，和一個根據輸入的設計條件和選定的原件的局部結構，電腦軟件能夠自動調用相應的分析文件和結構優化方法，就可以對常規壓力容器進行應力分析計算，從而優化設計，為壓力容器的安全、綠色環保奠定堅實的基礎。壓力容器結構的優化離不開設計分析法的支持。

6 結語

壓力容器分析法的應用與進步是一項復雜而長久的工作，設計人員在理論計算、選材、結構設計等各項環節中應充分利用分析法的優點。在壓力容器設計中我們除了嚴格按照標準進行正確設計以外，還應多借鑒他人的設計經驗，促進壓力容器分析法的發展，我相信在不久的將來在壓力容器設計中，分析法會成為主流的設計方法，它將最終推動整個行業的進步，為壓力容器的大型化做出貢獻。

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術監察規程[S].北京：新華出版社，2009.

[2]JB4732-1995,鋼制壓力容器-------分析設計標準（2005年確認）[S].

[3]李建國.壓力容器設計的力學基礎及其標準應用[M].機械工業出版社，2004.

[4]陸萬明，壽比南.新一代的壓力容器分析設計規范-----ASMEⅧ-2-2007簡介[J].