压力容器分析设计准则及其与常规设计对比

以塑性失效、弹塑性失效准则为基础的分析设计，是工程与力学紧密结合的产物，它不仅解决了压力容器常规设计所不能解决的问题，也是容器设计观念与方法上的一个飞跃。

分析设计不同于常规设计，它需要以详尽的应力分析报告为设计依据，以严格的选材与工艺质量检验为保证。20世纪60年代以后，石油与石油化学工业、核能工业、冶金工业、机械工业等与压力容器有关行业的迅速发展，使得容器可选用材料的种类不断增加，品质也不断提高。高参数、新结构的不时出现，使得制造、检测技术也随之发展，吸收了大量的先进技术，这些都给分析设计的实施与发展创造了良好的条件。更重要的是计算技术的突飞猛进，有限元方法的出现、各种功能软件的推广使用，给压力容器应力分析计算提供了重要手段。所有这些都为分析设计发展奠定了基础，使压力容器进行分析设计成为可能。1965年美国ASME应用近代分析方法、计算与实验技术，根据核容器的工作条件、失效模式为核能工业制定出第一部分析设计规范，在压力容器领域引起了很大反响，也为压力容器分析设计树立了一个典范。此后、英、法、日等国也相继制订了类似的分析设计标准并在石化行业中加以使用。我国也在1995年制订出首部分析设计标准JB4732《钢制压力容器——分析设计标准》。这些标准除在设计准则上不同于常规设计的设计准则外，还比常规设计考虑了更多的容器失效模式。

压力容器存在的可能失效模式有：

①过量的弹性变形、包括弹性不稳定性；

②过量的塑性变形；

③塑性不稳定——渐增性垮塌；

④高应变——低循环疲劳；

⑤脆性断裂；

⑥蠕变；

⑦应力腐蚀；

⑧腐蚀疲劳。

目前，分析设计涉及到前4种失效模式。

常规设计所采用的设计准则主要是涉及防止压力容器产生过大弹性变形的弹性失效准则，不允许容器中出现塑性变形，最大应力点一旦达到屈服极限即认为容器失效。如承受内压的薄壁筒体，在远离封头并且没有开孔接管的区域，环向应力为均布的薄膜应力，如果环向应力达到屈服极限，则会使整个筒体出现整体屈服，这是很不安全的。因此，常规设计中把环向应力控制在许用应力以下，防止容器失效。除此之外，常规设计没有考虑其他可能的失效模式。实际表明，这不能满足容器具有多种失效模式需要在设计中予以考虑的要求。

分析设计涉及了各种可能失模式中一些主要的失效模式（如前述）。这里，先把比较陌生的“渐增性垮塌”举例说明一下：在筒体与封头的连接处，由于几何不连续，在连接处的筒体和封头局部地区将出现边缘应力。当连接处附近的总弹性应力达到材料屈服极限时会出现局部屈服现象，但不会导致整个筒体或封头因过量弹性变形而失效。只是在该处的总弹性名义应力达到并超过两倍屈服极限时，在加压、卸压过程中会使该处塑性变形积累，导致渐增性垮塌，如图10-1所示。分析设计根据所考虑的这几种失效模式比较详细地计算了容器及承压部件的各种应力，并根据各种应力本身的性质及对失效模式所引起的不同作用予以分类，再采用不同的应力强度条件给予限制，体现出“等安全裕度”原则。分析设计不采用弹性失效准则，而采用塑性失效与弹塑性失效准则，允许结构内出现可控制的局部塑性变形，允许对峰值应力部位进行有限寿命设计。分析设计不但有效地防止了相关的失效模式产生，而且还充分地发挥了材料的承载潜力。

与常规设计相比，分析设计更具科学性与安全性，由于对部件及所关心的部位进行了详细的应力计算，搞清了应力分布的情况，所以减少了盲目性。又因为对应力进行了分类并对不同种类的应力分别加以控制，摒弃了传统的同一许用应力的做法。这样就可以“对症下药”，该厚处加厚，该薄处减薄，不用盲目地一起加厚或减薄。三十多年来的实际运行表明：采用分析设计的容器安全可靠，并具有经济性。与常规设计相比，一般可节省材料20%～30%，减轻了容器质量，减少了制造加工量、降低了运输费用。例如：石化用的某热壁加氢反应器，用抗氢钢、设计压力P=9.27MPa，直径为3400mm，长为12985mm，设计温度为425°C，如果用常规设计计算，壁厚为120mm，而用分析设计所需壁厚为106mm。对于核容器，若是沸水堆容器，在相同的工况下，对6650mm、长为20150mm 的容器操作压力为7MPa，用常规设计标准计算出的壁厚为220mm，而用分析设计标准求出的壁厚为160mm，质量从1040t降到750t。对于压水堆容器，在相同的工况下，对4830mm、长为11825mm、操作压力为15.5MPa的容器，用常规设计得到的壁厚为330mm，用分析设计算出的壁厚为240mm，质量从520t降至450t。从以上的例子我们可以看到采用分析设计的优越性。但事物总具有两重性，分析设计也如此。它的计算费用相对常规设计要高，材料要求也严格，如：必须是压力容器用钢，要具有合格的力学性能以及较低的硫、磷等杂质的含量，不允许用沸腾钢和非压力容器用钢制作壳体、封头等受压元件等。对制造及检验要求也相对严格。因此，选择哪一种设计方法，用户及设计者要全面综合考虑。在美国一般是按两种标准的设计计算、选材、制造与检测、运输等进行经济核算，哪一种省钱就采用哪种方法，除非有些容器必须采用分析设计而无其他选择。常规设计与分析设计的对比列于表10-1。

来源：《压力容器设计的力学基础及其标准应用》李建国编著