对压力容器的机械强度可靠性设计的简单探讨

对压力容器的机械强度可靠性设计的简单探讨

王帅

（哈尔滨电气股份有限公司河北秦皇岛066206）

摘要：压力容器的常规设计过程中安全系数选取随意性较大，可靠性设计方法认为其部件上的应力、强度都是随机变量或者直接为零，其主要的特点就是离散，求解的方式是函数描述和概率统计等进行求解。可靠性设计的目的是要求压力容器的强度达到预期的可靠性水平，机械载荷、强度、经济等因素选择恰当的因素进行全面的考量。压力容器机械强度的可靠性设计是常规设计的一种深化处理，压力容器的机械性强度一定要将容器的所有构件的设计计算结果充分进行使用。

关键词：压力容器；机械强度；可靠性设计

1可靠性研究的实际意义

无论是日常用品还是电子产品，可靠性的研究对于其使用来说都十分重要，尤其是一些比较重要的产品，例如航空零件、武器装备、电子产品等，其可靠性与一个国家的实力水平密切相关。随着生活质量和经济水平的发展，顾客对于压力容器的可靠性开始提出了更加严格的要求，并且，随着科学技术的发展，压力容器的可靠性也有了很大的提升，由于产品的可靠性在个人生活和国家实力的体现上都着及其重要的作用，因此，产品可靠性的研究便有着其无可替代的特殊意义。

2压力容器的机械强度可靠性设计的基本方法

2.1极限状态方程

压力容器处于长期连续运行时，其壁厚会发生一系列变化，容器的筒体也会在应力的作用下发生变化，为了克服以上的问题，就需要在容器设计中系统性地分析腐蚀速率对容器的影响，按照有关的资料可以对压力容器处于工作状态时的壁厚进行计算：

t=t0－v•NF（mm）（1）

公式（1）中，筒体的原始壁厚为t0，单位mm；v表示腐蚀速率，单位以mm/年，NF为筒体的计划使用寿命，单位是年。

压力容器的筒体在内部压力的作用下，通常出现变形的方式有两种，其一是容器筒体的屈服失效，其二是容器筒体的断裂失效。在进行容器设计时，按照有关的设计标准来优化各个环节的步骤，因此一般情况下只对一种失效形式进行研究讨论。压力容器筒体工作状态的有效应力计算：

（2）

由公式（2）可知，Pi表示容器内部压力，Di表示容器筒体的内径，NF表示筒体设计时规定的使用年限，v表示腐蚀速率，当压力容器处于工作状态时筒体的壁厚是（t0），它的真实壁厚为（t），两者之间可以进行互换。一般情况下可以由上面的结论写出具体的容器筒体极限状态方程，如公式（3）所示：

Z=σs－σ0（3）

由公式（3）可知，Z代表压力容器的失效概率，一般压力容器的失效概率合理区间：Z＞0；σ0表示压力容器筒体工作状态的有效应力；σs表示筒体材料的屈服程度。

2.2失效可能性

化工压力容器的运行中，设计对象面临着失效可能性的干扰。容器处在复杂的运行环境，介质、载荷等因素，都有可能引起失效的问题，造成失效的因素，总称为应力，所以在化工压力容器可靠性设计中，深入研究应力对失效可能性的影响，促使容器具备一定的强度抗力，保持强度抗力大于应力的状态，保障设计对象的可靠性。可靠性设计中，解决失效可能性，并不能单纯的考虑一项因素，而是要采取综合考虑的方法，从化工压力容器的研究到实践，均要注重可靠性的设计，消除失效可能性的影响。

2.3机械强度

压力容器中，与机械强度存在关系的设计项目，体现在三个方面，分析具体的实践设计，如：①化工压力容器其在运行的过程中，存在极限情况，尤其是筒体的极限状态，受力情况下，机械强度会发生改变，如果设计不可靠，就会发生断裂，设计人员要最大程度的提高容器的抗压值；②压力容器材料防腐蚀设计便于提高机械强度，筒体材料，需具体一定的防腐能力，即使压力容器运行时间较长，也要保持较高的机械强度，增强筒体的抗腐蚀性能；③受压材料的选择，按照可靠性设计的要求，化工压力容器的受压材料，既要达到国家的标准，又要具备相关的特性，如防腐、耐压等。

3实例分析

某压力容器的筒体内径为（1000±4）mm，设计时的内部压强值为（9.8±0.51）MPa，设计的温度为常温，筒体的材料是为Q345R，该种材料的屈服强度极限用σ表示，屈服强度值为345MPa，钢板尺寸变异系数（CA），其值为0.03～0.05，材料屈服强度的变异系数值为0.07；焊缝系数用φ表示，其值为恒定的0.9，然后采用可靠性分析压力容器的壁厚。

常规设计：采用的简单的公式计算得出压力容器的壁厚为34mm，其中腐蚀裕量厚度为2mm。

可靠性设计：在使用可靠性设计方式对压力容器进行设计时，一般会采用面响应法以及蒙特卡洛法进行设计，随着计算机技术的迅速发展，现如今蒙特卡洛特模拟设计法逐渐成为可靠度分析过程中，结果正确性验证最主要的手段之一。在使用该种分析方法时，只要保证建立的模型足够准确，那么想要获得更高的精度，只需提升模拟的次数即可，我们通过对上述方程的模拟，并将压力容器筒体的失效概率结果计算出来，即失效概率为10-5。

腐蚀裕量的可靠性设计：腐蚀裕量的变异系数经计算得出为Cx=0.38，腐蚀速率（v）按照“HG/T20580-2011”中的标准选取为0.2mm/年，设计的年限不同相应的腐蚀裕量值会出现浮动的情况。在使用蒙特卡洛模拟分析法的模拟次数为1000次，代入初始壁厚分别进行计算，通过计算得到压力容器筒壁的壁厚为23mm，使用10年之后其可靠度甚至能够达到0.95。当把使用年限调整到15年时，其腐蚀裕量则按照公式②的计算方式进行计算，腐蚀裕量的具体数值为5.1mm。同样使用蒙特卡洛进行模拟，模拟的次数为10000次，代入初始壁厚进行计算，压力容器的最终厚度便会被计算出来，最终壁厚为24mm，在使用15年之后容器的可靠度仍然达到了0.95。根据以上的算例可以了解到，在进行对压力容器的可靠性分析时，压力容器的壁厚会根据时间的变化而受到影响，必须确保在使用年限内其可靠度达到0.95以上。

当运行年限为15年时，其可靠度变化情况压力容器的机械强度设计过程中，年限不同其腐蚀裕量的取值也会出现区别。

结束语

压力容器一般设计中存在着安全系数有很大主观随意性的问题，可靠性设计方法主要体现在零、部件上的应力和零、部件的强度都不是恒定的，而是随机变动的，具有很强的离散性质。进行可靠的目的是要达到很好的可靠水平。

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