对压力容器的机械强度可靠性设计的探讨

对压力容器的机械强度可靠性设计的探讨

戴家宏

（宁波乐惠国际工程装备股份有限公司浙江宁波315700）

摘要：对压力容器进行设计时，它的外形尺寸及强度都是根据需求来设计，也就说这些数值都是非恒定值，因此对压力容器进行设计时要对每个变量的参数进行研究分析再确定。压力容器的可靠性是经过系统性的测试得来的，通常情况压力容器的生产可以划分为4个环节，其中包括容器的设计、容器的制造、容器市场应用及容器售后维护。一个产品的设计直接影响其可靠性，如果把压力容器机械强度的变量稳定在一个合理的范围之内，随后再建立压力模型就能直接计算出压力容器的可靠性。

关键词：压力容器；机械强度；可靠性；设计

引言

在压力容器的设计过程中，几何尺寸和强度都是随机变量，相应的其承载的负荷也非恒定值，所以在可靠性设计时需要对各个变量的不确定性进行充分的考虑，压力容器的可靠性是一个综合性的过程，一般可以分为4个阶段即设计、制造、应用和维护。产品的设计水平决定着其固有可靠度，若将压力容器的机械强度变量都限制在一个正常且安全的状态下，在建立强度应力模型之后便能够计算出其可靠性。

1理论方法

1.1可靠性设计的理论基础

按照国家目前的标准，压力容器的大小设计应该充分考虑其筒体的计算厚度和实际厚度的附加值两大重要数据。实际厚度的附加值主要是指材料的实际厚度误差以及筒体的腐蚀裕量，其中，材料实际厚度的误差主要是以材料标准中规定的误差范围来进行统一计算的，而筒体的腐蚀裕量主要是指压力容器所盛放的物体对于其材料腐蚀速率的影响以及预期使用寿命的平均值计算等。通过多次的实践研究发现，在我国绝大部分压力容器的机械强度可靠性设计过程中，筒体材料使用寿命的计算中，弹性失效的中径公式的使用都假设为在极限情况下，接着便计算该极限情况下压力容器筒体的预期使用寿命，在其计算中并未考虑到压力容器筒体的腐蚀裕量，因此，在我国很多相关性的学术研究中压力容器筒体使用寿命的计算往往只根据压力容器以及其机械强度的可靠性。

1.2可靠性设计的步骤

在一般情况下，压力容器的机械强度的可靠性设计主要划分成为六大主要步骤，第一步，计算压力容器的强度系数以及其可靠度；第二步，按照计算公式得出压力容器的故障概率F=I=R；第三步，利用前一个步骤得出的故障概率计算压力容器的可靠度；第四，计算生产材料的所能承受负载的强度；第五，利用之前计算的可靠度并通过公式得出压力容器的应力均值；最后，利用各项计算结果和测量数据确定压力容器的预算厚度。

2压力容器可靠性设计中的注意事项

在化工压力容器可靠性设计中，提出以下几点注意事项，如：①注意设计技术、规范的合理应用，加强容器设计的标准化，避免设计过程中出现误差，防止容器使用中潜在侵权隐患；②注意容器设计的压力与温度，采用焊接的方式，规范的处理材料的连接为主，根据使用材料的等级，设计焊接过程；③控制好压力容器壳体的厚度，强化基础性设计，防止外界设施对压力容器自身造成冲击干扰，既保持压力容器的可靠性，又能完善化工压力容器的使用环境，并能加强可靠性及安全性的控制力度。

3可靠性的简述

3.1可靠性的定义

压力容器的可靠性主要是指在特定情况下，其使用功能不仅能够满足消费顾客的使用要求，并且在压力容器的使用过程中不出现任何故障的性质。与压力容器的机械强度可靠性密切相关的因素主要有温度、使用环境、应力以及消费者的使用要求等。压力容器的机械强度可靠性与压力容器的使用时间息息相关，随着使用时间的增长，压力容器的可靠性也在不停地随之降低，因此，可靠性的存在使人们对于压力容器有了使用寿命的概念。

3.2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。

3.3可靠性的指标

（1）可靠度（R）

所谓可靠度是产品在规定条件下、规定时间内完成功能的概率，一般用R表示。可靠度影响的因素主要有5各方面，分别是对象、使用条件、功能、使用时间、概率值等。准确的来说可靠度是一个时间函数，其具体的数值在0～1之间，具体的计算公式详见①所示：R=R（t）

3.2维修度

维修度是指产品在发生故障之后在规定的条件下实施维修然后在规定的条件下完成维修的概率，根据其定义可以看出，维修度表示的是产品维修操作难易程度，其与维修的时间成正相关关系，经维修之后能够让产品的功能恢复到以往的状态。在衡量压力容器的可靠度和安全性能时使用β进行表示，在上个世纪的80年代研究者们分别对美国、德国和英国的压力容器的可靠度统计数据进行分析，结果推算出美国的设计生产的压力容器的失效概率为0.63×10-5，德国的压力容器其失效概率为10-5，目前对于压力容器失效概率都以德国的统计结果为标准。

4压力容器的机械强度可靠性设计的基本方法

4.1压力容器筒体厚度的计算

在20世纪中叶，科研工作者对路合金强度进行有效计算时，发现了实际条件下材料的腐蚀深度分布形式。随着科学技术的发展与进步，压力容器的研究领域也得到了一定的扩展，随之有关材料腐蚀的研究成果也越来越多。所以，可以进一步计算出压力容器筒体的腐蚀裕量，同时还可以系统性地计算出容器筒体的原始厚度。按照蒙特卡罗的研究方法可以得知，如果一个压力容器筒体厚度是22mm，那么在它使用10年之后。压力容器的可靠性是0．9的五次方。所以说在多次试验之后可知，压力容器筒体的厚度将会与其使用年限有一定的关系。在压力容器的使用过程中，其可靠性务必要高于0．9的五次方才可以。

4.2重视极限情况的存在

压力容器在使用的过程中，其筒体的厚度会产生比较大的变化，与此同时，筒体在应力的作用下，也在随之发生变化，因此，在压力容器的机械强度可靠性设计过程中，需要充分考虑筒体所盛放的介质对于筒体腐蚀速率的作用，相关科研人员需要利用公式计算压力容器在使用过程中筒体的实际厚度，与此同时，压力容器的筒体在受到应力的情况下，可靠性受到破坏的情况有两种，一种是压力容器的筒体发生了屈服失效的情况，第二种情况是压力容器的筒体产生了断裂。因此，科研人员需要分析压力容器在极限情况下发生的失效，在最大程度提升压力容器的抗压值，提高其可靠性。

4.3受压材料的科学利用

选用不同的受压材料将会直接影响压力容器的机械强度，因此对于受压材料的选择至关重要。在选择受压材料时，要按照设计压力、外界环境和介质腐蚀性的实际参数来确定。除此之外介质的选择也很重要，介质易燃、易爆就会影响受压材料，所以说在压力容器中所使用的材料务必要满足工作需求及国家制定的行业标准。基于此，科学的设计结构也将会影响压力容器的可靠性。

结语

压力容器可靠性设计的过程中，注重实践性的应用，全面落实注意事项，规范压力容器的设计，以免增加压力容器在化工生产中的风险性，加强压力容器可靠性的控制力度，充分发挥可靠性设计的安全优势。

参考文献：

［1］孙维国.对压力容器的机械强度可靠性设计的简单探讨[J].科技资讯，2012（18）.

［2］黄心明.压力容器设计中可靠性方法的应用探讨[J].广东科技，2014（10）.