2007年第33卷第4期 工业安全与环保
April2007IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection
25
压力容器设计的一般要求及技术进展
樊保龙 胡双启 张建忠 王秀丽
(中北大学 太原030051)
摘 要 不少压力容器都要在非常严峻的工况下工作,要保证其长期安全运行,就必须在设计、选材、制造、检验及使用管理上有一整套严格的要求。介绍了在设计石油、化工用压力容器过程中,需要满足的几方面要求,并对各方面要求进行了阐述,同时指出了压力容器设计技术的进展。 关键词 压力容器设计 塑性失效 疲劳设计
TheGeneralRequirementsforandTechnicalProgressonDesignforPressureVessel
FANBao-long HUShuang-qi ZHANGJian-zhong WANGXiu-li
(NorthUniversityofChina Taiyuan030051)
Abstract Alotofpressurevesselneedtobeoperatedunderhardconditions,soasetofsevererequirementsfordesign,selectionofmater-ials,manufacturing,testingandmanagementshouldbestipulatedtoensurethelongandsafeoperation.Therequirementsneededtobemetforthedesignofpetro-chemicalpressurevesselareintroduced,meanwhile,thetechnicalprogressonthedesignisalsoputforward.Keywords designforpressurevessel plasticlapsing fatiguedesign
压力容器从设计到投入运行,要经过设计、制造、检验、安装、运行监督和维修等多个环节,设计是其中一个十分重要的环节。设计得正确、合理与否,不仅涉及到制造、检验等环节的难易程度,影响到压力容器产品的制造成本和运转费用,而且直接关系到产品运行的可靠性。
例如,联邦德国的1台立式圆筒形压力容器,其裙式支座一单面角焊缝和底封头相接,受压时容器产生环向变形,但其横截面尺寸的扩大受到支座的阻碍,在水压试验时角焊缝出现裂纹,并扩展到容器外壳的大部分。其原因是由于结构设计不合理,使靠近支座的筒体环焊缝受到过大的附加弯曲应力。又如日本1台立式贮槽,直径1.5m、高度4.4m,厚9mm,使用压力9kgf/cm,在使用中头盖突然飞出。检查发现腐蚀深度达2mm,认为是设计时忽略了内部介质的腐蚀,导致壁厚减薄而产生破坏
[1]2
(1)保证完成工艺生产。石油化工压力容器必须能承担工艺过程所要求的压力、温度及具备工艺生产所要求的规格(直径、高度、容积)和结构(开孔接管、密封等)。以氮肥生产中的氨合成塔为例,由于氨的合成率和氨的合成压力有关,若由于种种原因,氨合成塔承受不了设计压力,只能降压使用,就将导致氨的合成率下降,不仅直接影响产量,而且造成生产成本的大幅度上升。
(2)运行安全可靠。化工生产的物料往往具有强烈的腐蚀性、毒性,容易燃烧引起火灾,甚至发生爆炸等恶性事故。压力容器工作时,内部储存着一定的能量,一旦发生破坏,容器内部储存的能量将在极短的瞬间释放出来,具有极大的摧毁力。此外,由于生产的连续性,一旦容器发生事故,不仅造成容器本身的损坏,往往还会危及其他装置的安全,造成连锁性的破坏。这就意味着设计压力容器时,不仅必须保证每个承压零部件都具有足够的强度、刚度和稳定性,而且还要满足在不同工况条件(如腐蚀、高温、低温、疲劳载荷、热冲力等)下能安全可靠地运行。
(3)预定的使用寿命。影响石油化工用压力容器使用寿命的主要因素是化工物料对壳体结构材料的腐蚀,它会使容器器壁减薄,甚至烂穿,因此在设计容器时必须考虑附加腐蚀裕量来保证满足使用年限的要求。对某些强腐蚀性物料,在设计时要选用适宜的耐腐蚀材料,或在结构设计中采取防腐措施,以达到所要求的设计寿命。
(4)制造、检验、安装、操作和维修方便。提出这一要求的目的,一方面是基于安全性的考虑,因为结构简单、易于制造和探伤的设备,其质量就容易得到保证,即使存在某些超标缺陷也能够准确地发现,便于及时予以消除。其次,这样。由此可知,因为强度计算
错误,结构设计考虑不当,选材不正确,或对于热应力、应力集中、疲劳、腐蚀及在设计时对使用条件考虑不周,都会导致事故的发生。
随着石油化工、能源等工业的迅速发展,压力容器的规格尺寸越来越大,操作压力和温度越来越高,结构和形状越来越复杂,因而对其安全可靠性的要求也越来越严格。这就要求我们能正确地设计在不同的复杂工况条件下安全使用的压力容器[2]。劳动部门对压力容器的安全监督,也应该从设计这一重要的环节开始。1
压力容器设计的要求
由于石油、化学工业的生产过程复杂,设备生产工艺过
程中任何1台设备出了事故,都会影响产品质量或使生产无法继续进行,甚至会危及设备和人身的安全。因此,1台石
-4]
[2
26
要经常装拆的试验容器,要尽量采用快拆的密封结构,避免使用笨重的主螺栓连接。又如对于有清洗、维修内件要求的容器,需设置必要的人孔或手孔。第三,这样做自然会带来经济上的好处,可以降低容器的制造成本。
(5)经济性。压力容器的设计,要尽量结构简单、制造方便、重量轻、节约贵重材料,以降低制造成本和维修费用。2 压力容器设计技术的进展
2.1 压力容器应力、应变的详细分析与评定
对压力容器应力、应变的详细分析与评定,其实质就是运用较精确的计算应力分析和实验应力分析方法,对其强度进行全面的校核。不同性质的应力具有不同的重要性,它们对容器破坏所起的作用不同,导致容器失效的形式也各不相同。容器各部位实际应力、应变状态分析的完善精确程度,是进行全面强度校核的基础
[5]
近年来,各国设计规范的安全系数普遍降低了,因而提高了容器的设计应力,这样,开孔接管等处的局部峰值应力可能超过了材料的屈服极限。此外,随着容器的大型化,各种高强度低合金钢日益普遍采用,这些钢种在制造过程中容易产生裂纹及其他缺陷,从而增加了疲劳破坏的危险性,据统计在压力容器破坏事故中,由于疲劳裂纹逐渐扩展而引起的破坏,约占事故总数的40%,其中多数引起容器泄漏,但也有突然破裂而造成灾难性事故。因此,疲劳问题的研究日益引起各国的重视。
压力容器的疲劳问题属于应变控制的低循环疲劳。它的特点是应力水平很高,其峰值应力甚至可能超过材料屈服极限的2倍,而失效的循环次数较低,通常在102-105次之间。目前,在各种压力容器规范中,美国的ASME规范和英国标准BS5500中,都包含有疲劳设计的内容。2.4
。目前,许多国家在设计要求
较高的容器时,均应用近代的计算应力分析和实验应力分析技术,详尽分析各种应力的实际情况,并广泛接受与采用美国ASME规范第 卷第2册中确定的应力分类法,以及对各类应力强度的限制,将容器中不同的应力分别限制在不同的数值,以防止可能出现的各种失效[1]。和传统的设计方法相比,详细的应力分析方法既降低了安全系数,减轻了产品重量,节约了材料,又有效地防止了不同应力可能引起的不同失效,确保了容器的运行安全,具有多方面的优越性。
应力分析设计这一设计方法虽然合理而且先进,但却需要进行大量复杂的分析计算,只有借助于电子计算机才能完成,因而设计费用极高。为此,只有当设计高参数、重要的容器时,才采用这种方法。2.2 塑性失效设计方法的研究
塑性失效设计准则是建立在弹塑性理论基础上的。对于局部薄膜应力、弯曲应力的应力强度,可以允许有较大的许用数值,亦即允许出现局部塑性变形,而又不导致失效,这就是塑性失效设计准则[6]。对于只在局部地区发生的局部薄膜应力和沿壁厚方向非均匀分布的弯曲应力而言,当其最大应力达到屈服极限时,只能引起局部屈服,而容器大多数区域仍处于弹性状态,因而不会导致失效。在这种情况下,如果还以弹性失效作为破坏准则,就会使大部分材料的潜力得不到发挥。
以塑性失效为准则的强度设计称之为极限设计,它作为防止过渡变形的准则是十分可取的。2.3 疲劳设计
[1,4]
概率设计
概率设计是用近代数理统计的方法,全面评价容器的安
全程度和经济合理性。失效的可能性大小可用概率设计计算,同时,概率设计可以根据某一具体产品所要求的最低可靠性概率,向各个零部件合理分配其必须具备的可靠性概率,这样,既满足了总体要求,又改善了经济性[3]。3 结束语
上述5项要求,既是相互联系又是相互矛盾的,在1台压力容器中要同时圆满地达到上述全部要求是很难做到的,因此,在设计工作中必须根据实际的需要与可能,首先满足产品的主要要求,对其他要求,在可能的情况下给予适当的考虑。由于压力容器潜在的危险性,笔者认为,对绝大多数压力容器产品而言,最基本要求就是要满足完成工艺生产和保证运行安全这两条,也就是必须首先保证产品安全好用。
现今社会,随着计算机在工程设计中的广泛应用以及计算机软、硬件的飞速发展,使得压力容器分析设计得到越来越多的应用,并且在实际工程项目中越来越起到了更为重要的作用。
参考文献
[1]张力权,等.国外压力容器技术发展的一些动向.化工与通用机械,1979(2):30-32.
[2]顾振铭. 钢制石油化工压力容器设计规定 的基本原理和准则
(一)、(二).炼油设备设计,1981(3):21-25.
[3]李景辰,等.压力容器基础知识.北京:劳动人事出版社,1986.[4]王志文.化工容器设计.北京:化学工业出版社,1990.
[5]段哲军.应力分类和压力容器设计的发展.中国氯碱,2005(8):39-41.
[6]范钦珊.压力容器的应力分析与强度设计.北京:原子能出版社,1979.
作者简介 樊保龙,男,硕士,1980年生,武器系统与运用工程专业,主要从事武器核心子系统研究。
(收稿日期:2006-11-09)
材料在反复交变载荷作用下的破坏称之为疲劳。疲劳破坏时没有明显的塑性变形。在以往设计压力容器时,疲劳并未作为一个重要因素加以考虑,这是因为压力容器和回转构件不同,在它使用期间并不承受高循环周次的交变载荷,而且以往的设计应力较低(即安全系数较大),压力容器用钢又多为塑性良好的材料,因此,疲劳问题在压力容器中并不突出。
2007年第33卷第4期 工业安全与环保
April2007IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection
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压力容器设计的一般要求及技术进展
樊保龙 胡双启 张建忠 王秀丽
(中北大学 太原030051)
摘 要 不少压力容器都要在非常严峻的工况下工作,要保证其长期安全运行,就必须在设计、选材、制造、检验及使用管理上有一整套严格的要求。介绍了在设计石油、化工用压力容器过程中,需要满足的几方面要求,并对各方面要求进行了阐述,同时指出了压力容器设计技术的进展。 关键词 压力容器设计 塑性失效 疲劳设计
TheGeneralRequirementsforandTechnicalProgressonDesignforPressureVessel
FANBao-long HUShuang-qi ZHANGJian-zhong WANGXiu-li
(NorthUniversityofChina Taiyuan030051)
Abstract Alotofpressurevesselneedtobeoperatedunderhardconditions,soasetofsevererequirementsfordesign,selectionofmater-ials,manufacturing,testingandmanagementshouldbestipulatedtoensurethelongandsafeoperation.Therequirementsneededtobemetforthedesignofpetro-chemicalpressurevesselareintroduced,meanwhile,thetechnicalprogressonthedesignisalsoputforward.Keywords designforpressurevessel plasticlapsing fatiguedesign
压力容器从设计到投入运行,要经过设计、制造、检验、安装、运行监督和维修等多个环节,设计是其中一个十分重要的环节。设计得正确、合理与否,不仅涉及到制造、检验等环节的难易程度,影响到压力容器产品的制造成本和运转费用,而且直接关系到产品运行的可靠性。
例如,联邦德国的1台立式圆筒形压力容器,其裙式支座一单面角焊缝和底封头相接,受压时容器产生环向变形,但其横截面尺寸的扩大受到支座的阻碍,在水压试验时角焊缝出现裂纹,并扩展到容器外壳的大部分。其原因是由于结构设计不合理,使靠近支座的筒体环焊缝受到过大的附加弯曲应力。又如日本1台立式贮槽,直径1.5m、高度4.4m,厚9mm,使用压力9kgf/cm,在使用中头盖突然飞出。检查发现腐蚀深度达2mm,认为是设计时忽略了内部介质的腐蚀,导致壁厚减薄而产生破坏
[1]2
(1)保证完成工艺生产。石油化工压力容器必须能承担工艺过程所要求的压力、温度及具备工艺生产所要求的规格(直径、高度、容积)和结构(开孔接管、密封等)。以氮肥生产中的氨合成塔为例,由于氨的合成率和氨的合成压力有关,若由于种种原因,氨合成塔承受不了设计压力,只能降压使用,就将导致氨的合成率下降,不仅直接影响产量,而且造成生产成本的大幅度上升。
(2)运行安全可靠。化工生产的物料往往具有强烈的腐蚀性、毒性,容易燃烧引起火灾,甚至发生爆炸等恶性事故。压力容器工作时,内部储存着一定的能量,一旦发生破坏,容器内部储存的能量将在极短的瞬间释放出来,具有极大的摧毁力。此外,由于生产的连续性,一旦容器发生事故,不仅造成容器本身的损坏,往往还会危及其他装置的安全,造成连锁性的破坏。这就意味着设计压力容器时,不仅必须保证每个承压零部件都具有足够的强度、刚度和稳定性,而且还要满足在不同工况条件(如腐蚀、高温、低温、疲劳载荷、热冲力等)下能安全可靠地运行。
(3)预定的使用寿命。影响石油化工用压力容器使用寿命的主要因素是化工物料对壳体结构材料的腐蚀,它会使容器器壁减薄,甚至烂穿,因此在设计容器时必须考虑附加腐蚀裕量来保证满足使用年限的要求。对某些强腐蚀性物料,在设计时要选用适宜的耐腐蚀材料,或在结构设计中采取防腐措施,以达到所要求的设计寿命。
(4)制造、检验、安装、操作和维修方便。提出这一要求的目的,一方面是基于安全性的考虑,因为结构简单、易于制造和探伤的设备,其质量就容易得到保证,即使存在某些超标缺陷也能够准确地发现,便于及时予以消除。其次,这样。由此可知,因为强度计算
错误,结构设计考虑不当,选材不正确,或对于热应力、应力集中、疲劳、腐蚀及在设计时对使用条件考虑不周,都会导致事故的发生。
随着石油化工、能源等工业的迅速发展,压力容器的规格尺寸越来越大,操作压力和温度越来越高,结构和形状越来越复杂,因而对其安全可靠性的要求也越来越严格。这就要求我们能正确地设计在不同的复杂工况条件下安全使用的压力容器[2]。劳动部门对压力容器的安全监督,也应该从设计这一重要的环节开始。1
压力容器设计的要求
由于石油、化学工业的生产过程复杂,设备生产工艺过
程中任何1台设备出了事故,都会影响产品质量或使生产无法继续进行,甚至会危及设备和人身的安全。因此,1台石
-4]
[2
26
要经常装拆的试验容器,要尽量采用快拆的密封结构,避免使用笨重的主螺栓连接。又如对于有清洗、维修内件要求的容器,需设置必要的人孔或手孔。第三,这样做自然会带来经济上的好处,可以降低容器的制造成本。
(5)经济性。压力容器的设计,要尽量结构简单、制造方便、重量轻、节约贵重材料,以降低制造成本和维修费用。2 压力容器设计技术的进展
2.1 压力容器应力、应变的详细分析与评定
对压力容器应力、应变的详细分析与评定,其实质就是运用较精确的计算应力分析和实验应力分析方法,对其强度进行全面的校核。不同性质的应力具有不同的重要性,它们对容器破坏所起的作用不同,导致容器失效的形式也各不相同。容器各部位实际应力、应变状态分析的完善精确程度,是进行全面强度校核的基础
[5]
近年来,各国设计规范的安全系数普遍降低了,因而提高了容器的设计应力,这样,开孔接管等处的局部峰值应力可能超过了材料的屈服极限。此外,随着容器的大型化,各种高强度低合金钢日益普遍采用,这些钢种在制造过程中容易产生裂纹及其他缺陷,从而增加了疲劳破坏的危险性,据统计在压力容器破坏事故中,由于疲劳裂纹逐渐扩展而引起的破坏,约占事故总数的40%,其中多数引起容器泄漏,但也有突然破裂而造成灾难性事故。因此,疲劳问题的研究日益引起各国的重视。
压力容器的疲劳问题属于应变控制的低循环疲劳。它的特点是应力水平很高,其峰值应力甚至可能超过材料屈服极限的2倍,而失效的循环次数较低,通常在102-105次之间。目前,在各种压力容器规范中,美国的ASME规范和英国标准BS5500中,都包含有疲劳设计的内容。2.4
。目前,许多国家在设计要求
较高的容器时,均应用近代的计算应力分析和实验应力分析技术,详尽分析各种应力的实际情况,并广泛接受与采用美国ASME规范第 卷第2册中确定的应力分类法,以及对各类应力强度的限制,将容器中不同的应力分别限制在不同的数值,以防止可能出现的各种失效[1]。和传统的设计方法相比,详细的应力分析方法既降低了安全系数,减轻了产品重量,节约了材料,又有效地防止了不同应力可能引起的不同失效,确保了容器的运行安全,具有多方面的优越性。
应力分析设计这一设计方法虽然合理而且先进,但却需要进行大量复杂的分析计算,只有借助于电子计算机才能完成,因而设计费用极高。为此,只有当设计高参数、重要的容器时,才采用这种方法。2.2 塑性失效设计方法的研究
塑性失效设计准则是建立在弹塑性理论基础上的。对于局部薄膜应力、弯曲应力的应力强度,可以允许有较大的许用数值,亦即允许出现局部塑性变形,而又不导致失效,这就是塑性失效设计准则[6]。对于只在局部地区发生的局部薄膜应力和沿壁厚方向非均匀分布的弯曲应力而言,当其最大应力达到屈服极限时,只能引起局部屈服,而容器大多数区域仍处于弹性状态,因而不会导致失效。在这种情况下,如果还以弹性失效作为破坏准则,就会使大部分材料的潜力得不到发挥。
以塑性失效为准则的强度设计称之为极限设计,它作为防止过渡变形的准则是十分可取的。2.3 疲劳设计
[1,4]
概率设计
概率设计是用近代数理统计的方法,全面评价容器的安
全程度和经济合理性。失效的可能性大小可用概率设计计算,同时,概率设计可以根据某一具体产品所要求的最低可靠性概率,向各个零部件合理分配其必须具备的可靠性概率,这样,既满足了总体要求,又改善了经济性[3]。3 结束语
上述5项要求,既是相互联系又是相互矛盾的,在1台压力容器中要同时圆满地达到上述全部要求是很难做到的,因此,在设计工作中必须根据实际的需要与可能,首先满足产品的主要要求,对其他要求,在可能的情况下给予适当的考虑。由于压力容器潜在的危险性,笔者认为,对绝大多数压力容器产品而言,最基本要求就是要满足完成工艺生产和保证运行安全这两条,也就是必须首先保证产品安全好用。
现今社会,随着计算机在工程设计中的广泛应用以及计算机软、硬件的飞速发展,使得压力容器分析设计得到越来越多的应用,并且在实际工程项目中越来越起到了更为重要的作用。
参考文献
[1]张力权,等.国外压力容器技术发展的一些动向.化工与通用机械,1979(2):30-32.
[2]顾振铭. 钢制石油化工压力容器设计规定 的基本原理和准则
(一)、(二).炼油设备设计,1981(3):21-25.
[3]李景辰,等.压力容器基础知识.北京:劳动人事出版社,1986.[4]王志文.化工容器设计.北京:化学工业出版社,1990.
[5]段哲军.应力分类和压力容器设计的发展.中国氯碱,2005(8):39-41.
[6]范钦珊.压力容器的应力分析与强度设计.北京:原子能出版社,1979.
作者简介 樊保龙,男,硕士,1980年生,武器系统与运用工程专业,主要从事武器核心子系统研究。
(收稿日期:2006-11-09)
材料在反复交变载荷作用下的破坏称之为疲劳。疲劳破坏时没有明显的塑性变形。在以往设计压力容器时,疲劳并未作为一个重要因素加以考虑,这是因为压力容器和回转构件不同,在它使用期间并不承受高循环周次的交变载荷,而且以往的设计应力较低(即安全系数较大),压力容器用钢又多为塑性良好的材料,因此,疲劳问题在压力容器中并不突出。