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规则设计和分析设计

压力容器压力管道2018-06-24 09:33:22

1、规则设计

1949年中华人民共和国成立后,随着工业的逐步发展, 压力容器的设计走上了历史发展的舞台与英国美国及其他国家一样, 我国的压力容器设计最初也是基于弹性失效准当时认为, 压力容器的失效主要是由强度、 刚度问题或者腐蚀使容器强度、刚度发生变化而引起但随着工业的进步,许多压力容器的失效事故已经无法用弹性失效理论来解,而且在设计过程中发现,这种设计方法已越来越难以满足工业发展的需要但是限于当时我国的材料加工业水平及对设计理论的认识等原因,1990年以前,我国压力容器仍然采用这种设计方法

现在, 设计人员通常把以材料力学及板壳薄膜理论的简化计算公式为基础,加上一些经验系数进行设计的方法称为“规则设计”规则设计基于弹性失效准则, 确定许用应力的安全系数较大,设计时只考虑单一的最大载荷”,按一次施加的静载荷处理, 不考虑交变载荷和容器的疲劳寿命问题规则设计对容器重要区域的实际应力未进行严格详细的计算,工程结构中应力的分布大多数是不均匀的,随着试验技术与计算技术的发展,对于局部几何不连续处按精确的弹性理论或有限元法所得到的应力集中系数可达3~10, 此时若按最大应力点进入塑性就视为失效就显得保守, 结构还有很大的承载潜力, 但若不考虑应力集中只按简化公式进行设计,应力集中区将可能出现裂纹而埋藏安全隐患同时规则设计无法解决高温、 高压容器中当热应力与内压应力之和已超出传统的允许值时, 无论加厚或减薄壁厚均不能满足传统标准要求的矛盾, 也无法解决弹性元件 (如膨胀节等) 对壁厚要求的问题 (强度与柔性的矛盾)。 另外, 规则设计无法对在实际运行的设备中出现疲劳裂纹等压力容器失效做出合理的评定与预测。 由于规则设计没有对各类应力进行正确的评价, 随着工业化程度的加深, 其局限性也越来越明显

在国外, 20世纪60年代以前,ASME规范主要采用规则设计”,即以压力容器主要部位的最大主应力不超过弹性范围为设计的安全准则, 根据材料的许用应力对压力容器的结构与尺寸做出具体的规定和计算英国日本等国家在20世纪70年代以前也都采用规则设计方法。

2、分析设计

由于工业的快速发展, 生产规模的不断扩大, 压力容器承受循环载荷的情况日益增多,规则设计已远远不能满足工业发展的需要, 为了解决规则设计无法解决的矛盾, 另一种压力容器的设计方法— “分析设计 得到了应用与发展分析设计采用极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的 “塑性失效”与“弹塑性失效”准则,允许结构出现可控制的局部塑性,允许对峰值应力部位进行有限寿命设计确定设计应力强度的安全系数相对较低,设计应力强度相对提高,也解决了规则设计中出现的一些矛盾分析设计是以详尽的应力分析为依据, 对各类应力根据其对压力容器失效的不同影响分别加以限定分析设计是压力容器设计理论和方法上的一次飞跃, 反映了近代压力容器设计的先进水平, 但它对材料制造工艺检验计算程序 (软件)、设计制造资格等的要求比较严格例如, 选用的材料为延性好力学性能稳定的优质材料并需对各种缺陷进行严格的检验; 在无损检测方面则要求一律进行100%RT(射线)检测因此,在进行压力容器设计时,人们总是根据经济核算,从规则设计和分析设计中选择一种较为经济的设计方法。

另外,由于计算机的应用及发展,大量的设计工作已经由计算机程序和一些优秀的软件系统来完成它不但能完成对压力容器结构的设计校核,而且能够通过优化设计得到符合优化目标的最优结果, 而优秀的专家系统更是在设计决策运行管理故障分析等方面发挥着特殊的作用

在国外, ASME锅炉及压力容器委员会于1955年设立了评述规范应力基准特别委员”,对当时设计规范的许用应力基准进行了研究。1965, ASME规范的第卷中提出了应力分类的设计新观点, 即对压力容器各危险部位的应力先进行详细的分析, 然后根据各类应力对压力容器失效的不同影响对应力进行分类, 再根据不同的设计准则加以限这种设计方法就是以应力分析为基础的设计方法(即分析设计)。 1968,ASME规范第压力容器正式分为两册, 一册为传统的规则设计规范, 另一册为分析设计规英国1976年开始在BS5500规范中列入了压力容器分析设计的内容日本1983年正式实施JIS8250规范(压力容器构造另一标准”)。 此后, 各国对其设计方法重新进行了调整编制



本文内容来源于朱保国—压力容器设计知识


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