压力容器设计另一方法

压力容器设计另一方法-载荷和阻力系数设计法2011-12-2816:54:44|分类：分析设计|标签：先进设计方法分析设计1.背景多年来，压力容器设计一直沿用ASD法，如ASMEⅧ-1、ASMEⅧ-22004版和之前的版本，以及GB150[1]、JB4732[2]。ASD法主要设计理念是：为材料强度取一个总安全系数（GlobalSafetyFactor），以此为设计中的不确定因素提供必要的安全裕度。在各类结构设计中，除了ASD法，还有另一种方法，即LRFD法。该法在钢结构和公路桥梁等领域已广泛应用多年[3-5]。2007年，ASMEⅧ-2[6]也引入了LRFD法，规范5.2节明确提及：LRFD法是对塑性垮塌载荷严密计算的另一选择。该法主要设计理念是：不同的载荷和阻力（强度）采用不同的分安全系数（PartialSafetyFactor）。2.强度变量（StrengthVariables）在LRFD法中，强度（阻力）变量，包括屈服极限和强度极限，都看作是随机变量。3.载荷变量（LoadVariables）载荷变量包括永久载荷、内压、地震载荷、风载荷，其中永久载荷包括容器自重、保温重量、介质重量等。所有的载荷都将被当作随机变量来考虑。4.结构可靠度理论结构可靠度是指在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率。载荷是引起结构失效的外在原因，阻力是抵抗结构失效的能力。因此，载荷和阻力之间的关系，是决定结构是否失效的重要因素之一。载荷和阻力的随机性决定了结构失效的随机性。5.载荷系数和阻力的取值LRFD法是建立在结构可靠度理论上的。其原理包含如下四点：㈠将结构的阻力作为随机变量或随机过程来处理；㈡将作用在结构上的各种载荷作为随机变量或随机过程来处理，并考虑其同时出现的概率；㈢基于应力-强度干涉理论对结构的失效概率进行评定㈣基于结构可靠度理论ASCE7-05[8]是建筑和结构领域载荷计算的基础，给出了建筑和结构的最小载荷要求，也给出各种载荷组合及相应的系数。ASMEⅧ-2[6]按一定的可靠性指标（ReliabilityIndex），开发出了与压力容器设计相适应的载荷系数。值得注意的是，在极限载荷法和弹-塑性法中，材料强度对应的阻力系数已被组合进载荷系数中了[8]，即阻力系数等于1.0。按极限载荷法进行分析时，材料的屈服极限取为1.5倍的许用应力。按弹-塑性方法进行分析时，材料的性能按其本构关系取值。6.LRFD法和ASD法对比LRFD法和ASD法在理念上有两个主要区别。6.1强度判别方式ASD法将结构中的真实应力与许用应力进行比较，是基于应力（StressBased）的设计方法，而LRFD法是将结构所要求的强度与真实强度进行比较，是基于强度（StrengthBased）的设计方法。ASD法进行结构强度设计时，总是希望把结构的最终应力控制在材料的屈服极限以下，防止结构出现永久性的塑性变形。当采用LRFD法时，将各类载荷乘以一个大于1.0的载荷系数（LoadFactor）后，与结构的最终强度（UltimateStrength）进行比较，如果前者小于后者，则结构是安全的。其中，最终强度指名义强度（NominalStrength）乘以阻力系数（ResistanceFactor）。6.2对不确定因素的考虑ASD法采用一个总的安全系数来考虑设计中所有不确定因素，显得过于“粗糙”，对不同的不确定因素不能给予单独考虑，导致的结果之一就是安全裕度过剩，材料浪费。LRFD法则对各个具有随机性的设计变量赋予了不同的分安全系数，即通过在极限状态不等式右边使用载荷系数，实现了对各类载荷随机性的单独考虑，左边使用阻力系数，实现了对阻力随机性的考虑。压力容器的两个根本问题是安全可靠性和经济性,可靠性评定则直接关联着安全和经济两个方面[10]。LRFD法基于可靠度理论的设计理念可获得更合理的安全裕度，在保证了安全性的同时，实现了结构的轻量化。7.讨论与展望基于可靠度理论的压力容器设计是一个较新的领域，国内很多专家学者也做大量的实践和研究[10-18]。该设计方法需要知道各设计变量的分布特征，因而需要足够多的设计数据，在此基础上才能找出载荷和阻力系数与可靠度之间的关系，过去一直没有统一的标准规范可循。ASMEⅧ-2[6]引入LRFD法，并给出了各种载荷组合对应的载荷系数，为基于可靠度理论的压力容器设计方法提供了实施依据和操作细则。ASD法始于上世纪20年代，目前仍被广泛应用，是目前的主流方法。LRFD法是一种更具创新性的新方法，也是ASME规范[6]抗衡EN13445[19]的五项前沿技术之一[20]。任何工业领域的持续发展都需要不断的创新，在压力容器设计领域引入LRFD法无疑是压力容器设计的重大进展之一，为确保压力容器的安全可靠性和经济性提供了另一重要途径，相信不久的将来，LRFD法很可能会超越或替代ASD法。参考文献[1]GB150-1998,钢制压力容器[S].中国：中国标准出版社，2007[2]JB4732-1995,钢制压力容器—分析设计标准(2005确认)[S].中国：新华出版社，2007.[3]LoadandResistanceFactorDesignSpecificationforStructuralSteelBuildings[s].AmericanInstituteofSteelConstruction,INC,1999[4]刘玉姝，美国LRFD钢结果规范介绍（V）[J]建筑钢结构进展，2002,4(2)：51-57[5]刘建，美国AASHTOLRFD公路桥梁设计规范历史和现状[J]公路交通科技(应用技术版),2010,70(11):406-409[6]2007ASMEBoiler&PressureVesselCode,ⅧDivision2,AlternativeRules,RulesforConstructionofPressureVessels[S].July1,2007[7]Avrithi,K.,“Reliability-BasedDesignofPiping:InternalPressure,Gravity,Earthquake,andThermalExpansion,”Ph.D.thesis,UniversityofMaryland,CollegePark,MD;2007[8]MinimumDesignLoadsforbuildingsandotherStructures[s]AmericanSocietyofCivilEngineers，2006[9]秦叔经,压力容器标准和规范中分析设计方法的进展[J].化工设备与管道，2011，(1）:P1-8[10]刘应平,压力容器的可靠性分析[J].工业安全与防尘，2000，（1）：25-29[11]林玉娟,冯永利,薄壁压力容器的可靠性分析[J]科学技术与工程，2007,22（7）：5966-5968[12]刘玉彬,工程结构可靠度理论的研究现状与展望[J].大连民族学学报,2006,34(5):1-3[13]刘玉彬,工程结构可靠度理论研究综述[J]吉林建筑工程学院学报,2002,19(2):41-43[14]王艳,基于可靠性理论的压力容器设计方法及其应用研究[J].科技信息,2010,35:500[15]徐莹,结构可靠度理论的研究现状及展望[J].山西建筑，2005,31（10）：25-27[16]赵亚凡,宋明大,可靠性方法在压力容器设计中的应用及探讨[J].化工设计，2002,12（5）：24-25[17]赵亚凡,可靠性方法在压力容器设计中的应用及探讨[J]机械设计与制造,2002,4:5-6[18]王勤,匡立中,压力容器可靠性分析技术述评[J]科技创新导报,2008,7:150[19]EN13445:2002(E)UnfiredPressureVessels,Part3:Design[S].May,2002.[20]陈登丰,ASME和锅炉压力容器标准的全球化[J/OL]；2007热处理常用的临界温度符号及说明2011-12-0618:51:53|分类：默认分类|符号说明A0渗碳体的磁性转变点A1在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体或碳化物共存的温度，即一般所说的下临界点，也可写成Ae1A3亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度，即亚共析钢的上临界点，也可写成Ae3Acm过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体或碳化物共存的最高温度，即过共析钢的上临界点，也可写成AecmA4在平衡状态下δ相和奥氏体共存的最低温度，也可写为Ae4Ac1钢加热，开始形成奥氏体的温度Ac3亚共析钢加热时，所有铁素体均转变为奥氏休的温度Accm过共析钢加热时，所有渗碳体和碳化物完全溶入奥氏体的温度Ac4低碳亚共析钢加热时，奥氏体开始转变δ相的温度Ar1钢高温奥氏体化后冷却时，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度Ar3亚共析钢高温奥氏体化后冷却时，铁素体开始析出的温度Arcm过共析钢高温奥氏体化后冷却时，渗碳体或碳化物开始析出的温度Ar4钢在高温形成的δ相冷却时，完全转变为奥氏体的温度Bs钢奥氏体化后冷却时，奥氏体开始分解为贝氏体的温度Ms钢奥氏体化后冷却时，其中奥氏体开始转变为马氏体的温度M1奥氏体转变为马氏体的终了温度不锈钢的耐腐蚀性2011年9月8日2011-09-0808:42:22|分类：默认分类|不锈钢的耐腐蚀性·一、关于不锈钢材质耐氯离子腐蚀标准可参照《火电厂循环水处理》一书第179页，明确约定：（1）、T304不锈钢氯离子含量为0-200mg/L；（2）、T316不锈钢氯离子含量为＜1000mg/L；（3）、T317不锈钢氯离子含量为＜5000mg/L。二、对板式换热器腐蚀进行了分析，结合不同氯离子含量、不同温度对不同材料的腐蚀界限，对以循环水为冷却介质的板式换热器由于冷却水氯离子含量对材料选择的影响进行了分析。在石油化工装置设计过程中，对设备材料的选择经常要考虑各种不同的因素，其中腐蚀是要考虑的因素之一，尤其是考虑装置长期连续运转，保证设备不内漏，选择合适的抗腐蚀设备材料更为重要。笔者在此就板式换热器可能的腐蚀性进行分析和对以循环水为冷却介质的板式换热器由于循环冷却水氯离子含量对材料选择的影响进行探讨。我们知道，板式换热器以传热效率高、结构紧凑、拆卸方便、占地面积小、适用范围广等特点而被广泛应用。板式换热器由两片侧压板、多片内板一般来讲，304可耐氯离子浓度为200mg/L左右，316Ｌ可耐800mg/L左右。若系统压力较高（5-6Bar），氯离子浓度又高于10000mg/L，316Ｌ也就撑两年即会穿孔。对于用于被冷介质无腐蚀的板式换热器，一般两端的侧压板和进出管口的材质为碳钢，而内板片通常采用0.5-0.8mm厚的不锈钢、或合金板片压制。由于水中的氯离子对不锈钢、合金钢会产生不同程度的腐蚀，因此用于被冷介质无腐蚀的板式换热器，内板片材料的选择就取决于循环冷却水中氯离子含量的多少。当然，温度的高低也是决定氯离子对内板片腐蚀程度的主要因素。1、腐蚀性分析：腐蚀的种类很多，金属腐蚀的形态可分为均匀腐蚀和局部腐蚀，前者较均匀的发生在金属全部表面，后者只发生在局部。局部腐蚀典型的有：晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、电偶腐蚀、冲刷腐蚀、腐蚀疲劳、脱层腐蚀。有氯离子存在的循环冷却水对板式换热器主要损害腐蚀是点腐蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀。点腐蚀也称为孔腐蚀，是高度局部的腐蚀形态，在金属表面腐蚀成坑，更进一步形成深孔使金属板穿透。在板式换热器内，内板表面一般会覆盖保护性的钝化膜，腐蚀较轻微，但会由于板面上的缺陷（如：划痕、撞点、非金属夹杂物等）致使微小破口暴露的金属成为电池阳极，周围扩大面积的膜成为阴极，阳极电流高度集中，使腐蚀迅速向内发展，进而产生局部的严重腐蚀点。应力腐蚀是在金属板存在拉应力的情况下且有腐蚀造成金属板破裂，也称为应力腐蚀破裂。对于板式热交换器，内板压型时会产生应力，因此，如内板采用奥氏体不锈钢，有氯离子存在的环境会产生典型的应力