钢制压力容器分析设计与其管道应力分析的比较

芬 石油化工 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 P et rochemical Design 钢制压力容器分析设计与其 管道应力分析的比较 胡跃华 (北京 燕化石 油化 工设计 院，北京 102500) 摘要 ：随着各种 工艺装置的不断大型化 ，压力容 器和压 力管道的 压力、温度 不断提 高，直径 和壁厚 不断加 大，压 力容 器分析设 计和 压力 管道应 力分析 受到越 来越 多地重视 和应 用。笔 者从 基本假 设 、应 用、应力分类和应 力校 核限制条件等几个方面对两者加 以分析和 比较 。 关键词 ：钢 制压 力容器 ；钢制压力管道 ；应力分析 ；安定性 ；疲劳 很多工程人员对钢制压力容器分析设计和压 力管道应力分析既好奇又感觉神秘 ，甚至一些文 献将钢制压力容器与压力管道应力分析的方法等 同起来。事实上，两者有相似的地方 ，但更多的是 不同之处 。 1 压力容器设计与其管道应力分析的比较 近年来石化装置 的大型化 ，是我国和世界发 展的一个重要趋势 ，由此带来 了压力容器和压力 管道的高参数化，即向着大尺寸、高温、高压、以及 深冷的方 向发展。在我 国神华 集团煤液化项 目 中，甚至出现 了外径达 5500ram，壁厚达 344mm， 重约 2000t的锻焊加氢 反应器 ，对于这样的钢制 压力容器，采用应力分析设计方法，具有 明显的经 济效益 。例如 ，一个单重 lO00t的加氢反应器按 分析方法设计比常规方法设计可减轻设备重量约 20 ，节省投资 1000~1200万元 ]。越来越多的 钢制压力容器和压力管道采 用应力分析方法设 计，压力容器有 了 JB4732—1995《钢制压力容器 一 分析设计 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 》，以及 ANSYS和 VAS等应力 分析软件。相对 于压力容器而言，目前我国压力 管道应力 分析还没有统一 的标 准，国家标准 GB50316—2000<<工业金属管道设计规范》和有关 管道应力分析的行业标准基本 上是参照 ASME B31系列 ，至于钢制压力管道应力分析，则主要是 遵循 ASME B 31．3的要求 ，并采用美国 COADE 公司的 CAESAR II应力分析软件 。管道应力分 析不仅仅局限于局部应力的分析和判别 ，必须兼 顾整个管系，在优化配管 的设计 中有着广泛的应 用。可以说离开它 ，配管设计将寸步难行。按照 应力 的性质分 ，分 为静力 分析和 动力分析两 大 类 。 (1)静力分析包括 ： ①压力 、重力等载荷作用下的管道一次应力 计算——防止塑性变形破坏 ； ②热胀冷缩以及端点附加位移等载荷作用下 的二次应力计算—— 防止疲劳破坏； ③管道对机器 、设 备作用力 的计算—— 防止 作用力过大 ，保证机器 、设备的正常运行 ； ④管道支吊架 的受力计算——为支 吊架设计 提供依据； ⑤管道 上法兰 的受力计 算——防止 法兰泄 漏 ； ⑥管系位移计算——防止管道碰撞和支 吊点 位移过大等 。 (2)动力分析包括 ： ①往复压缩机(泵)管道气(液)柱固有频率分 析—— 防止气(液)柱共振 ； ②往复压缩机(泵 )管道压力脉动分析——控 制压力脉动值 ； ③管道 固有频 率分析——防止管道 系统共 振； 收稿 日期 ：2006—10-23。修改稿收到日期 ：2007—01—12。 作者简介 ：胡跃 华(1966一)，男 ，湖北黄 冈市人。1988 年毕业于西北大学化工系化工机械及设备专业，高级工 程师。一直从事工程设计工作，精通压力容器设计和压 力管道应 力分析 。先后在《石化技 术》、《石 油化 工设计 》、 《石油化 工设 备 》、《压 力 容 器》、《化 工机械 》发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 论 文 多 篇 。联 系电话 ：010—69341989 维普资讯 http://www.cqvip.com 石 油 化 工 设 计 第 2 1卷 ④管道地震 分析 防止管 道地震应 力过 大 ； ⑤冲击荷载作用 F管道的应力分析—— 防止 管道振动和 力过大等 。 管道振动是 一种机械振动，需要说明的是：机 械振动的问题是 一个世界性 的难题 ，还需要不断 地完善和发展。 压力管道应力分析的目的：保证管系自身的 安全 ；保证 相连设备的安全 ；保证 土建结 构的安 全 。 压力容器应力分析设计的特点 ：科学合理，安 全可靠，十分经济。但对材料、制造和检验提出较 高的技术要求 ；通常在高温 、高压 、有疲劳以及局 部结构需要分析的少数场合下采用 。有些大型的 储存球罐的设计也采用。 压力容器和压力管道应力分析都采用了固体 力学中最常用和最有效的数值分析方法——有限 元法，而有限元法的发展借助了两个重要的工具 ： 在理论推导中采用 了矩 阵方法 ；在实际计算 中采 用了电子计算机。随着 计算机技术的飞速发展 ， 有限元法得到了越来越 广泛 的应用，并 已成 为解 决工程领域中力学问题的最有效方法。 2 钢制压力容器及其管道的应力分类 钢制压力容器分析设计和压力管道应力分析 分别采用了厚壁和薄壁模型一 ，薄壁假设认为 各应力沿壁厚均匀分布，忽略了弯曲应力，压力容 器的常规设计方法也是采用这种假设 ；厚壁假设 认为各应力沿壁厚是 可以变化的，有弯曲应力的 存在 。因而，利用厚壁假设进行应力分析更为精 确和严密 。根据 ASME B 31．3的规定 ，当管道 的公称压力 大于 42MPa时，薄 壁模型 已不 再适 用，应采用高压管道的分析校核准则。 由于不同类型的应力对损伤破坏的影响各不 相同，因此便出现了应力分类校核 的方法，钢制压 力容器分析设计和压力管道应力分析都遵循等安 全裕度原则。在压力容器分析设计中各种应力的 定义为 -： (1)一次应力：为平衡压力和其它机械载荷所 必需的法向应力或剪应力 。一次应力又细分为一 次总体薄膜应力P 、一次局部薄膜应力 P，，和一 次弯曲应力 P 。 (2)二次应力 Q：为满足外部约束条件或结构 自身变形连续要求必需的法向应力或剪应力 。主 要包括边缘应力和温度应力等。 (3)峰值应力 F：由于局部结构不连续或局部 热应力影响而引起的附加在一次应力加二次应力 上的应力增量。 在压力容器分析设计中将应力细分为 5类 ， 即：一次 总体 薄膜应 力 P 、一次 局部 薄膜 应 力 Ph一次弯曲应力 P 、二次应力 Q、峰值应力 F。 在压力管道应力分析 中，也人为地将应力划分为 一 次应力 6 、二次应力 6¨ 两大类 ，其概念与压 力 容器分析设计 中的定义基本相同，只是不再细分 为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次 弯曲应力，也没有峰值应力的概念。这主要是在 压力管道应力分析中采用了薄壁假设的缘故。对 于弯头 、三通等几何不连续处的应力集中，压力管 道应力分析中采用 了应力增大系数的方法处理 。 而应力增大系数的数值是由疲劳试验得出来的， 它并不是应力集中系数 ，两者不能混淆。 在压力容器分 析设 计 中采用 了第 三强度理 论 ，即最大剪应力理论。最大剪应力理论的当量 应力是第一主应力与第三主应力之差，在压力容 器分析设计 中，将这一当量应力定义为应力强度。 在压力管道应力分析中，一次应力是指管道 纵向的组合应力，并不是在各种情况下等于最大 拉应力。因此 ，一次应力校核条件看似属 于第一 强度理论，实际上它不与任何强度理论相符合，应 力是被限制在屈服 限内，并 留有一定 的裕度。二 次应力校核条件则来源于安定性 的概念 ，可防止 低周和高周疲劳破坏。 3 压力容器及其管道应力校核条件比较 3．1 钢制压力容器 钢制压力容器分析设计 中各类应力的校核条 件为(为了说 明简便，考虑载荷组合系数 K一1的 情况)Ez]： (1)一次总体薄膜应力 P ≤[ ]； (2)一次局部薄膜应力 P。．≤1．5Eo3； (3)一次总体薄膜应力 P 或一次局部薄膜 应力 P。．与一次弯曲应力 P 之和≤1．5[ ]，即： P (Pl )+Pb≤1．5Eo3； (4)一次总体薄膜应力 P 或一次局部薄膜 应力 P。 和一次弯 曲应力 P 与二次应力 Q之和 ≤3Ea]，即：P (Pl )+P +Q≤3[ ]； 维普资讯 http://www.cqvip.com 2l卷 胡跃华．钢制压力容器分析设计与其管道应力分析的比较 (5)一次总体薄膜应力 P 或 ·次局部薄膜 应力 P。 和一次弯 曲应力 P。，与二次应力 Q 及峰 值应力 F之和≤2S 即 ：P (P。，)十Pt，十Q十F≤ 2S ．。 [ ]为许用应力；S 为许用应力幅，可从设计 疲劳曲线求得 。 事实上，考虑到风载 、地震载荷的影响以及压 力试验情况，JB 4732—1995((钢制压力容器一分 析设计标准》中，引入了大于 1的载荷组合系数 K，K 的数值由其表 3—3给出。 在上述校核条件中，“校核条件(1)”最严格。 这是由于一次总体薄膜应力的影响遍及压力容器 整个结构，且无自限性，因此最危险。“校核条件 (2)”考虑了一次局部薄膜应力的自限性和衰减 性，因而它的控制条件可以放宽。“校核条件(3)” 是根据矩形截面纯弯梁的极限分析结果引伸而来 的，它考虑了屈服后应力又重新分布的情况，也可 以适当放宽。“校核条件(4)”是根据结构安定性 的条件得到的。“校核条件(5)”是用于详细的疲 劳分析的场合。实际上，当循环次数较低时，只要 满足“校核条件(4)”的安定性条件 ，便可避免低周 疲劳破坏。 ’ 压力管道应力 分析 中各类应力 的校核条件 为Ⅲ ： 一 次应力dl≤[d] ； 二次应力dll≤ (1．25[o3 +O．25[~3 )。 [ ] 为冷态许用应力，[ ] 为热态许用应 力，厂为应力范围减少系数，，的数值大小与循环 当量数有关，厂的取值一般为 0．3～O．9。 3．2 压力管道 相对于压力容器分析设计 ，以 ASME B31．3 为代表的工艺管道的应力校核条件具有以下主要 特点 ： (1)一次应力校核条件只校核管道纵向的组 合应力，它不遵循任何强度理论。二次应力校核 条件实际上采用了最大剪应力理论 ； (2)在工艺管道的应力分析中，不计算一次 局部薄膜应力和一次弯曲应力 ，因此一次应力就 是一次总体薄膜应力； (3)工艺管道二次应力的校核条件源于安定 性条件 ，理论基础 与压力容器一次应力十二次应 力的校核条件完全相同，可防止低周疲劳破坏。 (4)工艺管道二次应力的校核条件中引入了 应力范围减少系数 ／、，当循环次数较高时 ，对许用 应力的变化范围进一步加以限制，从而防止高周 疲劳破坏的发生 。 4 结论 总体来讲 ，压力管道应力分析标准在理论上 不如压力容器分析设计 严密 ，但侧 重点各不相 同。压力容器分析设计的重点在局部 (整体结构 也作详细应力分析和评判)，尤其是接管开孔处 和结构不连续的地方 ，尽量采用圆滑过渡结构 ； 而压力管道应力分析的重点在整个管系的应力和 柔性 ，通常情况下 ，在曲率突变的地方，例如弯 头、三通、四通 、分支管等几何不连续处并不进 行局部的详细分析，而是采用了应力增大系数的 方法处理。实践证明，这种方法简单有效，便于 工程应用，也更符合实际。对于一个庞大的管 系，进行局部的详细分析是没有必要和不现实 的，尽管拥有电子计算机。但是，对于极少数大 管开大孔，不能使用三通的情况下，仍然需要借 助压力容器分析设计法进行开孔处的应力详细分 析，求得所需要的应力增大系数，以帮助压力管 道应力分析的正确进行；此时 ，压力管道实际上 已经成为了压力容器 ，只不过 以管道 的形式体 现。压力容器分析设计和压力管道应力分析是现 代过程装置设计中的两把利器，压力容器分析设 计中，在满足科学合理的前提条件下，压力容器 应尽可能具有足够的刚性，尤其是压力容器上的 接管；压力管道应力分析中，在满足科学合理、 配置优质管道的前提条件下 ，管系应尽可能具有 良好 的柔性。这样 ，压力容器和连接在压力容器 上的压力管道，才能和谐地工作，为 安全生产 安全生产管理档案一煤矿调度员先进事迹安全生产副经理安全生产责任最近电力安全生产事故安全生产费用投入台账 服 务!正确地使用压力容器分析设计和压力管道应 力分析方法，并协同作战，既可确保装置安全运 行，又可发挥出其应有的经济效益，也是进一步 提高设计水平的重要环节之一。 参考文献 [1] Charles Becht著．工艺管道 ASME B 31．3实用指南[M]， 北京：化学工业出版社 ／23 JB4732—1995钢制压力容器一分析设计标准／s3，北京：中 国标准 出版社 ／33 唐永进著．压力管道应力分析[M]．北京：中国石化ln版社 [4] (；B503l6—2000 T业金属管道设计规范[S]，北京：中国标 准fn版利： 维普资讯 http://www.cqvip.com