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【摘要】文章围绕着压力容器分析的设计方法，重点讨论了当今压力容器分析设计的主流方法——应力分类法的最新进展。希望对相关人员的工作和研究起到一点借鉴作用。
【关键词】压力容器；分析设计方法
中图分类号： TH49 文献标识码： A 文章编号：
引言
近年来压力容器分析设计方法取得了重大进展,颁布了以美国ASMEⅧ-2 2007版和欧盟标准EN 13445-3 2002版为代表的新一代的压力容器设计规范。我国已经发表了一批介绍和评述这两个新规范中设计方法的文章。文中将以ASME规范为主线,结合我国JB 4732和欧盟标准来展开讨论。
JB4732与GB150的设计区别主要体现在：（1）设计温度： JB4732低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高475℃）, GB150按钢材允许的使用温度确定（最高为700℃,最低为-196℃）；（2）基本安全系数： JB4732碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢：nb≥2.6,ns=nts≥1.5；奥氏体高合金钢：ns=nts≥1.5, GB150碳素鋼、低合金钢：nb≥3.0，ns=nts≥1.6，nD≥1.5,nn≥1.0；高合金钢：nb≥3.0,ns=nts≥1.5，nD≥1.5，nn≥1.0；（3）设计准则：JB4732采用塑性失效设计准则和疲劳失效设计准则,局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定,GB150采用弹性失效设计准则；（4）应力分析方法：JB4732弹性有限元法，塑性分析，塑性理论和板壳理论公式，实验应力分析，GB150以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数。
1分析设计方法
在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是:
(1)要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。
(2)强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。
(3)根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。
(4)根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为:
(1)从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。
(2)把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。
随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。
2 应力分类法
2.1 应力分类法是当今分析设计的主流方法
应力分类法有如下优点:
(1)简单。采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。应力评定时直接给出各类等效应力的许用值,因而应力分类后的强度校核与常规设计类似。
(2)通用。采用有限元软件可以对任何结构形状和载荷工况进行弹性应力分析。
(3)保守。各类应力的许用极限“已经设定在保守的水平上”,因此总体上是一种偏保守的设计方法。
(4)成熟。自1965年在ASME第Ⅲ卷正式颁发以来已经应用了47年,已被世界各国普遍采用,并公认为先进的压力容器设计方法。正是因为这些优点,应力分类法仍然是当今压力容器分析设计的主流方法。虽然ASME新版和欧盟标准都扩充了基于弹塑性分析的新方法,但都并列地推荐了应力分类法,而不是“不推荐采用基于应力分类的分析设计方法”。
目前在工程上真正应用ASME新版进行设计的实例尚未见报道,由于基础数据的缺乏和对新的设计方法没有研究清楚,国际上的知名工程公司均不允许在工程上直接采用ASME新版,仍然沿用ASME老版进行设计。
2.2 用于应力分类的等效线性化处理方法
ASME新版和欧盟标准EN在全面继承应力分类法的基本思想和基本规则的同时,还对其实施方法作出了如下关键性的增补:
(1)把经济、有效且已被工程界广泛采用的数值(有限元)分析方法作为分析设计的主要手段引入应力分类法,并规范了具体实施步骤
(2)明确肯定了有限元计算结果的等效线性化处理方法,用较多的篇幅给出了详细论述。
关于线性化处理得到的非线性应力是否是峰值应力的问题,ASME新版在中明确表示“应力分量沿贯穿壁厚的应力分类线(SCL)积分,以确定薄膜和弯曲应力分量。峰值应力分量可以直接利用本方法通过将总应力分布减去薄膜加弯曲应力分布而得到”。
曾经以为等效线性化处理的目的是寻找峰值应力,但后来发现应力评定时并不需要峰值应力,疲劳分析时用的是总应力。所以,等效线性化处理的真正目的是用扣除峰值应力的方法来寻找压力容器部件中的最大“结构应力”,即处理后得到的薄膜加弯曲应力。这正是欧盟标准只谈结构应力而不提峰值应力的原因。 “一些典型情况的应力分类”中也只讲结构应力的分类,而没有峰值应力。欧盟标准认为等效线性化处理后得到的薄膜加弯曲应力是一次加二次应力,这就等于认为非线性应力(它是加在结构应力上的增量)是峰值应力。
我国2005年重新确认的JB 4732标准释义中就介绍了对有限元计算结果进行应力分类的实施方法和步骤。其中明确推荐采用等效线性化处理方法,并指出由等效线性化处理得到的非线性应力是峰值应力,建议对压力容器承压部件沿壁厚方向选取应力分类线,这些思想都是与ASME新版和欧盟标准相吻合的。有限元分析已在我国压力容器分析设计中普遍应用。有限元计算结果的应力分类问题在我国引起了广泛的关注和深入的讨论,这些讨论对提高我国压力容器分析设计水平、尽快与国际接轨起到了促进作用。
2.3 应力分类法的适用范围
应力分类法仅适用于结构整体处于弹性状态而局部出现塑性变形的情况,简称小塑性变形情况。当结构发生显著的总体塑性变形时,简称大塑性变形情况,应力分类法将不再适用。大家知道,应力分类法是用弹性应力分析来近似地描述塑性行为和估计塑性失效可能性的。在应力分类法中引进了“名义应力(弹性计算应力)”的概念,它等于弹性模量乘总应变。然后对名义等效应力进行评定,以估计结构塑性失效的安全裕度。
这样做的前提是，弹性分析所得到的变形可以近似地代表同样载荷下已进入塑性的结构的总变形(在塑性区内,总变形为弹性变形和塑性变形之和)。这只有在结构整体处于弹性状态时才能实现,此时局部高应力区因超过屈服限而引起的塑性变形将被整体弹性变形所限制,结构总变形才能用弹性计算变形来近似。
应力分类法在应力评定时将一次应力Pm,PL和PL+Pb全都控制在按极限载荷所确定的许用值以内,都不超过1.5Sm(即不超过屈服限),因而确保了结构整体处于弹性状态的要求。于是,即使放松对二次应力和峰值应力的限制,允许它们在屈服限之上,也只会导致受到制约的局部塑性变形。正是因为这一点点的放松,使安全系数提高了3倍，甚至更多。
3应力分类法存在的问题
3.1 等效线性化处理出现模棱两可的结果
等效线性化处理的思想来自一维梁和二维板壳结构中正应力(薄膜加弯曲应力)沿厚度方向线性分布的事实,对处理三维复杂情况会出现困难。上面提到ASME新版给出了选择应力分类线的指导原则,若应力分布与该原则偏离较远,就会出现不准确的结果。此时总应力是正确的,可用于疲劳分析,而线性化得到的薄膜和弯曲应力只能提供量级上的粗略估计,如果它们比其他部位的薄膜和弯曲应力更大或相近,则必须用极限载荷法或弹塑性分析法做更为精确的分析。
大量应用实例表明,峰值应力往往出现在线性化处理有困难的三维复杂应力区,但那里的结构应力并不大,最大结构应力常发生在该区与板壳相接的部位,那里线性化处理是有效的。此时,虽然三维应力区线性化处理不准确,但用最大总应力进行疲劳校核仍是正确的,而发生最大结构应力的部位线性化处理又是可信的,所以应力分类法照样适用。
3.2 对一次应力和二次应力的分类出现意见分歧
这是讨论已久的问题,也还需要深入研究。新规范中说“对具有复杂几何形状或承受复杂载荷的部件,应力分类要求具有深入的知识和判断力。当应力分类出现意见分歧时,可以考虑:
1)进行极限分析或弹塑性分析。若能通过,就可以代替一次应力SⅠ,SⅡ和SⅢ的三项评定。另外,等效线性化得到的薄膜加弯曲应力还应做SⅣ评定,因为准则SⅣ是对循环加载情况按安定载荷定出的,不能用极限分析来代替。
2)保守地把等效线性化得到的薄膜加弯曲应力全都看作一次应力,进行SⅠ,SⅡ和SⅢ三项评定。
3)对一些重要部件(如圆柱壳开孔接管)开展深入研究,定出公认的评定方案。
4.结束语
应力分类方法对于简单的压力容器部位能给出分类结果,使得分析设计方法得以应用。而对于复杂结构的不连续部位进行应力分类存在一定的困难,如模型建立(薄壳、厚壳还有实体模型)和应力线性化等;而且分析过程很难或者不能完全符合ASME等规范的要求,因此应力分类往往成为实践分析设计方法的关键难点。同时,应力分类方法没有能够很好地找到与有限元技术和计算机软硬件水平发展的结合点,反而成为有限元应用与分析设计方法结合的瓶颈。
参考文献
[1]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(01)
[2]李建国.压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法[J].化工设备与管道. 2005(04)
[3]陸明万,寿比南,杨国义.压力容器应力分析设计方法的进展和评述[J].压力容器. 2009(10)
【关键词】压力容器；分析设计方法
中图分类号： TH49 文献标识码： A 文章编号：
引言
近年来压力容器分析设计方法取得了重大进展,颁布了以美国ASMEⅧ-2 2007版和欧盟标准EN 13445-3 2002版为代表的新一代的压力容器设计规范。我国已经发表了一批介绍和评述这两个新规范中设计方法的文章。文中将以ASME规范为主线,结合我国JB 4732和欧盟标准来展开讨论。
JB4732与GB150的设计区别主要体现在：（1）设计温度： JB4732低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高475℃）, GB150按钢材允许的使用温度确定（最高为700℃,最低为-196℃）；（2）基本安全系数： JB4732碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢：nb≥2.6,ns=nts≥1.5；奥氏体高合金钢：ns=nts≥1.5, GB150碳素鋼、低合金钢：nb≥3.0，ns=nts≥1.6，nD≥1.5,nn≥1.0；高合金钢：nb≥3.0,ns=nts≥1.5，nD≥1.5，nn≥1.0；（3）设计准则：JB4732采用塑性失效设计准则和疲劳失效设计准则,局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定,GB150采用弹性失效设计准则；（4）应力分析方法：JB4732弹性有限元法，塑性分析，塑性理论和板壳理论公式，实验应力分析，GB150以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数。
1分析设计方法
在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是:
(1)要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。
(2)强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。
(3)根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。
(4)根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为:
(1)从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。
(2)把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。
随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。
2 应力分类法
2.1 应力分类法是当今分析设计的主流方法
应力分类法有如下优点:
(1)简单。采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。应力评定时直接给出各类等效应力的许用值,因而应力分类后的强度校核与常规设计类似。
(2)通用。采用有限元软件可以对任何结构形状和载荷工况进行弹性应力分析。
(3)保守。各类应力的许用极限“已经设定在保守的水平上”,因此总体上是一种偏保守的设计方法。
(4)成熟。自1965年在ASME第Ⅲ卷正式颁发以来已经应用了47年,已被世界各国普遍采用,并公认为先进的压力容器设计方法。正是因为这些优点,应力分类法仍然是当今压力容器分析设计的主流方法。虽然ASME新版和欧盟标准都扩充了基于弹塑性分析的新方法,但都并列地推荐了应力分类法,而不是“不推荐采用基于应力分类的分析设计方法”。
目前在工程上真正应用ASME新版进行设计的实例尚未见报道,由于基础数据的缺乏和对新的设计方法没有研究清楚,国际上的知名工程公司均不允许在工程上直接采用ASME新版,仍然沿用ASME老版进行设计。
2.2 用于应力分类的等效线性化处理方法
ASME新版和欧盟标准EN在全面继承应力分类法的基本思想和基本规则的同时,还对其实施方法作出了如下关键性的增补:
(1)把经济、有效且已被工程界广泛采用的数值(有限元)分析方法作为分析设计的主要手段引入应力分类法,并规范了具体实施步骤
(2)明确肯定了有限元计算结果的等效线性化处理方法,用较多的篇幅给出了详细论述。
关于线性化处理得到的非线性应力是否是峰值应力的问题,ASME新版在中明确表示“应力分量沿贯穿壁厚的应力分类线(SCL)积分,以确定薄膜和弯曲应力分量。峰值应力分量可以直接利用本方法通过将总应力分布减去薄膜加弯曲应力分布而得到”。
曾经以为等效线性化处理的目的是寻找峰值应力,但后来发现应力评定时并不需要峰值应力,疲劳分析时用的是总应力。所以,等效线性化处理的真正目的是用扣除峰值应力的方法来寻找压力容器部件中的最大“结构应力”,即处理后得到的薄膜加弯曲应力。这正是欧盟标准只谈结构应力而不提峰值应力的原因。 “一些典型情况的应力分类”中也只讲结构应力的分类,而没有峰值应力。欧盟标准认为等效线性化处理后得到的薄膜加弯曲应力是一次加二次应力,这就等于认为非线性应力(它是加在结构应力上的增量)是峰值应力。
我国2005年重新确认的JB 4732标准释义中就介绍了对有限元计算结果进行应力分类的实施方法和步骤。其中明确推荐采用等效线性化处理方法,并指出由等效线性化处理得到的非线性应力是峰值应力,建议对压力容器承压部件沿壁厚方向选取应力分类线,这些思想都是与ASME新版和欧盟标准相吻合的。有限元分析已在我国压力容器分析设计中普遍应用。有限元计算结果的应力分类问题在我国引起了广泛的关注和深入的讨论,这些讨论对提高我国压力容器分析设计水平、尽快与国际接轨起到了促进作用。
2.3 应力分类法的适用范围
应力分类法仅适用于结构整体处于弹性状态而局部出现塑性变形的情况,简称小塑性变形情况。当结构发生显著的总体塑性变形时,简称大塑性变形情况,应力分类法将不再适用。大家知道,应力分类法是用弹性应力分析来近似地描述塑性行为和估计塑性失效可能性的。在应力分类法中引进了“名义应力(弹性计算应力)”的概念,它等于弹性模量乘总应变。然后对名义等效应力进行评定,以估计结构塑性失效的安全裕度。
这样做的前提是，弹性分析所得到的变形可以近似地代表同样载荷下已进入塑性的结构的总变形(在塑性区内,总变形为弹性变形和塑性变形之和)。这只有在结构整体处于弹性状态时才能实现,此时局部高应力区因超过屈服限而引起的塑性变形将被整体弹性变形所限制,结构总变形才能用弹性计算变形来近似。
应力分类法在应力评定时将一次应力Pm,PL和PL+Pb全都控制在按极限载荷所确定的许用值以内,都不超过1.5Sm(即不超过屈服限),因而确保了结构整体处于弹性状态的要求。于是,即使放松对二次应力和峰值应力的限制,允许它们在屈服限之上,也只会导致受到制约的局部塑性变形。正是因为这一点点的放松,使安全系数提高了3倍，甚至更多。
3应力分类法存在的问题
3.1 等效线性化处理出现模棱两可的结果
等效线性化处理的思想来自一维梁和二维板壳结构中正应力(薄膜加弯曲应力)沿厚度方向线性分布的事实,对处理三维复杂情况会出现困难。上面提到ASME新版给出了选择应力分类线的指导原则,若应力分布与该原则偏离较远,就会出现不准确的结果。此时总应力是正确的,可用于疲劳分析,而线性化得到的薄膜和弯曲应力只能提供量级上的粗略估计,如果它们比其他部位的薄膜和弯曲应力更大或相近,则必须用极限载荷法或弹塑性分析法做更为精确的分析。
大量应用实例表明,峰值应力往往出现在线性化处理有困难的三维复杂应力区,但那里的结构应力并不大,最大结构应力常发生在该区与板壳相接的部位,那里线性化处理是有效的。此时,虽然三维应力区线性化处理不准确,但用最大总应力进行疲劳校核仍是正确的,而发生最大结构应力的部位线性化处理又是可信的,所以应力分类法照样适用。
3.2 对一次应力和二次应力的分类出现意见分歧
这是讨论已久的问题,也还需要深入研究。新规范中说“对具有复杂几何形状或承受复杂载荷的部件,应力分类要求具有深入的知识和判断力。当应力分类出现意见分歧时,可以考虑:
1)进行极限分析或弹塑性分析。若能通过,就可以代替一次应力SⅠ,SⅡ和SⅢ的三项评定。另外,等效线性化得到的薄膜加弯曲应力还应做SⅣ评定,因为准则SⅣ是对循环加载情况按安定载荷定出的,不能用极限分析来代替。
2)保守地把等效线性化得到的薄膜加弯曲应力全都看作一次应力,进行SⅠ,SⅡ和SⅢ三项评定。
3)对一些重要部件(如圆柱壳开孔接管)开展深入研究,定出公认的评定方案。
4.结束语
应力分类方法对于简单的压力容器部位能给出分类结果,使得分析设计方法得以应用。而对于复杂结构的不连续部位进行应力分类存在一定的困难,如模型建立(薄壳、厚壳还有实体模型)和应力线性化等;而且分析过程很难或者不能完全符合ASME等规范的要求,因此应力分类往往成为实践分析设计方法的关键难点。同时,应力分类方法没有能够很好地找到与有限元技术和计算机软硬件水平发展的结合点,反而成为有限元应用与分析设计方法结合的瓶颈。
参考文献
[1]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(01)
[2]李建国.压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法[J].化工设备与管道. 2005(04)
[3]陸明万,寿比南,杨国义.压力容器应力分析设计方法的进展和评述[J].压力容器. 2009(10)