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【摘要】本文主要从压力容器可靠性的衡量指标、安全评定在压力容器和管道技术中的应用、优化设计基本原理、对可靠性分析的建议等方面进行了探讨。
【关键词】压力容器；设计；可靠性
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
压力容器在我国的应用越来越广泛，其安全性受到了企业的重视，所以压力容器设计中可靠性就成为研究的重中之重。
二、压力容器可靠性的衡量指标
近几年来,我国发生的压力容器爆炸事故的主要原因:一是这些设备存在着较严重的先天性缺陷,即设计结构不合理、选材不当、强度不够、制造质量低劣等;二是使用管理不善,即错误操作、超负荷使用、失检失修及安全装置失灵等。其次,在压力容器的使用中对安全工作不够重视,缺乏安全意识和科学的管理方法。
据不完全统计,2001年-2006年期间,我国发生了数百起压力容器爆炸事故。其原因:属于设计方面的原因占22.1%,属于制造方面的原因占27.8%,由于失检失修的原因占20.8%,由于超负荷使用的原因占14.3%,因错误操作的原因占8.8%,其他方面原因占6.1%左右。
对压力容器而言,除了将因长期运行材料劣化到极限状态而寿命终结视为不可修复系统之外,一般都可当作可修复系统来处理问题。可靠性衡量指标可归纳为下面两类:
1.概率指标。包括可靠度R(t)、不可靠度F(t),可用度A(t)、不可用度(强迫停运率)Q(t),概率密度函数f(t)、故障入(O)和修复率件(t)等。
2.时间指标。包括平均故障间隔MTBF、失效前平均时间。MTTF、故障的平均持续时间MTTR等。从压力容器设计,制造、使用的全过程来说,其可靠性又分为固有可靠性(设计制造确立的)、工作可靠性(运行时的可靠性)和使用可靠性(使用中由于各种因素影响而获得的),对压力容器的固有可靠性要求为99.9%,对工作可靠性的主观概率为100%。为此,必须对压力容器从设计、制造、使用环境、操作狀况、检修等各个方面采取措施,开展可靠性工作。
所有的容器都含有某些尺寸及型式的缺陷,如材料缺陷、焊接缺陷或设计几何的偏差等。这些缺陷能降低发生断裂时的应力。因此,如在一容器中有足够大的缺陷时,其断裂应力可低于规范中一般按最大变形考虑所规定的许用应力。从上面的事故统计数字中也可看出缺陷对事故的重要影响。近来,许多机构已要求将评定这些缺陷的影响作为压力容器设计规范的一部分,并努力提高这些方法的准确性,以提高压力容器的可靠性。
三、安全评定在压力容器和管道技术中的应用
断裂力学的出现和发展，为压力容器的安全评定提供了有力的手段。由于实际和工程构件的断裂力学评定所依据的基本事件具有不确定性，而实际应用中断裂力学都采用定性定量，这就使断裂力学的工程分析方法的可靠性很低，自然带来了偏差和不确定性因素。考虑压力容器所承受载荷、材料断裂韧性、裂纹尺寸等参数的随机特征，应用可靠性理论来解决更具准确性。
安全评定在压力容器和管道技术中的应用，自70年代已引起了广泛的重视,主要是由于核电和海上采油事业发展的需要。日本早在1975年即在钢结构协会成立“安全可靠性研究组”,1978年无损检测委员会进行了“设备使用中定期检查有效性”研究，1983年JWES断裂力学缺陷评定规范中已列入可靠性方法的评定。英国在80年代初就颁布了可靠性标准。我国于80年代初开始对压力容器可靠性工程进行研究，在球罐、高温高压换热器、贮罐等装置中取得了一定进展，获得显著的经济和社会效益;开展了带焊接缺陷结构的完整性研究，并将模糊集理论引入压力容器可靠性评估。由于核容器的安全性一直是大家很关注的问题，国外学者在核容器的可靠性分析及核容器和核管道的结构完整性评定中采用概率断裂力学方法进行了大量研究，取得了大量成果。
四、优化设计基本原理
1.优化设计是近年来发展起来的一门新的学科，它在解决复杂问题时，能定量地从众多的设计方案中找到尽可能完美的或最适宜的设计方案，故在工程实际中的应用越来越广泛。优化设计是数学规划和计算机技术相结合的产物，是一种将设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参数指标的函数，称为目标函数；然后在产品规定的性态、几何和运动等其它条件的限制范围内，称为约束条件；寻找一个或多个目标函数最大或最小的设计变量组合的数学方法。进行优化设计时，首先要把实际设计问题转化为优化设计的数学模型。在明确设计变量、约束条件、目标函数之后，优化设计问题数学模型的一般形式为：
求设计变量ｘ＝［ｘ１ｘ２…ｘｎ］Ｔ使目标函数ｆ（ｘ）的值最小ｍｉｎｆ（ｘ）且满足约束条件ｇｊ（ｘ）≤０，ｊ＝１，２，…，ｍｈｋ（ｘ）≤０，ｋ＝１，２，…，ｐｈｌ（ｘ）＝０，ｌ＝１，２，…，ｑ式中：ｎ－设计变量的个数；ｍ－性能约束条件的个数；ｐ－几何约束条件的个数；ｑ－设计变量之间的约束条件个数。
2.有限元法进行优化设计的基本过程
利用大型通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ进行优化设计，可按照以下４个步骤进行：
（一）建立参数化的有限元分析文件有限元分析文件的建立在整个优化设计中具有重要的意义，分析文件建立的正确与否会影响最终的优化设计结果。该文件的建立可采用两种方法：一种是直接编辑法，另一种是基于ＡＮＳＹＳ的交互式方法。建立参数化的有限元分析文件包括以下内容：单元类型的选择、实常数的输入、材料特性参数的选择、实体模型的建立、对实体模型的网格划分即有限元模型的建立、分析类型的选择、约束条件及载荷的确定、求解以及对分析结果中相关数据的提取。
（二）根据求解问题，在ＡＮＳＹＳ数据库中建立与分析文件中的变量相对应的设计参数。
（三）执行优化计算执行优化设计计算时，首先进入ＡＮＳＹＳ优化设计的模块，指定已经建立的分析文件。
五、建议
在压力容器检验中,人们常常会发现发生于母材的各种腐蚀缺陷,如点腐蚀、均匀腐蚀,出现筒体壁厚减薄现象,材料的强度具有离散性,即使同一种材料,在相同的热处理规范和试验条件下,其强度值也呈现不同程度的波动;零部件所受的应力也因其尺寸、形状的误差以及表面加工粗糙度的不同而呈现不同程度的波动;此外,所受的载荷,即使是静载荷也不是完全确定性的。所以,只有将这些设计参数看作服从某种分布的随机变量,建立统计数学模型,运用概率统计方法进行计算,才能全面地描述校核对象,所得结果才更符合实际情况。我们把这种运用概率统计方法进行的分析称为可靠性分析或失效分析。
1.可靠性设计比常规设计具有众所周知的优点,而可靠性分析法也能很好地应用于在用压力容器的强度校核分析。可靠性分析法不仅能在预设的允许破坏概率下设计出容器筒体的壁厚,而且能在在用耗损的状态下计算出其继续使用的可靠度。这将为企业有关负责人做重要决策时提供量化的科学依据。
2.对在用压力容器进行强度校核前,必须按照TSGR7001-2004《压力容器定期检验规则》对设备内外进行详细检查,在不违背国家有关法规规定的情况下,才能应用可靠性分析进行强度校核分析。
3.本文试以在用受内压钢制压力容器筒体壁厚均匀腐蚀减薄,对其进行强度校核为例,说明可靠性分析方法的应用。可靠性分析方法应用范围远不仅于此,它不仅可用于各种压力容器的静强度计算,也可以用于疲劳分析和断裂力学计算等方面。
六、结束语
有压容器的设计是其质量保证的基础，有压容易在其使用过程中非常容易出现一些问题，所以对其进行可靠性分析的计算是具有现实意义的，也应该受到越来越广泛的重视。
参考文献：
[1]路智敏.压力容器壳体的可靠性设计及在固体火箭发动机壳体上的应用.北京交通大学.2013年3月，第2期，166-168.
[2]陆江丽.可靠性方法在压力容器设计中的应用研究.西北大学.2012年4月，第4期,243-247.
[3]许锐敏.压力容器设计中的常见问题及防范策略.产业与科技论坛.2013年10月，第9期，110-115.
【关键词】压力容器；设计；可靠性
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
压力容器在我国的应用越来越广泛，其安全性受到了企业的重视，所以压力容器设计中可靠性就成为研究的重中之重。
二、压力容器可靠性的衡量指标
近几年来,我国发生的压力容器爆炸事故的主要原因:一是这些设备存在着较严重的先天性缺陷,即设计结构不合理、选材不当、强度不够、制造质量低劣等;二是使用管理不善,即错误操作、超负荷使用、失检失修及安全装置失灵等。其次,在压力容器的使用中对安全工作不够重视,缺乏安全意识和科学的管理方法。
据不完全统计,2001年-2006年期间,我国发生了数百起压力容器爆炸事故。其原因:属于设计方面的原因占22.1%,属于制造方面的原因占27.8%,由于失检失修的原因占20.8%,由于超负荷使用的原因占14.3%,因错误操作的原因占8.8%,其他方面原因占6.1%左右。
对压力容器而言,除了将因长期运行材料劣化到极限状态而寿命终结视为不可修复系统之外,一般都可当作可修复系统来处理问题。可靠性衡量指标可归纳为下面两类:
1.概率指标。包括可靠度R(t)、不可靠度F(t),可用度A(t)、不可用度(强迫停运率)Q(t),概率密度函数f(t)、故障入(O)和修复率件(t)等。
2.时间指标。包括平均故障间隔MTBF、失效前平均时间。MTTF、故障的平均持续时间MTTR等。从压力容器设计,制造、使用的全过程来说,其可靠性又分为固有可靠性(设计制造确立的)、工作可靠性(运行时的可靠性)和使用可靠性(使用中由于各种因素影响而获得的),对压力容器的固有可靠性要求为99.9%,对工作可靠性的主观概率为100%。为此,必须对压力容器从设计、制造、使用环境、操作狀况、检修等各个方面采取措施,开展可靠性工作。
所有的容器都含有某些尺寸及型式的缺陷,如材料缺陷、焊接缺陷或设计几何的偏差等。这些缺陷能降低发生断裂时的应力。因此,如在一容器中有足够大的缺陷时,其断裂应力可低于规范中一般按最大变形考虑所规定的许用应力。从上面的事故统计数字中也可看出缺陷对事故的重要影响。近来,许多机构已要求将评定这些缺陷的影响作为压力容器设计规范的一部分,并努力提高这些方法的准确性,以提高压力容器的可靠性。
三、安全评定在压力容器和管道技术中的应用
断裂力学的出现和发展，为压力容器的安全评定提供了有力的手段。由于实际和工程构件的断裂力学评定所依据的基本事件具有不确定性，而实际应用中断裂力学都采用定性定量，这就使断裂力学的工程分析方法的可靠性很低，自然带来了偏差和不确定性因素。考虑压力容器所承受载荷、材料断裂韧性、裂纹尺寸等参数的随机特征，应用可靠性理论来解决更具准确性。
安全评定在压力容器和管道技术中的应用，自70年代已引起了广泛的重视,主要是由于核电和海上采油事业发展的需要。日本早在1975年即在钢结构协会成立“安全可靠性研究组”,1978年无损检测委员会进行了“设备使用中定期检查有效性”研究，1983年JWES断裂力学缺陷评定规范中已列入可靠性方法的评定。英国在80年代初就颁布了可靠性标准。我国于80年代初开始对压力容器可靠性工程进行研究，在球罐、高温高压换热器、贮罐等装置中取得了一定进展，获得显著的经济和社会效益;开展了带焊接缺陷结构的完整性研究，并将模糊集理论引入压力容器可靠性评估。由于核容器的安全性一直是大家很关注的问题，国外学者在核容器的可靠性分析及核容器和核管道的结构完整性评定中采用概率断裂力学方法进行了大量研究，取得了大量成果。
四、优化设计基本原理
1.优化设计是近年来发展起来的一门新的学科，它在解决复杂问题时，能定量地从众多的设计方案中找到尽可能完美的或最适宜的设计方案，故在工程实际中的应用越来越广泛。优化设计是数学规划和计算机技术相结合的产物，是一种将设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参数指标的函数，称为目标函数；然后在产品规定的性态、几何和运动等其它条件的限制范围内，称为约束条件；寻找一个或多个目标函数最大或最小的设计变量组合的数学方法。进行优化设计时，首先要把实际设计问题转化为优化设计的数学模型。在明确设计变量、约束条件、目标函数之后，优化设计问题数学模型的一般形式为：
求设计变量ｘ＝［ｘ１ｘ２…ｘｎ］Ｔ使目标函数ｆ（ｘ）的值最小ｍｉｎｆ（ｘ）且满足约束条件ｇｊ（ｘ）≤０，ｊ＝１，２，…，ｍｈｋ（ｘ）≤０，ｋ＝１，２，…，ｐｈｌ（ｘ）＝０，ｌ＝１，２，…，ｑ式中：ｎ－设计变量的个数；ｍ－性能约束条件的个数；ｐ－几何约束条件的个数；ｑ－设计变量之间的约束条件个数。
2.有限元法进行优化设计的基本过程
利用大型通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ进行优化设计，可按照以下４个步骤进行：
（一）建立参数化的有限元分析文件有限元分析文件的建立在整个优化设计中具有重要的意义，分析文件建立的正确与否会影响最终的优化设计结果。该文件的建立可采用两种方法：一种是直接编辑法，另一种是基于ＡＮＳＹＳ的交互式方法。建立参数化的有限元分析文件包括以下内容：单元类型的选择、实常数的输入、材料特性参数的选择、实体模型的建立、对实体模型的网格划分即有限元模型的建立、分析类型的选择、约束条件及载荷的确定、求解以及对分析结果中相关数据的提取。
（二）根据求解问题，在ＡＮＳＹＳ数据库中建立与分析文件中的变量相对应的设计参数。
（三）执行优化计算执行优化设计计算时，首先进入ＡＮＳＹＳ优化设计的模块，指定已经建立的分析文件。
五、建议
在压力容器检验中,人们常常会发现发生于母材的各种腐蚀缺陷,如点腐蚀、均匀腐蚀,出现筒体壁厚减薄现象,材料的强度具有离散性,即使同一种材料,在相同的热处理规范和试验条件下,其强度值也呈现不同程度的波动;零部件所受的应力也因其尺寸、形状的误差以及表面加工粗糙度的不同而呈现不同程度的波动;此外,所受的载荷,即使是静载荷也不是完全确定性的。所以,只有将这些设计参数看作服从某种分布的随机变量,建立统计数学模型,运用概率统计方法进行计算,才能全面地描述校核对象,所得结果才更符合实际情况。我们把这种运用概率统计方法进行的分析称为可靠性分析或失效分析。
1.可靠性设计比常规设计具有众所周知的优点,而可靠性分析法也能很好地应用于在用压力容器的强度校核分析。可靠性分析法不仅能在预设的允许破坏概率下设计出容器筒体的壁厚,而且能在在用耗损的状态下计算出其继续使用的可靠度。这将为企业有关负责人做重要决策时提供量化的科学依据。
2.对在用压力容器进行强度校核前,必须按照TSGR7001-2004《压力容器定期检验规则》对设备内外进行详细检查,在不违背国家有关法规规定的情况下,才能应用可靠性分析进行强度校核分析。
3.本文试以在用受内压钢制压力容器筒体壁厚均匀腐蚀减薄,对其进行强度校核为例,说明可靠性分析方法的应用。可靠性分析方法应用范围远不仅于此,它不仅可用于各种压力容器的静强度计算,也可以用于疲劳分析和断裂力学计算等方面。
六、结束语
有压容器的设计是其质量保证的基础，有压容易在其使用过程中非常容易出现一些问题，所以对其进行可靠性分析的计算是具有现实意义的，也应该受到越来越广泛的重视。
参考文献：
[1]路智敏.压力容器壳体的可靠性设计及在固体火箭发动机壳体上的应用.北京交通大学.2013年3月，第2期，166-168.
[2]陆江丽.可靠性方法在压力容器设计中的应用研究.西北大学.2012年4月，第4期,243-247.
[3]许锐敏.压力容器设计中的常见问题及防范策略.产业与科技论坛.2013年10月，第9期，110-115.