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2 0 余 热 锅 炉2 0 l 1 4 压力容器分析设计方法和标准简介与比较 杭州锅炉集团股份有限公司 许志贵 摘要压力容器分析设计方法是除常规设计方法外的另一选择， 计算机软硬件的 发展使得分析设计有 了完全实现的可能， 相应的标准规范也在逐步完善和发展， 本文对 分析设计标准E N 1 3 4 4 5 ， A S ME V I I I 一 2 , J B 4 7 3 2的内容与进展进行介绍和比较。 关键词压力容器 分析设计 标准 1 前言 2 压力容器分析设计方法 压 力容器 是化 工、 石油 化工、 冶金、 轻 工、 纺织、 机械 以及航 空航天 工业 中广泛使 用的承压设备。 尽管各类压力容器设备功能 各异、 结构复杂程度不一 ， 但从整体上看， 一 般以薄壁 的旋转 壳为主要构型， 同时结构上 又可把整体分解为筒体、 封 头、 法兰、 开孔、 接管、 支座等部件。 压 力容器 设计方法 有 两种， 分别对应 两种设计规范 ：传统的设计方法， 称为按规 则设计， 它的基本思想是并不需要对压力容 器的各个部位进行详细的应力分析 ， 而是结 合经 典力学理论和经验 公式对 压力容器部 件 的设计做一些规定， 如 ： 选材、 安全系数、 特 征尺寸、 制造工艺等都必须满足一定 的条 件。 另一种更科学更严密的设计规范分析设 计方法， 要求对压力容器进行应力分析和疲 劳分析， 由于这种定量分析结果使结构趋于 更合理， 因此 ， 用该规范设计的容器， 可 以达 到较高的应力而并不削弱安全裕度。 近年来， 随着石油化工、 化工、 医药等领 域装置大型化的趋势， 对设备安全性和轻量 化等要求 日益提高 ， 使得分析设计方法在压 力容器设计中的应用越来越普遍。 压力容器规则设计是以弹性失效准则， 采用 的是第一强度理沦 ， 设计计算公式主要 是材料力学和板壳理论为基础 。 这些公式均 以显式表达 ， 给 出了压力、 许用应力、 容器主 要尺寸之间的关系 但这些并不是建立在对 容器及其 部件进行 详细 的应力分析基础之 上 。 分析设计 以塑性失效准则， 采用的是第 三 ( 四)强度理沦 ， 设计计算手段是弹塑性 力学理论和应力分析 ， 安全系数比规则设计 小， 材料和制造检验 比规 则设计要求高。 分 析设 计允许 结构 内出现可控制 的局部塑性 变形， 允许对峰值应力部位进行有限寿命设 计 。 分析设计不但有效防止 了相关 的失效模 式产生， 而且还充分地发挥 了材料的承载潜 力。 应力分析 的方法手段 一般有三种 ： 解 析方法 ， 数值方法和实验应 力分析 。 解析方 法采用 弹性 力学方法， 通过平衡方程 、 几何 方程、 物理方程、 变形协调方程及边界条件 求得 问题 的解答。 但上述方程都是偏微分方 程， 只有在轴对称等特殊情况下才能求解， 如果结构复杂或者载荷 复杂 ， 求解便会非常 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉 2 0 1 1 4 2 1 困难 。 数值 方 法 最 常 用 的 是 差 分法 和 有 限 元法 ， 有 限元法 是对 问题 的一 种物 理近 似 法， 它从 能量 原理 出发 ， 对 结构进行 离散化 处理。 即把连续 的弹性体 设想为 由许 多， 然 而 又是 有 限个单 元组 成。 有 限元法 的迅速 发展， 其许多优越性 是差分法 不具备 的， 所 以目前有限元法是解 决工程 问题 的常用方 法 。 目前通用的有限元分析软件有 ANS YS 、 NAS T R AN、ADI NA、AB AQ US和 MAR C 等 ， 各种软件均有 各 自的优缺 点。 同时还 有 一 些专业性 的有 限元 软件 ： P R G F E P I P E、 飞箭 V AS等等。 实验应力分析 是用物理模型或 实物 对 结构进行应力分析的一种方法 。 主要有应变 电测法和光测弹性 力学法 。 一般有确定控制 应力的实验， 确定极 限载荷的实验和疲劳实 验等等。 它和解析方法、 数值方法并驾齐驱。 目前可能存在 一个错误 的理解 ： 认为 压力容器分析设 计就一定 是有限元软件 的 应力分析设计， 其实有限元应 力分析只是应 力分析方法之一数值法 的一种 ， 采用解 析解推导的公式计算或者采用实验应力分 析 同样也是属于分析设计 。 这一点标准框架 中体现 很 明显 ：无论 是 J B 4 7 3 2( 附录 A) ， 还 是 AS ME VI I I 一 2( P a r t 4 ) ， 里面 都提供 了 针 对常 见结 构 的解 析 分析 计算 方法 。 简 言 之 ， 分析设计是一种 设计计算 方法和准则， 有限元应力分析是实现它的一种计算手段。 一 般应力分析 设计采用两种基 本 内容 和方法 ， 一是直接弹 塑性分析法 ， 进行极 限 载荷 和安 定性 分析 。 一 是进 行 弹性应 力分 析， 采取塑性 理论对应 力分类进行 评定。 直 接弹塑性分析要考虑材料本构关系， 计算时 间长， 对 分析 人员和计算 机硬件要 求高。 弹 性应力分析假设材料为线弹性， 计算时问 短， 对分析人员和计算机硬件要求相对低 。 3 压 力容器分析设计标准 目前压 力容器分析设计标准 比较常用 的 是 E N 1 3 4 4 5 ，AS ME VI I I 2和 J B 4 7 3 2 ， 各标准之间存在一定的渊源 ， 同时又 由于发 展和更新不同存在较大的差异 。 3 1 压力容器分析设计标准 E N I 3 4 4 5 E N 1 3 4 4 5在 设 计 部 分 的 正文 总 体 引 入 了应 力分类 及 其评 定 的理念， 但 采用 以 公 式 直 接 表 示 的 方 法 ， 即 DB F ( De s i g n B y F o r mu l a ) 法 ， 并包括 了简化的和详细的两种 疲劳寿命评 定方法 。 此外 ， 在资料性 附录 B 和 C中列入 了直接 法 ( De s i g n B y A n a l y s i s Di r e c t R o u t e ) 和基于应 力分类法 ( De s i g n B y A n a l y s i s - Me t h o d b a s e d o n s t r e s s c a t e g o r i e s ) 两种按分析设计方法 C l l 。 在 D B F法 中所 包括 的元 件类 别基 本 上 己涵盖 了一般压力容器的所有常用元件 ， 并且在不能 免除疲劳分析 时可 以按正文 中 所规定的简化或详细的疲劳分析。D B A法 是作为 DB F法之外 的 另一种方法 ， 或是当 DB F法中未列入 的结构和载荷元件， 以及当 元件成形后形状偏差超标时的补充 。 在 E N 1 3 4 4 5： 2 0 0 2中第一次 以标准规 范的方式明确提 出了压力容器可能发生的 5 种失效模式 以及 防止失效所采用 的评定条 件 ：即总体塑性变 形、 渐增 的塑性变形、 失 稳、 疲劳失效和静态平衡 等失效， 在其 2 0 0 9 版中又增加了蠕变失效。 在这些失效模式中 还考虑了极端失效和操作失效 。 除了附录 C的应力分类方法 以外， 在规 定性 附录 B中给 出了基 于弹 塑性分析的 直接法 。 E N 1 3 4 4 5规定， 采用直接法进行弹 塑性分析时， 针对 以上提及 的不 同失效模式 采用 了不同的具体分析方法， 这些方法的实 施均包括以下过程 ： ( 1 )确定各种载荷以及材料性能的分 安全系数 ； ( 2 )构造模型并加载 ( 加载值为载荷 值与对应分安全系数之积 )； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 余 热 锅 炉 2 0 1 1 4 ( 3 )运算和分析 ； ( 4 )按极 限条件 进行 比较 ( 材料性 能 参数的设计值为材料性能特性值除以对应 的分安全系数) 。 但针对不同的失效模式， 各个过程的具 体实施方法有所不同。 3 2压 力容器分析设计标准 A S M E V l l l _ 2 美 国 AS ME委员会根据 P VR C几十年 来的研究工作成果于 2 0 0 7年颁布 了从内容 到形式都是全 新的锅炉和压力容器规范第 八卷第 2 分篇， 即 2 0 0 7 E d i t i o n VI I I 2 。 在新版规范中， 将规则设计和分析设计 并列， 形成相互独立 又相互补充的两部分。 在老规范 中分析设计 的内容是 以附录 的形 式存在。 新规范把老规范的 “ 附录 4以应力 分析 为基础 的设计 ”和 “ 附录 5以疲 劳分 析为基础的设计 ”全新改写， 上升为规范正 文， 与规则设计并列 ， 分别称 为 “ 第 4部分 规则设计的要求 ”和 “ 第 5部分 分析设计 的要求” J 。 规则设计和分析设计两者的独立性表 现为 ： 规则设计能独立完成的设计， 可以直 接应 用， 而不必再做分析设计。 分 析设计所 完成 的设计， 也不受规则设计能否通过 的影 响。 两者的互补性表现为 ： 规则设计 不能独 立完成的设计 ( 比如疲劳分析 ， 复杂几何形 状和载荷情况 ) ， 可 以用分析设计来补充完 成。 与 E N 1 3 4 4 5规 范 一 样，新 版 AS ME VI I I 2是一部面 向失效模式的规 范， 它以失 效模式 为主线 来编 制 分析设计 规则， 提 出 评定 的要求和实施方法 。 针对不同的失效模 式， 规定 了不同的设计技术方法和相应的设 计准则。 所考 虑的 4种失 效模 式为 ： 整体塑性 垮塌 失效、 局部失效、 失稳垮塌失效、 循环载 荷 引起 的失效 ， 包 括疲劳和棘轮 。 为评 定防 止上述失效模式所提供 的分析设计方法 ： ( 1 )防止塑性 垮塌 ： 提 供 了弹性应 力 分析、 极限载荷分析和弹塑性应力分析 3 种 方法 ； ( 2 )防止局部失效 ：提供 了弹性分析 和弹塑性分析 2种方法 ； ( 3 )防止失稳垮塌 ： 对 3 类 数值分析 方法提供了基于设计系数的评定方法 ： ( 4 )防止循环失效 ：对疲劳分析 的免 除提供 了 3种筛选准则 ， 对疲劳评定提供 了 弹性应力分析和弹塑性应力分析 2 种方法， 对棘轮评定也提供 了弹性应 力分析和弹塑 性应力分析 2种方法。 表1 A S ME VI I I - 2中列出的失效模式及评定方法 失效模式 塑性垮塌 局部失效 失稳垮塌 疲劳破坏 弹性应力分析 弹性分析 弹性应力分析 弹性应力分析 极限载荷分析 分析评定方法 弹塑性分析 弹塑性应力分析 弹塑性应力分析 弹塑性应力分析 在新规范中引入载荷系数 的概念， 使用 该系数的意义实际上与 E N 1 3 4 4 5 直接法中 关于载荷和材料的分安全系数相同。 载荷系 数的取值与分析设计方法和载荷组合工况 有关， 该系数的使用连同材料性能参数的安 全系数一起构成 了分析设计结果 的安全裕 量。 但在极 限载荷法和弹塑性方法 中， 材 料 的安全系数 已被组合到载荷系数之中。 与老版标准相 比， 特 别是针对极限载荷 分析和弹塑性分析， 不再是简单概念上的阐 述， 而是在数值分析、 合格准则和评定方法 上罗列出较为详细的步骤方法， 使得极限载 荷分析和弹塑性分析具有较高的可操作性。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉 2 0 1 1 4 3 3压力容器分析设计标准 J B 4 7 3 2 1 9 9 5年公布 的 J B 4 7 3 2 ( 压力容器 分 析设计标准 1 总体上参照了当时或更以前的 AS ME VI I I 2 ， 并且在其 正文和 标准释 义中 对某些应力的定义和特性作了修改 4 】 。 除 了在附录 A所列解析解 的应力 分析 方法 ， 主要采用弹性应 力分析法 。 虽然参 照 原 AS ME VI I I 2也列有对塑性分析的阐述， 但仅原则性地提及 ， 与新的 AS ME VI I I 2相 比， 其可操作性是远远不够的。 4 压力容器分析设计标准 比较和讨论 E N 1 3 4 4 5和新版 AS ME I I 2都提 出 了 2种设计方法 ：规则设计和分析设计 ， 两 种方法相互独立又相互补充 。 两个标准 中分析设计 都提 及应力分类 法和弹 塑性方法 ( 直接法) ， 都 以失效模式 为主线来编制 分析设计规则， 提 出评定的要 求和实施方法。 但对于具有复杂几何形状和 或 复杂载荷 条件 的元件 ， 应力 分类 需要高 水准的知识和识别力。 对应力分类方法可以 产 生模棱两可结果的情况 ， 分别推荐极 限载 荷或弹 塑性分析方法。 分析 设计 中弹 塑 性方法 都较前几版 本有 了非常大 的改变 ， 不再是对弹 塑性理 论概念上 的阐述， 从模 型、 数值分析 、 合格准 则和评定方法上给 出较为详细 的步骤方法 ， 具有很强的操作性， 这也得益于近来数值分 析和分析计算软件 的快速发展 。 标准在扩充弹 塑性方法 的同时， 并没 有否定或抛弃应力分类法 。 应力分类方法的 理论基础来源于板壳理论 ， 其配套 的强度条 件即依据理论， 同时也依据试验结果和工程 经验。 但在应力分类法中应 力分布和分类存 在较大的争议， 业 内许多专家学者都进行过 激烈讨论 。 因此， 当具体使用应 力分类法进 行设计 时， 不但要求使用者对该方法 的理论 依据有充分的理解， 并要求使用者清楚了解容 器承受的载荷、 详细的结构尺寸等信息 5 - - 2 ” 。 5 综述 前面介绍了压力容器分析设计方法和 标准规范 ， 但 由于标准 体系的复杂性， 基于 线弹性分析 的应 力分类法存在 的缺陷， 以及 目前行业 内对 应力分布和分类理解和使用 的分 歧， 在 实 际工程 的应 力分 析设计应 注 意 ： ( 1 )弹性应 力分析法 目前 虽然有一定 的争 议， 但 是仍 不 失为 一种简 单有效 的方 法。 使用者需较好地理解各项应 力的产生原 因以及分布情况， 才 能合理准确地进行应力 分类评定 。 比较适用 目前通用的一些结构。 ( 2 )弹 塑性方 法 虽然能较好 弥补 弹 性应力分类法 的缺陷， 但是对设计人员的要 求大大 提高 ， 要 求对 分析过 程和 结果更 谨 慎 。 比较适用新产 品研发和一些可靠性要求 较高的结构。 当对 结构应力分类存在意见分歧时， 可 以考虑 以下措施 【 ： ( 1 )进行极 限分析或弹 塑性分析， 如 通过 ， 可代替一次应力 S 、S S 的三项评 定。 另外等效应力线性化得到的薄膜应力加 弯曲应力还应做 S w的评定。 ( 2 )保守地把等效线 性化得到的薄膜 应 力和 弯 曲应 力 全都 看成 一次应 力， 进行 S 、S l I 、S I I l 的三项评定 。 参考文献 ( 1 ) E N1 3 4 4 5 ， Un fi r e d P r e s s u r e V e s s e l S 2 0 0 9 ( 2)Ze ma n ， J L ， P r e s s ure Ve s s e l De s i g n：Th e Di r e c t Ro u t ， E l s e v i e r L t d ， 2 0 0 6 ( 3)AS M E VI I I - 2 Ru l e s f o r C o n s t r u c t i o n o f P r e s s ure V e s s e l Al t e ma fi v e R u l e s S 2 0 1 0 ( 4 ) J B 4 7 3 2 - 1 9 9 5 ( 2 0 0 5年确认 ) ， 钢制压力容 器 分析设计标准 S 】 ( 5 )丁伯民 分析设计方法和各类应力特性的 讨论 J 】 压 力容 器， 2 4( 4 ) ， 2 0 0 7 ( 下接第 5 页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 1 4 5 汽品质满足要求 ， 减少爆管的可能性。 ( 4 )锅炉 启动排汽管道上设 置 了调节 阀， 对锅炉的超压保护更有利。 5 2高温高压余热锅炉运行的注意事项 高温高压干熄焦余热锅炉同中温中压 干熄焦余热锅炉一样 ， 为保证整个千熄焦系 统 的安全运 行， 进而 不影 响焦 炉 的正常 生 产， 在生产和运行时需要注意以下事项 ： ( 1 )锅炉受热面管须经严格检测， 保证 在制造、 焊接、 安装和酸洗中无缺陷 ( 2 )锅炉水 处理必须遵 守 锅炉水处 理监督管理规则； ( 3 )保持锅炉正常的汽温汽压 ： ( 4 )均衡给水， 保持汽包正常的水位 ； ( 5 )注意过热器 出口温度 、 省煤器出口 温度和锅炉给水温度的控制， 避免发生超温 爆管和 因低温引起的给水含氧出现 ； ( 6 )采取防磨措施并在停炉或年修时 检查 ， 避免循环气体 中的颗粒对锅炉设备造 成严重磨损 。 6 结束语 为了提高竞争力和可持续发展， 我国钢 铁企业联合的重组步伐不断加快， 对能耗和 环保的利用要求将会越来越严格 干熄焦余 热锅炉采用干法熄焦， 整个工艺过程在封闭 设备中进行， 大大降低了环境污染， 并能充 分 回收利用余热资源 ， 作为一种新型节能与 环保技术将得到大力推广。 随着我国焦炭产 量的增长和焦炉的大型化， 发电能力更强的 高温高压将是干熄焦余热锅炉的发展方向。 通过长期工程验证， 高温高压干熄焦余热锅 炉的安全运行是没有 问题 的， 在一定程度上 比中温 中压干熄焦余热锅炉还安全。 虽然 目 前国 内的干熄焦余热锅炉基本都 是单压干 熄焦余热锅炉， 但 由于双压具有 占地少、 循 环风机能耗低和 比高温高压更节能等优点， 其发展前景比较广阔。 ( 上接第 2 3 页 参考文献 ) 6 ) 朱磊 关于 “ 对分析设计方法和各类应力 特性的讨论” 一文的几点意见 J 】 压力容器， 2 4 ( 4 ) ， 2 0 0 7 ( 7 ) 丁伯民 对 “ 关于 对分析设计方法和各 类应力特性的讨论一文的几点意见”的答复和说 明 J 】 压力容器，2 4( 4 ) ，2 0 0 7 ( 8 】 朱磊 对 “ 对 关于 对分析设计方法和 各类应力特性的讨论一文的几点意见的答复和 说明”的回复 J 压力容器，2 4( 4 ) ，2 0 0 7 ( 9 )丁伯 民 对欧盟标准 E N1 3 4 4 5基于应力 分类法分 析设计 的理解 兼 谈和 AS ME VI I I 2的区 别和联 系 J 】 压力容器，2 4( 1 ) 2 0 0 7 ( I O )郑滓洋 “ 对欧盟标准 E N1 3 4 4 5基于应 力分类法分析设计的理解”一文的几点商榷意见 J 1 _