压力容器筒体可靠性设计研究

1 l 8 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y D e s i g n&Ma n u f a c t u r e 第 1 2期 2 0 1 1 年 1 2月 文章编号： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 1 ) 1 2 一 叭 1 8 0 2 压力容器筒体可靠性设计研究 木 刘有艳周昌玉 ( 南京工业大学 机械与动力工程学院， 南京 2 1 0 0 0 9 ) S t u d y on r e l i a b i l i t y d e s i g n o f p r e s s u r e v e s s e L I U Y o u - y a n， Z HOU C h a n g y u ( N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ) 【 摘要】 压力容器可靠性设计时需 要考虑各个变量的不确定性。 根据压力容器和管道中相关腐蚀理 论的具体应用， 考虑腐蚀深度随时间的动态变化， 将压力容器筒体的可靠性计算和腐蚀裕量的可靠性联系 起来。 利用蒙特卡洛方法对压力容器筒体设计进行模拟， 并对某一压力容器进行了可靠性分析， 得到在某 一 特定失效概率下的筒体设计壁厚。 最后根据计算结果， 得到设计变量对容器可靠度的敏感性， 并对这些 变量的灵 敏度分析和探讨， 从而为化工装备的可靠性设计提供一种合理的方法和科学依据。 关键词： 压力容器； 可靠度； 蒙特卡洛； 概率分析 【 A b s t r a c t 】 T h e u n c e r t a i n t y o f e a c h v a r ia b l e s h o u l d b e c o n s i d e r e d in r e l i abi l it y d e s ig n of p r e s s u r e v e s s e Ac c o r d i n gt o t h e a p p l i c a t i o n ofr e l e v a n t c o r r o s i o n t h e o r y i n p r e s s u r e v e s s e l a n dp i p e l i n e ， t h e c c M Z n t i o n f o r r e l i abi l i t y o ft h e p r e s s u r e v e s s e l s h o u l d b e a s s o c i at e d w i t h t h e r e l i abi l i t y o fc o r r o s i o n a l l o w a n c e c o n s i d e r i n g t h e d y n a m i c c h a n g e s of c o r r o s i o n d e p t h w i t h t i m e 。 Mo n t e C a r l o s i m u l ati o n m e t h o d i s p r o p o s e d t o s i mu l ate t h e t a n k o fp r e s s u r e v e s s e l ， a n d t h e n ana l y z e t h e r e l i abi l i t y o fo n e p r e s s u r e v e s s e l S O t h at t h e w a l l t h i c k n e s s o ft h e c y l i n d e r g o t at o ne p ar t i c u la r f ai l u r e p r o b abi l it y F i n al l y acc o r d i n g t o t h e c a l c u lat i n g r e s u l u t h e s e n s i t i v i t y 0 厂 d e s i g n v ari ab l e s t o t h e v e s s e l r e l i a b i l i t y i s o b t ain e d。 wh i c h i s ana l y z e d a n d d i s c u s s e d t o p r o v i d e a r e a s o n abl e m e t h o d a n d s c i e n t ifi c b asi s f o r r e l i abi l i t y d e s i g n oft h e c h e mi c a l e q u i p m e n t s Ke y wo r d s ： P r e s s u r e v e s s e l s ； Re l i a b i l i t y； Mo n t e c a r l o ； Pr o b a b i l i s t i c a n a l y s i s 中图分类号： T H I 6 ， T H 4 9 文献标识码： A 1引言 压力容器可靠陛设计时 需要考虑各个变量的不确定性。 在以 往的压力容器可靠性设计中， 大多根据可靠性计算方法得出在某 确定失效概率下筒体的计算壁厚旧， 然而关于腐蚀裕量如何处理， 以 及压力容器筒体可靠性设计的可靠度取值还仍然有待探讨。 根据 压力容器和管道中相关腐蚀理论的具体应用， 考虑腐蚀深度随时间 的动态变化， 将压力容器筒体的可靠性计算和腐蚀裕量的可靠I生 联 系 起来， 对压力容器可靠性没汁敞个更为深入的探讨。 2理论方法 压力容器简体常规设计标准 G B 1 5 0 - 9 8 r3 n 出， 设计时考虑的 厚度包括计算厚度和厚度附加量。 其中 计算厚度为按照有关公式 采用计算压力得到的厚度。 厚度附加量由钢材的厚度负偏差 c 。 和 腐蚀裕量 组成， c 。 应按相应钢材标准的规定选取， 腐蚀裕量 c ： 一 般可以根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确 定。 随着原材料制造技术、 过程装备制造水平及过程装备使用过程 控制手段的提高， 以材料的力学陛 能参数、 壳体的几何参数为随机 变量的压力容器的可靠性设计越来越受到人们的重视。 从目前公 开发表的来看，对内压圆筒体的可靠性设计大都以弹陛失效的中 径公式作为极限状态函 数来研究， 强度极限大都以 屈服极限作为 参考旧， 据此求得在某一确定失效概率下简体的计算壁厚。 然而对 于筒体的确定失效概率如何选取， 以及在可靠性设计基础上腐蚀 裕量如何取值的问题则很少有文献探讨。 文献 寸 压力容器和管 道的腐蚀深度进行可靠性计算以预测寿命， 但其评价标准为以厚 度为基准进行可靠性计算， 而不是以应力失效为评判标准。 3基本假设 3 1极限状态方程 随着压力容器运行时壁厚的变化， 简体的应力也在不断变 化。 所以设计时需要考虑腐蚀速率的影响。在已有研究基础上句 ， 可以得到运行时薄壁压力容器的实际壁厚： t = t o - v x N t ( m m) 式中： _ 简 体最初壁厚， mm； v 腐蚀速率， m m f ! ； 厂简体设计 寿命， 年。 压力容器简体承受内压时， 主要有两种失效形式， 一为容器 筒体发生屈服失效， 二为断裂失效。 根据标准以及简化方便， 在设 计时主要考虑第一种失效形式。 根据相关标准聊 ， 可以得到压力容 器简体运行时的有效应力为： 皿 式中： D f - _ 简体内径； p 广内压力， 在压力容器运行时， 筒体的壁厚 t 。 由筒体的实际壁厚 t 代替。 根据以上结论， 可以得到此时压力容器简体的极限状态方 程为 ： Z = c r , - o r ( 1 ) 式中： 体材料的屈服强度。 容器的失效概率即为上式中z o 的概率。由上述三式可以 看出， 进行压力容器简体设计时， 极 限状态方程为下列随机变量的函数： z _ Z ( p ， D ， t 。 ， ， 坼， ) 来稿日 期： 2 0 1 1 - 0 2 1 0 基金项 目： 国家自 然科学基金资助项 目 ( 5 1 0 7 5 1 9 9 ) 第 1 2 期 刘有艳等： 压力容器筒体可靠性设计研究 1 1 9 3 2初始壁厚 5 O年代研究铝合金孔蚀的A Z I Z和研究途中埋设管道孔蚀 的 E l d r e d g e 证明在实践环境中材料的最大孔蚀深度分布符合 C u mn l e 分布( I 型极值分布) 7 1 。 在已有研究成果 的基础上， 可以 得到以下结论： 介质及环境对压力容器与压力管道的最大腐蚀深 度符合 I 型极大值分布。 采用耐腐蚀可靠性理论，对腐蚀裕量进 行可靠性计算。根据相关文献嗍， 腐蚀裕量的可靠度为最大腐蚀 深度不超过腐蚀裕量 的概率， 如果要求的可靠度为 R ( t ) ， 则腐 蚀裕量： c 2 = 一 卵 l n ( 一 l n R( t ) ) + j ( 2 ) 式中： 竹 一尺度参数； J 位置参数。 根据文献呵 以取腐蚀裕量的可靠度为 R ( ) 为9 5 ， 据此求 得腐蚀裕量数值。 3 3可靠性指标 可靠度安全指标口被用来衡量结构的可靠程度 ， 1 9 8 8年 B u s h tg l据美国、 英国和德国的统计数据， 得到德国的压力容器失 效概率低于 l O 。 根据美国的7 2 5 0 0 0台压力容器得到压力容器 的失效概率为0 6 3 1 0 - s 。 因此， 目 前广泛应用的失效概率为 1 0 - 5 是可接受的。 4实例 已知条件： 一压力容器， 筒体内直径 D j ( 1 0 0 0 i -4 ) m m， 设计 压力p = ( 9 8 i - 0 4 9 ) MP a ， 设计温度为常温， 筒体材料为 Q 3 4 5 ， 其屈 服强度极限q , = 3 4 5 MP a ， 材料屈服强度极限变异系数为 0 0 7 ， 钢 板尺寸变异系数 C - O 0 3 - - 0 0 5 ， 焊缝系数 9 。试设计此压力容 器的壁厚。 ( 1 ) 常规设计 6 = 卑 一 = 2 8 5 7 ra m ， 加上2 m m腐蚀裕量， 得到名义厚 L 3 “ q - p 度为 3 4 m m。 ( 2 ) 可靠性设计 目前解决复杂结构可靠度问题的常用方法有蒙特卡洛法和 面响应法。随着计算机性能的逐渐提高， 蒙特卡洛法模拟已成为 目前可靠度分析结果正确性验证的主要手段。采用此方法时， 只 要建模准确， 模拟次数越多， 精度就越高。 按照蒙特卡罗法对压 力容器简体设计进行模拟， 模拟状态方程为式( 1 ) ， 简体失效概率 为 l 。 腐蚀裕量可靠性设计： 腐蚀速率变异系数 取值按照文献 计算结果取为 0 3 8 ， 腐蚀速率均口值按照 HG 2 0 5 8 0 1 9 9 8 q 中规 定取为0 2 mm lz ， 在不同的设计年限时， 腐蚀裕量计算值会有所 变化。 计算结果， 如图 1 、 图2 所示。 ( 1 ) 产1 0年， 此时腐蚀裕量按照式( 2 ) 可得 C 2 = 3 4 mm； 图 1计算结果 1 进行蒙特卡罗模拟， 模拟次数为 1 0 0 0 0 次， 代人初始壁厚进 行试算， 得到此时容器简体的最终壁厚为 2 3 m m时， 经过 l 0年之 后容器的最终可靠度仍然可以达到 0 9 s 。此时的可靠度变化。 如 图 3所示 。 ( 2 ) N t = 1 5 年， 此时腐蚀裕量按照式( 2 ) 可得 C r y 5 1 mm； 图 2计算结果 2 进行蒙特卡罗模拟， 模拟次数为 1 0 0 0 0次， 代入初始壁厚进行 试算， 得到此时容器筒体的最终壁厚为 2 4 mm时， 经过 1 5 年之后 容器的最终可靠度仍然可以达到 0 9 s 。由上述两个算例可以看出， 进行容器可靠性设计时， 需要考虑容器壁厚随时间变化的影响。此 时的设计指标可靠度应该为在容器设计年限之内的可靠度， 即保证 容器在达到设计年限时仍然可以满足可靠度为0 ， 如图 3 所示。 在以上两个算例中可以看到， 在不同的年限时， 腐蚀裕量的取值也 不相同。根据此时的最终筒体壁厚以及腐蚀裕量， 可以得到简体设 计时的计算壁厚的可靠度指标为 n 9 4 时， 即可满足 E 述要求。 可靠度示意图 时间， 年 图3算例 1 运行 1 O 年时可靠度变化 变量对容器可靠度的敏感性分析， 如图4 所示。 由图中可以看 出， 服从正态分布的变量材料屈服强度和年限以及初始壁厚是影响 失效的主要因素， 其中容器的可靠度对材料的强度和初始壁厚的灵 敏度为正值， 说明可靠度随着它们的增大而增大； 对运行年限、 腐蚀 速率和内压的灵敏度为负值， 即可靠度随着它们的增大而减小。 图 4灵敏度分析 5结论 压力容器可靠性设计时需要考虑各个变量的不确定性。根据 压力容器和管道中相关腐蚀理论的具体应用， 考虑腐蚀深度随时间 的 动态变化， 利用蒙特卡洛方法模拟压力容器的应力变化情况。在 运用可靠性方法设计压力容器筒体时， 提出简体设计时计算厚度的 ， 将 1 2 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 第 l 2期 2 0 1 1 年 1 2月 文章编号 ： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 1 2 0 0 3 面向大型薄壁件柔性装配平台的 I G P S 发射器研制 高月山 杨建国 张家梁邹焕富 李生贵 ( 东华大学 机械工程学院， 上海 2 0 1 6 2 0 ) I GP S t r a n s mit t e r r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t f o r la r g e t h i n - wa l le d p a rt s f l e x ib l e a s s e mb ly p l a t f o r m 术 GAO Yu e s h a n ， YANG J i a n - g u o ， Z HANG J i a - l i a n g ， Z OU Hu a n f u ， L I S h e n g g u i ( C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， D o n g h u a U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ， C h i n a ) 【 摘要】 介绍了I n o o d r G P S 测量系 统发射器的研制， 其应用于大型薄壁件制造的柔性自 动化装 配平台实现在线反馈调整。 发射器系统包括发射器机械装置、 电机恒速控制技术和同步脉冲发生装置。 采用N A S T R A N完成了机械装置的动态性能分析，采用运动控制卡完成闭环电机旋转控制。 经过对发 射器结构和电机转速性能测试， 结果表明， 有效地避开了机械共振和摆角偏差， 发射器能够满足大空间 高精度三维光电测量要求。 关键词： IGP S ； 发射器； 高精度； 动态分析 【 A b s t r a c t 】 p r e s e n ts t h e t r a n s m i t t e r r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t of i n d o o r G P S( I G P S ) m e a s u r e m e ri t s y s t e m ， w h ic h is a p p l i e d t o a d j u s t m e n t - o n l in e of fl e x i b l e a s s e m b l y p la tf o r m f o r lar g e th i n w a l le d p ar t s as s e m b l y m a n u f a c t u r e T h i s s y s t e m c o n s is ts of t r a n s m it t e r m e c h anic a l d e v ic e ， m o t o r c o nsta n t s p e e d c o n t r o l and s y n c h r o n i z a t io n p u l s e d e v i c e T h e fi n i t e - e l e m e n t - a n a l y s is s o g w a r e N A S T R A Ns ado p t e d t o anal y z e t h e d y n a m i c o p e r ati o n of t h e t r a n s m i t t e r ， a n d m o t i o n c o n t r o l c a r d i s a p p l i e d t o c o m p l e t e c lo s e d l o o p c o n t r o l of m o t o r r o t at io n M o r e o v e r ， t h r o u g h t e s t i n g p e ,f o r m a n c e of s tr u c t u r e and t h e m o t o r s p e e d o ft h e t r a n s mi t t e r 。t h e anal y s i s r e s u l t s d e m o nst r a t e t h at t h e d e s i g n e d s y s t e m i s a b l e t o a v o i d， 一 c h an i c al r e s o n an t an d ang u l ar d e v i ati o n， an d p r o mi s e i t s u t i l i t y i n t h r e e - d i me nsi o n al l a r g e s p ace i n c a - s u r e me n t appl i c a t i o n K e y w o r d s ： I G P S ； T r a n s mi t t e r ； H l g h - p r e c i s i o n ； D y n a m i c a n a l y s i s 中图分类号： T H1 6 文献标识码： A 1引言 随着现代制造业的发展，测量技术呈现出越来越重要的地 位和作用 ， 精密测量技术也有了长足的进步， 尤其是大空间精密 测量方面。I n d o o r G P S ( I G P S ) 是一种基于角度交会的光电扫描式 空间精密测量系统， 以某公司生产的 I G P s测量系统为例， ( 1 0 0 x 1 0 0 x l 0 ) m的空间内测量精度可达 0 2 m m t tl ， 其发射器具有精准的 旋转速度和平稳的动态性能， 并由 智能算法实现发射器位置信息 的自 标定； 其接收器通过空间后方交会方法将其探测器所在位置 的坐标信息( ， y ， z ) 显示在计算机上。 I G P S系统由两个( 或以上) 发射器和若干接收器等构成。发 射器布置在测量空间内， 向测量空间发射扇形红外激光和基准脉 冲信号， 接收器接收红外信号， 由相应的信号处理电路及算法标 定软件计算出接收器所在的空间坐标位置( ， y , z o其位置信息 可以同步在线使用，因此 I G P S是一套在线测量工具，具有精度 高、 多 目标测量等优点， 能在大型薄壁件的制造装配中发挥优势 作用2 1 。 来稿日期： 2 0 1 1 - 0 2 1 0 基金项目： 上海市重点学科建设资助( B 6 0 2 ) ， 上海市科技攻关项目 经费支持( 0 8 D Z 1 1 2 4 1 0 0 ) 的可靠度指标为Q 9 。 利用蒙特卡洛方法模拟此时压力容器的应力 变化隋 况， 可以得到在设计年限内， 容器的可靠度一直满足 O 9 s 。 参考文献 1 赵亚凡 可靠性方法在压力容器设计中的应用与探讨 J 机械设计与 制造， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 5 - 6 2 F M B u r d e k i n G e n e r M p ri n c i p l e s o f t h e u s e o f s a f e t y f a c t o r