压力容器设计中可靠性安全系数法的应用探讨

质,可命性 压力容器设计中可靠性安全 系数法的应用探讨 曲爱平 石油大学北京 北京 摘要压力容器的常规设计中 , 安全系数的确 定完全是按经脸估计的 , 具有较大的随意性 。 通过应用 可幸性设计的基本方法 , 将压力容器的壁厚设计与允许破坏概率或 可幸度联系起来 , 并与常挽设计结 果进行了比较 。 结果表明 , 常规设计规范中建议采用的安全系数通常偏大 , 偏 于保守 。 为此 , 讨论了一 种简便而实用的设计方法 , 即在常挽设计公式中 , 以可靠性安全系数代替传统的经脸安全系数 , 由此将 安全系数的确定建立仁容器允许破坏概率或可拿度的基拙之上 , 从而使设计的压力容器在保证足够 的可靠性前提下 , 尽童作到经济合理 。 主题词压力容器设计可靠性安全系必 从川口 】祀血勾论 戏污反叮仑 田 幻 , 此 叼似夕五讼以 斑沟迷司二 以户歹犯 犯 鞠此 ”,弓改书 祀恢 长必 过 吻肠 山马柳 , 廿论 叮尼以臼 加 出砂恻溺 加 。戈吐己日山目 犯邵凶比 如花缪 侧艾石 峋厂饭 佗刘目 议 恢血“阎,犯匀劝公以比胡夕甲“劝叮 司记厅泊 钱之从刃 出匕斑仪北 , 祀改对刃尔对比岛 如咖城 翻如 】 如劝 团长们它 污 , 旧 囚浅约卯 , 此 以加 七卜翎拍廿论匀拒勿七以 岌妇 , 廿犯详凶陇浅幻,笋血刁以廿怕 。 介叮 翻口记 如 曰以动 耐碗吻 , 晚如吻 由曰川悦七日 材目 哈 色曰二 刀泊 , 劝 , 出如峋 , 吻 协以 随着现代石油化工生产 的迅速发展 , 压力容器 的尺寸不断增大 , 操作条件日益苛刻 , 选用材料 的级别越 来越高 。 因此 , 在压力容器设计中如何保证安全可靠 、经济合理 的基本要求就愈显重要 。 而压力容器的常规 规范 受计中 , 通常通过加大安全系数 、加大壁厚 的方法来保证安全可靠性 。 但这样不仅使容器笨重 , 而且 由 于所选安全系数是从工程经验中得到的经验 系数 , 并不是安全 的倍数 。 盲目加大它 , 显然是不科学的 。 下 面 , 我们就以具体的工程实例 , 分别采用常规设计方法和可靠性方法进行设计 , 并对结果进行分析探讨 。 已知条件 一压力 容器 , 筒体内直径 二士 设计压力 二 土 设计温度为常温 筒 体材料 , 其屈服强度极 限 屈二 抖 , , 材料拉伸屈服强度极 限变异系数 , 钢板尺寸变异系 数 几 二一 焊缝系数 甲 二 若要求容器的允许破坏概率分别为 、 一、“、一, 试设计此压力容器的壁厚 。 常规方法的容器壁厚计算公式 为二 常规方法设计 户 。 华 一 其中 , 司 二 氏 【 。 ,【 为许用安全系数 , 可按经验估计 , 规范中建议【 。 。 若取焊缝系数 甲 二 , 则压力容器的计算壁厚见表 。 表许用安全系数与壁厚的关系 许许用安全系数 。 壁壁厚为扮扮们们 , 刀 曲爱平 压力容得设计中可旅性安全系数法的应用探讨画 质一可性 从表可以看出 , 在常规设计中 , 安全系数是确定容器壁厚的重要参数 。 随着安全系数的增加 , 容器壁 厚加大 。 安全系数取多大合适 , 完全是按经验估计的 , 这就难免有很大 的主观 随意性 。 而且安全系数大 , 设 计出的产品往往过重 , 既浪费了材料 , 又不一定能得到足够的可靠性 。 另外 , 常规设计中 , 没有考虑强度及应 力的离散程度标准差 对容器安全性的影响 , 即使安全系数相同 , 产品的可靠性也不一定相 同这可以从后 面的表中看出 。 可旅性方法设计 设筒体直径 、设计压力、钢板厚度等 皆为随机变 , 且服从正态分布即 筒体半径田 , 设计压力 , 。 材料强度翎拼 , 抖 筒体壁厚 产 , 以 产、 采用应力强度干涉模型进行可靠性设计 由压力容器 的应力分析计算公式可知 , 筒体的最大应力为环向应力 、二 , 双尸 山 , 即胜 二 山 二 下一 几 故应力均值 。 , 、 , 二 瞥 式中 产代表均值 , 下标符号代表各参数 。 应力标准差 几 的计算 互 。丝。丝 ,”尺 二二 , 一 产, ” 二吕 一 产 二二 ,一 产蕊 所以 。 了 小 叫割 嵘 将数值代人 产 ,汉灾刀 产人产 。 了粉 。 誉 。 。 兴分 多 。 “ , , 若已知允许破坏概率为 一, 即有 一 中 月 一 故 中用 望拍侧 查标准正态函数表 , 得 可靠度系数夕价 根据联结方程 , , 臾 斗 ”二 湍 二 厕肖事 二 可求得 产 介 卫 所以筒体壁厚加 , 在不同的失效概率下 , 壁厚的均值及标准差见表 从表可以看出 , 压力容器的壁厚与容器的失效概率联系起来 , 这在生产中具有非常重要的意义 。 从表 、表 的对比来看 , 当失效概率为 一 、可靠度 二 岌卯时 , 压力容器若按常规方法进行设 困石油工业技术监怪 第卷第期年月 阶可能 计 , 许用安全系数取【 二一 , 则比较理想 。 因此常规设计规范中建议采用的安全系数往往较大 , 说 明常规设计偏于保守 , 更主要的是 , 它没有把失效概率或可靠度引人设计中 。 为此 , 为避免常规设计方法的上述不是 , 我们可以采用可靠性安全系数设计法 。 衰失效橄率与盆厚的关系 失失效概率 一 一 一, , 一 可可靠度 熨拍拍 卯侧 望拟卯 卯侧浏 赵澳艳 可可靠度系数口口 份份几几刀刀 壁壁厚均值 冉 二二 刀刀幻刀 壁壁厚标准差 画画 ,科 科种 吕菊 菊路 衰安全系傲和可度 强强度均值片片应力均值片片强度标准差 应力标准差 几几 安全系数 。 可度 、 犯、 、 椒、 、 入入片俩 俩俩 花花幻 花花 几几即 男 可命性安全系数设计法 常规设计中的安全系数定义为材料的强度与危险截面上载荷产生 的应力之比 , 一般常用材料的平均强 度与结构危险截面的平均应力之比表示 。 即 兰 巧 由于材料性能的离散性 , 热处理工艺的波动 , 工作条件的变化引起强度和应力的随机波动 。 而常规设计 中的安全系数没有考虑上述实际存在 的随机性 , 在许多场合是凭经验决定 , 因而具有一定的盲目性 。 因此对 于可靠性要求较高的石油化工设备 , 必须重新考虑安全系数的含义 。 我们从安全系数的定义 出发 , 引人可靠度系数 , 给安全系数斌予新的含义 , 就可得到可靠性安全系数 。 可袁性安全系数的计算方法很多 , , 有均值安全系数 、 概率安全系数 、 随机安全系数等 , 现采用均值 安全系数来计算 。 均值安全系数定义为 二 色 严 假设影响结构应力和 强度的设计变量均服从正态分布 则联结方程 将代人得 二 业浑 碧乒亚 曲爱平压力召器设计中可命性安全系欲法的应用探讨 质可旅 性 式中 二 二 玉 强度变异系数 产 玉 应力变异系数 。 产 假设影响结构应力 和强度的设计变量均服从对数正态分布 则联结方程 一 兰 “ 黯摆 鱼二 淤 西 将代人得 。 夕丫子 圣 从式或式 即可看出安全系数与可靠度系数的关系 。 若常规设计中的安全系数不是凭经验选取 , 而是采用式或式计算 , 则常规设计 中就可引人可靠度指标 , 即把可靠度指标设计到容器中去 了 。 我们还用上述实例进行分析 若失效概率为 一, 则月 二 因各随机变量均服从正态分布 , 所以用式计算 召 一丛 一 月 , 孙 一 二 孙 田 几 一向 , 。,二 几二二一万一一 。 江 叮甲一 从而设计出此压力容器的计算壁厚为 。 由此可见 , 常规设计中引人可靠度 , 得到的均值安全系数要比常规设计规范 中建议采用的安全 系数要 小 , 而且主要的是均值安全系数能定量地表示容器的破坏概率 。 结论 从上面的分析可得出以下结论 压力容器常规规范设计中的安全系数不能反映容 器的可靠性 , 具有很大 的主观随意性 , 而且通常偏 于保守 , 浪费材料 。 可把可靠性安全系数引人常规规范设计中 , 给安全系数赋予新的含义 。 常规规范设计中采用可靠性 安全系数的设计步骤 为 首先分析并确定强度及应力的分布状态 , 可假设为正态分布或对数正态分布按照容器结构的重要 程度 , 确定失效概率即可靠度 , 求出可靠度系数 召 按公式或 , 求出可靠性安全 系数可靠性安全 系数确定后 , 即按 常规规范设计公式进行压力容器设计 。 可靠性设计需要足够多 的呈分布状态的设计数据 , 而这些数据的获得非一日之功 。 我们可以在现行 设计方法 的基础上 , 找 出安全 系数与