压力容器设计另一方法

1、压力容器设计另一方法压力容器设计另一方法-载荷和阻力系数设计法2011-12-28 16:54:44|  分类： 分析设计 |  标签：先进设计方法  分析设计  1.背景多年来，压力容器设计一直沿用asd法，如asme -1、asme -2 2004版和之前的版本，以及gb1501、jb47322。asd法主要设计理念是：为材料强度取一个总安全系数（global safety factor），以此为设计中的不确定因素提供必要的安全裕度。在各类结构设计中，除了asd法，还有另一种方法，即lrfd法。该法在钢结构和公路桥梁等领

2、域已广泛应用多年3-5。2007年，asme -26也引入了lrfd法，规范节明确提及： lrfd法是对塑性垮塌载荷严密计算的另一选择。该法主要设计理念是：不同的载荷和阻力（强度）采用不同的分安全系数（partial safety factor）。 2.强度变量（strength variables）在lrfd法中，强度（阻力）变量，包括屈服极限和强度极限，都看作是随机变量。 3. 载荷变量（load variables）载荷变量包括永久载荷、内压、地震载荷、风载荷，其中永久载荷包括容器自重、保温重量、介质重量等。所有的载荷都将被当作随机变量来考虑。4.结构可靠度理论结构可

3、靠度是指在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率。载荷是引起结构失效的外在原因，阻力是抵抗结构失效的能力。因此，载荷和阻力之间的关系，是决定结构是否失效的重要因素之一。载荷和阻力的随机性决定了结构失效的随机性。 5.载荷系数和阻力的取值lrfd法是建立在结构可靠度理论上的。其原理包含如下四点：将结构的阻力作为随机变量或随机过程来处理；将作用在结构上的各种载荷作为随机变量或随机过程来处理，并考虑其同时出现的概率；基于应力-强度干涉理论对结构的失效概率进行评定基于结构可靠度理论asce 7-058是建筑和结构领域载荷计算的基础，给出了建筑和结构的最小载荷要求，也给出各种载荷组合及

4、相应的系数。asme-26按一定的可靠性指标（reliability index），开发出了与压力容器设计相适应的载荷系数。值得注意的是，在极限载荷法和弹-塑性法中，材料强度对应的阻力系数已被组合进载荷系数中了8，即阻力系数等于。按极限载荷法进行分析时，材料的屈服极限取为倍的许用应力。按弹-塑性方法进行分析时，材料的性能按其本构关系取值。法和asd法对比    lrfd法和asd法在理念上有两个主要区别。 强度判别方式    asd法将结构中的真实应力与许用应力进行比较，是基于应力（stress based）的设计方法，而lrfd法是

5、将结构所要求的强度与真实强度进行比较，是基于强度（strength based）的设计方法。asd法进行结构强度设计时，总是希望把结构的最终应力控制在材料的屈服极限以下，防止结构出现永久性的塑性变形。当采用lrfd法时，将各类载荷乘以一个大于的载荷系数（load factor）后，与结构的最终强度（ultimate strength）进行比较，如果前者小于后者，则结构是安全的。其中，最终强度指名义强度（nominal strength）乘以阻力系数（resistance factor）。对不确定因素的考虑    asd法采用一个总的安全系数来考虑设计中所有不确定因

6、素，显得过于“粗糙”，对不同的不确定因素不能给予单独考虑，导致的结果之一就是安全裕度过剩，材料浪费。lrfd法则对各个具有随机性的设计变量赋予了不同的分安全系数，即通过在极限状态不等式右边使用载荷系数，实现了对各类载荷随机性的单独考虑，左边使用阻力系数，实现了对阻力随机性的考虑。    压力容器的两个根本问题是安全可靠性和经济性, 可靠性评定则直接关联着安全和经济两个方面10。lrfd法基于可靠度理论的设计理念可获得更合理的安全裕度，在保证了安全性的同时，实现了结构的轻量化。 7.讨论与展望基于可靠度理论的压力容器设计是一个较新的领域，国内很多专家学者也

7、做大量的实践和研究10-18。该设计方法需要知道各设计变量的分布特征，因而需要足够多的设计数据，在此基础上才能找出载荷和阻力系数与可靠度之间的关系，过去一直没有统一的标准规范可循。asme-26引入lrfd法，并给出了各种载荷组合对应的载荷系数，为基于可靠度理论的压力容器设计方法提供了实施依据和操作细则。asd法始于上世纪20年代，目前仍被广泛应用，是目前的主流方法。lrfd法是一种更具创新性的新方法，也是asme规范6抗衡en1344519的五项前沿技术之一20。任何工业领域的持续发展都需要不断的创新，在压力容器设计领域引入lrfd法无疑是压力容器设计的重大进展之一，为确保压力容器的安全可靠

8、性和经济性提供了另一重要途径，相信不久的将来，lrfd法很可能会超越或替代asd法。  参考文献1gb150-1998, 钢制压力容器s.中国：中国标准出版社，20072jb4732-1995,钢制压力容器分析设计标准(2005确认) s.中国：新华出版社，2007.3 load and resistance factor design specification for structural steel buildings s. american institute of steel construction, inc, 19994刘玉姝，美国lrfd钢结果规范介绍（v）

9、j 建筑钢结构进展，2002,4(2)：51-575刘建，美国aashtolrfd公路桥梁设计规范历史和现状j 公路交通科技(应用技术版),2010,70(11):406-40962007 asme boiler & pressure vessel code, division 2, alternative rules, rules for construction of pressure vessels s. july 1, 20077avrithi,k., “reliability-based design of piping: internal pressure, gravity

10、, earthquake, and thermal expansion,” . thesis, university of maryland, college park, md; 20078minimum design loads for buildings and other structuress american society of civil engineers，20069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，(1）: p1-810刘应平,压力容器的可靠性分析j.工业安全与防尘，2000，（1）：25-2911林玉娟,冯永利,薄壁压力容器的可

11、靠性分析j 科学技术与工程，2007,22（7）：5966-596812刘玉彬,工程结构可靠度理论的研究现状与展望j.大连民族学学报,2006,34(5):1-313刘玉彬,工程结构可靠度理论研究综述j吉林建筑工程学院学报,2002,19(2):41-4314 王艳,基于可靠性理论的压力容器设计方法及其应用研究j.科技信息,2010,35:50015 徐莹,结构可靠度理论的研究现状及展望j.山西建筑，2005,31（10）：25-2716 赵亚凡, 宋明大,可靠性方法在压力容器设计中的应用及探讨j.化工设计，2002,12（5）：24-2517 赵亚凡,可靠性方法在压力容器设计中的应用及探讨j

12、 机械设计与制造,2002,4:5-618王勤,匡立中,压力容器可靠性分析技术述评j 科技创新导报,2008,7:15019 en 13445: 2002 (e) unfired pressure vessels, part 3: design s. may, 2002.20陈登丰,asme和锅炉压力容器标准的全球化j/ol ；2007热处理常用的临界温度符号及说明2011-12-06 18:51:53|  分类： 默认分类 | 符号说    明a0渗碳体的磁性转变点a1在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体或碳化物共存的温度，即一般所

13、说的下临界点，也可写成ae1a3亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度，即亚共析钢的上临界点，也可写成ae3acm过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体或碳化物共存的最高温度，即过共析钢的上临界点，也可写成aecma4在平衡状态下相和奥氏体共存的最低温度，也可写为ae4ac1钢加热，开始形成奥氏体的温度ac3亚共析钢加热时，所有铁素体均转变为奥氏休的温度accm过共析钢加热时，所有渗碳体和碳化物完全溶入奥氏体的温度ac4低碳亚共析钢加热时，奥氏体开始转变相的温度ar1钢高温奥氏体化后冷却时，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度ar3亚共析钢高温奥氏体化后冷却时，铁素体开始析出的温度arc

14、m过共析钢高温奥氏体化后冷却时，渗碳体或碳化物开始析出的温度ar4钢在高温形成的相冷却时，完全转变为奥氏体的温度bs钢奥氏体化后冷却时，奥氏体开始分解为贝氏体的温度ms钢奥氏体化后冷却时，其中奥氏体开始转变为马氏体的温度m1奥氏体转变为马氏体的终了温度 不锈钢的耐腐蚀性2011年9月8日  2011-09-08 08:42:22|  分类： 默认分类 |    不锈钢的耐腐蚀性·一、关于不锈钢材质耐氯离子腐蚀标准可参照火电厂循环水处理一书第 179页，明确约定： （ 1 ）、 t304不锈钢 氯离子含量为

15、 0-200mg/l； （ 2 ）、 t316不锈钢 氯离子含量为 1000mg/l； （ 3 ）、 t317不锈钢 氯离子含量为 5000mg/l。     二、对板式换热器腐蚀进行了分析，结合不同氯离子含量、不同温度对不同材料的腐蚀界限，对以循环水为冷却介质的板式换热器由于冷却水氯离子含量对材料选择的影响进行了分析。     在石油化工装置设计过程中，对设备材料的选择经常要考虑各种不同的因素，其中腐蚀是要考虑的因素之一，尤其是考虑装置长期连续运转，保证设备不内漏，选择合适的抗腐蚀设备材料更为重要。笔者在此就板式换热器可能的腐蚀性进

16、行分析和对以循环水为冷却介质的板式换热器由于循环冷却水氯离子含量对材料选择的影响进行探讨。     我们知道，板式换热器以传热效率高、结构紧凑、拆卸方便、占地面积小、适用范围广等特点而被广泛应用。板式换热器由两片侧压板、多片内板一般来讲， 304可耐氯离子浓度为 200mg/l左右， 316可耐 800mg/l左右。若系统压力较高（ 5-6bar），氯离子浓度又高于 10000mg/l， 316也就撑两年即会穿孔。对于用于被冷介质无腐蚀的板式换热器，一般两端的侧压板和进出管口的材质为碳钢，而内板片通常采用 mm厚的不锈钢、或合金板片压制。由于水中的氯离子对不锈钢、

17、合金钢会产生不同程度的腐蚀，因此用于被冷介质无腐蚀的板式换热器，内板片材料的选择就取决于循环冷却水中氯离子含量的多少。当然，温度的高低也是决定氯离子对内板片腐蚀程度的主要因素。     1、腐蚀性分析：     腐蚀的种类很多，金属腐蚀的形态可分为均匀腐蚀和局部腐蚀，前者较均匀的发生在金属全部表面，后者只发生在局部。局部腐蚀典型的有：晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、电偶腐蚀、冲刷腐蚀、腐蚀疲劳、脱层腐蚀。有氯离子存在的循环冷却水对板式换热器主要损害腐蚀是点腐蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀。点腐蚀也称为孔腐蚀，是高度局部的腐蚀形态，在金属

18、表面腐蚀成坑，更进一步形成深孔使金属板穿透。在板式换热器内，内板表面一般会覆盖保护性的钝化膜，腐蚀较轻微，但会由于板面上的缺陷（如：划痕、撞点、非金属夹杂物等）致使微小破口暴露的金属成为电池阳极，周围扩大面积的膜成为阴极，阳极电流高度集中，使腐蚀迅速向内发展，进而产生局部的严重腐蚀点。应力腐蚀是在金属板存在拉应力的情况下且有腐蚀造成金属板破裂，也称为应力腐蚀破裂。对于板式热交换器，内板压型时会产生应力，因此，如内板采用奥氏体不锈钢，有氯离子存在的环境会产生典型的应力腐蚀。缝隙腐蚀是点腐蚀的特殊形式，发生在缝隙内，破坏形态为沟缝状，严重者可穿透。对于板式热交换器，内板片四周是采用密封垫由板片相互

19、压紧来密封的，两板片之间，一面有密封槽另一面一般为平面，在压紧以后的垫圈与板片之间会存在缝隙。另外，板片与板片之间交替排列、夹紧，使相邻板片波纹顶端相互交叉形成大量接触点，触点周围也将形成缝隙。缝隙内是缺氧区，也处于闭塞状态，缝内 ph值下降，氯离子浓度增大，由此加速腐蚀。因此缝隙腐蚀也是奥氏不锈钢板式换热器的典型腐蚀。     2、温度对腐蚀的影响：     腐蚀是一种化学反应，每升温 1o fs： page ，腐蚀的速度约增加 1-3倍。通常腐蚀率总是随着温度升高而加快，温度升高，扩散速度增加，电解液电阻下降，使腐蚀电池的反应加快

20、。当然也有例外，当升温可以降低其它因素的作用，腐蚀有可能随之降低；但该例外对板式换热器不适用。     3、循环水中的氯离子来源与含量：     循环水中的氯离子来源于循环冷却水的补充水所带的氯离子和补充水的处理加氯、循环冷却水处理加氯。氯离子含量的多少主要取决于循环水的浓缩倍数。对于补充水的处理加氯和循环冷却水处理加氯所带来的氯离子并不是主要的，根据国标工业循环冷却水处理设计规范 gb 50050 95规定，补充水加氯处理游离性余氯量需控制在 mg l，敞开式循环冷却水的加氯处理余氯量控制在 l。主要的还是补充水所带的氯离子，因此补

21、充水的来源不同，使得循环冷却水中所含的氯离子含量不同。     （ 1）对于敞开式循环冷却水系统，水在循环水塔冷却的过程中将会不断的蒸发，被蒸发的水分相当于蒸馏水，原部分水中所含的杂质、盐分、氯离子均留在了循环水中，因而造成盐分、氯离子浓度增加。按照 gb 50050 95规定。敞开式循环冷却水设计浓缩倍数不应小于 ，因而在设计时浓缩倍数往往大于 3，通常取 4，甚至有取 5的。那么循环冷却水中的氯离子含量也就随浓缩倍数的增加按补充水中氯离子含量成倍增加。 （ 2）根据国标生活饮用水水源水质标准 cj3o2o 93和地表水环境质量标准 gb 3838 2oo2，对

22、于氯含量（以氯离子计）的水质标准要求为 250mg l，如以此为标准，再考虑循环冷却水设计浓缩倍数不应小于 的要求，那么就意味着按国标的水质补水，循环冷却水的氯离子含量最低会达到 750mg l。实际上，补充水水源不论是地表水、地下水，还是自来水，氯离子含量达到 250mg l并不多，循环冷却水的氯离子含量不会达到 750 mg l。按照 gb 50050 95的规定，对于碳钢换热设备，要求循环冷却水氯离子含量 1000mg l，对于不锈钢换热设备，要求循环冷却水氯离子含量 300 mg l。如果水的比重按近似 1000g l考虑，循环冷却水氯离子含量最高可按 3× 10（ 3oop

23、pm）考虑。 4 、循环冷却水中氯离子对材料选择的影响： 循环冷却水中的氯离子含量越高对材料不腐蚀适应的温度越低，如果温度不变，氯离子含量越高对材料不腐蚀所要求的材料材质越高。所以，循环水中氯离子含量的多少和板式热交换器内被冷却介质和循环冷却水的温度高低对选择板式换热器内板材料非常关键。 如果以 gb 50050 95的规定，循环冷却水氯离子含量 300mg l（近似 3ooppm）考虑，不锈钢换热设备不同材料所对应的适应冷却水温度（按不腐蚀界限）， 304不锈钢最高适应 10 ， 316不锈钢最高适应 40 。如以在工程设计中循环水出口温度按 40-42 考虑，则这两种材料均不可用，需要选择

24、更高的材料。事实上，真正使循环冷却水氯离子含量达到 300 mg l的并不多。只有在不能确定循环冷却水氯离子含量时，可按 gb 50050 95的规定以 300ppm考虑（尤其是新建工厂常常会这样）。不过以此为依据选板式换热器板片材料，可能会造成选材过高而增加设备投资。因此，最好能确定氯离子含量，如根据循环冷却水实测或根据补充水中氯离子含量和循环水浓缩倍数来确定。事实上，当循环水的补充水源氯离子含量、循环冷却水设计浓缩倍数确定时，相应的循环冷却水氯离子含量就基本确定了。笔者在从事多年化工设计的过程中，除个别按 gb50050 95规定的外，碰见过循环冷却水氯离子含量高的按 × 10（ 250ppm）考虑，低的按 × 10（ 90ppm）考虑。 fs ： page 作为板式换热器板片材料选择，在此假定循环冷却水氯