化工容器设计规范评述.pdf

二部分容器类139
化工容器设计规范述评
淡勇夏锋衽2伍星1
1西北大学化工学院2陕西省锅炉压力容器检验所)
1前言
压力容器在石油、化学等工业中广泛应用。为了保证压力容器的安全性,世界各发达国
家都相继制定了本国的压力容器设计规范,我国也颁布实施了两套有关压力容器设计的规
范:GB150-89和JB4732-95。压力容器除了不能采用GB150-89,而必须采用JB4732
95进行设计外,在许多情况下,设计者可以从这两套标推中选择一种作为容器设计所遵循
的规范。只要二者不混用,具体选择何种标准,没有严格的规定。GB150-89的设计思想和
方法已被广大设计者所熟悉和撃握,并在实际中广泛采用,而JB4732-95在设计思想和方
法上与GB150-89截然不同,其实施时间短,使用检验少。但是,随着现代石油化学工业的
发展,对压力容器设计的合理性、经济性等方面都会提出更高的要求,这就要求设计人员在
采用何种标准作为所遵循的设计规范时儆出合理的选择。本文在对两套标准设计思想和方
法以及经济性分析、对比的基础上,主要就在什么情況下应考虑选择JB4732-95,又在什么
情况下不宜采用JB4732-95作为设计规范提出一些参考性意见。
2GB150-89和JB4732-95的设计思想和方法
GB150-89是我国第一部有关压カ容器设计、制造、检验的国家标准。其基本思想与
ASMDⅧ-1[相同,即按“常规设计”( Design by Rule)。本标准采用的是“弹性失效”准则,
即认为容器上最大应力点一旦进入塑性,丧失了纯弾性状态即为失效,以最大主应方理论作
为判据。在设计方法上,GB150-89以材料力学及板壳理论的筒化计算公式为基础,再加
上ー些经验系数。对容器上重要区域(如筒体与封头、支座、接管的连接部位)的实际应力不
进行严格而详细的计算,只是在给出计算公式的同时;又对结构尺寸、形状、工作条件加以限
制。如碟形封头计算中要求过渡区半径r不应小于封头内径的10%;又如在凸形封头上开
孔时,规定其孔边缘或外补强元件的边缘与封头边缘之间的投影距离大于0.1Di。GB150
89仅适用于静止戴荷的设计,而不适用于要求做疲劳分析的容器。除个别情况外,一般不
要求计算温差应カ。
JB4732-95是一套与CB150-89平行的“专业标准”,是为了适应现代工业对压力容
器提出的更高要求(工艺条件的更苛刻,容器的大参数化)而制定的,基本思想与 ASME VII
承压类特种设备检验及安全性分析
21相同,即按分析设计"( Design by analysig)。本标准采用的是以极限载荷、安定载荷和疲
劳寿命为界限的“塑性失效”和“弹塑性失效”准则,而放奔了传统的弹性矢效”准则。允许
结构出现可控制的局部塑性区,允许对峰值应力部位作有限寿命设计。在分析方法上,要求
先对容器各个区域的应力进行洋细的计算,并根据各种应力对容器元件失效所引起不同的
作用予以分类,然后対不同类型应カ采用不同的应力强度校核条件加以限制,以最大剪成力
理论作为判据。JB4732-95不局限于静止、稳定载荷的设计,也适用于要求做疲劳分析的
容器。一般要求对温差应力有详细计算并根据温差应力对容器元件所引起变形的大小而归
入二次或峰值应力。
3按GB150-89和JB473295制造容器的经济性
如上分析,按JB4732-95进行设计,需对容器的各个部位进行详细的应力计算,而且这
些应力计算比较复杂。有时还需要偕助实验或有限元方法方能完成。对于承受交变载荷或
存在温度梯度时,还需要进行疲劳设计或温差应力的计算。而按GB150-89进行设计,计
算量小且方法简单,故对于同一容器,按JB4732-95进行设计比按CB150-89进行设计的
费用大,花费时间长。据有关资料表明,分析设计赛用通常比常规设计费用高10%~20%。
另外,在制造、检验等方面,JB4732-95比CB150-89要求更严,限制更多。如按JB4732
-95制造容器,需对A、B类焊缝全部进行100%的探伤检验:又如每台设备至少要制备一块
焊接试板且每种焊接工艺需制备一块焊接试板:再如进行疲劳分析的容器,要求需将A、B
类焊缝表面与母材打磨平齐,不允许保留余高等。但是,由于JB4732-95在设计中采用了
比CB150-89较低的安全系数(CB150-89规定在材料变温度下,n8≥1.6、nb≥3,而在
JB4732-95中规定n8=1,5、mb2.6),加上对容器各处的不同类型应力采用不同的应力强
度校核条件,因此在同样条件下按CB150-89设计的容器为薄,总重量要轻。如100MW
的沸水堆和压水雄的分析设计和常規设计的结果对比3表明,在同样容量和设计压力下,按
分析设计的质量相对按常规设计的质量降低了23%和13%之多。又如一台壁厚为300mm
不变的煤化设备「,按分析设计可使该设备的有效截面积比常规设计调高2.25倍。因此按
JB4732-95设计可大大节约容器的材料费用,而且当容器的设计参数(压力,直径,材料价
格等)越高,节省材料费用越显著,文献?的结果很好说明了这一点。另外、随着容器质量的
减轻、壁厚的减薄,其制造费用、运输费用、安装费用也部会降低。所以,在一般情况下对于
条件相同的容器,采用JB4732-95标准制造比采用CB150-89标准制造的综合费用低
而且随着JB4732-95的广泛采用,使用经验会冠丰富,管理制度会更加完善,制造综合赞
用会更经济。就日前的情况而言,对于既可用分析法又可用常规法设计的容器,一般先粗做
一预算,哪种方法制造的容器综合造价低就采用哪种设计方法。
4考虑选择JB4732-95作为设讪规范的情况
在下列情况下,设计者应考虑分析设计标准JB4732-95作为设计时所遵循的规范。