壓力容器設(shè)計(jì)另一方法

壓力容器設(shè)計(jì)另一方法載荷和阻力系數(shù)設(shè)計(jì)法2011-12-2816:54:441分類：分析設(shè)計(jì)標(biāo)簽：先進(jìn)設(shè)計(jì)方法 分析設(shè)計(jì)1?背景多年來，壓力容器設(shè)計(jì)一直沿用ASD法，如ASME訓(xùn)-1、ASME訓(xùn)-22004版和之前的版本，以及GB150[l]、JB4732[2]。ASD法主要設(shè)計(jì)理念是：為材料強(qiáng)度取一個(gè)總安全系數(shù)(GlobalSafetyFactor),以此為設(shè)計(jì)中的不確定因素提供必要的安全裕度。在各類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了ASD法，還有另一種方法，即LRFD法。該法在鋼結(jié)構(gòu)和公路橋梁等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用多年[3-5]<,2007年，ASMEVHI-2[6]也引入了LRFD法，規(guī)范5.2節(jié)明確提及：LRFD法是對塑性垮塌載荷嚴(yán)密計(jì)算的另一選擇。該法主要設(shè)計(jì)理念是：不同的載荷和阻力(強(qiáng)度)采用不同的分安全系數(shù)(PartialSafetyFactor)o強(qiáng)度變量(StrengthVariables)在LRFD法中，強(qiáng)度(阻力)變量，包括屈服極限和強(qiáng)度極限，都看作是隨機(jī)變量。載荷變量(LoadVariables)載荷變量包括永久載荷、內(nèi)壓、地震載荷、風(fēng)載荷，其中永久載荷包括容器自重、保溫重量、介質(zhì)重量等。所有的載荷都將被當(dāng)作隨機(jī)變量來考慮。4?結(jié)構(gòu)可靠度理論結(jié)構(gòu)可靠度是指在規(guī)定的時(shí)間和條件下，工程結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率。載荷是引起結(jié)構(gòu)失效的外在原因，阻力是抵抗結(jié)構(gòu)失效的能力。因此，載荷和阻力之間的關(guān)系，是決定結(jié)構(gòu)是否失效的重要因素之一。載荷和阻力的隨機(jī)性決定了結(jié)構(gòu)失效的隨機(jī)性。5.載荷系數(shù)和阻力的取值LRFD法是建立在結(jié)構(gòu)可靠度理論上的。其原理包含如下四點(diǎn)：㈠將結(jié)構(gòu)的阻力作為隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來處理；㈡將作用在結(jié)構(gòu)上的各種載荷作為隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來處理，并考慮其同時(shí)出現(xiàn)的概率；㈢基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論對結(jié)構(gòu)的失效概率進(jìn)行評定㈣基于結(jié)構(gòu)可靠度理論ASCE7-05[8]是建筑和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域載荷計(jì)算的基礎(chǔ)，給出了建筑和結(jié)構(gòu)的最小載荷要求，也給出各種載荷組合及相應(yīng)的系數(shù)。ASME訓(xùn)-2[6]按一定的可靠性指標(biāo)(ReliabilityIndex),開發(fā)出了與壓力容器設(shè)計(jì)相適應(yīng)的載荷系數(shù)。值得注意的是，在極限載荷法和彈-塑性法中，材料強(qiáng)度對應(yīng)的阻力系數(shù)已被組合進(jìn)載荷系數(shù)中了[8],即阻力系數(shù)等于1.0o按極限載荷法進(jìn)行分析時(shí)，材料的屈服極限取為1.5倍的許用應(yīng)力。按彈-塑性方法進(jìn)行分析時(shí)，材料的性能按其本構(gòu)關(guān)系取值。6.LRFD法和ASD法對比LRFD法和ASD法在理念上有兩個(gè)主要區(qū)別。6.1強(qiáng)度判別方式ASD法將結(jié)構(gòu)中的真實(shí)應(yīng)力與許用應(yīng)力進(jìn)行比較，是基于應(yīng)力(StressBased)的設(shè)計(jì)方法，而LRFD法是將結(jié)構(gòu)所要求的強(qiáng)度與真實(shí)強(qiáng)度進(jìn)行比較，是基于強(qiáng)度(StrengthBased)的設(shè)計(jì)方法。ASD法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，總是希望把結(jié)構(gòu)的最終應(yīng)力控制在材料的屈服極限以下，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)永久性的塑性變形。當(dāng)采用LRFD法時(shí)，將各類載荷乘以一個(gè)大于1.0的載荷系數(shù)(LoadFactor)后，與結(jié)構(gòu)的最終強(qiáng)度(UltimateStrength)進(jìn)行比較，如果前者小于后者，則結(jié)構(gòu)是安全的。其中，最終強(qiáng)度指名義強(qiáng)度(NominalStrength)乘以阻力系數(shù)(ResistanceFactor)o6.2對不確定因素的考慮ASD法采用一個(gè)總的安全系數(shù)來考慮設(shè)計(jì)中所有不確定因素，顯得過于“粗糙”，對不同的不確定因素不能給予單獨(dú)考慮，導(dǎo)致的結(jié)果之一就是安全裕度過剩，材料浪費(fèi)。LRFD法則對各個(gè)具有隨機(jī)性的設(shè)計(jì)變量賦予了不同的分安全系數(shù)，即通過在極限狀態(tài)不等式右邊使用載荷系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對各類載荷隨機(jī)性的單獨(dú)考慮，左邊使用阻力系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對阻力隨機(jī)性的考慮。壓力容器的兩個(gè)根本問題是安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，可靠性評定則直接關(guān)聯(lián)看安全和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面[10]oLRFD法基于可靠度理論的設(shè)計(jì)理念可獲得更合理的安全裕度，在保證了安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。7.討論與展望基于可靠度理論的壓力容黠設(shè)計(jì)是一個(gè)較新的領(lǐng)域，國內(nèi)很多專家學(xué)者也做大量的實(shí)踐和研究[10-18]o該設(shè)計(jì)方法需要知道各設(shè)計(jì)變量的分布特征，因而需要足夠多的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上才能找出載荷和阻力系數(shù)與可靠度之間的關(guān)系，過去一直沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可循°ASMEVff-2[6]引入LRFD法，并給出了各種載荷組合對應(yīng)的載荷系數(shù)，為基于可靠度理論的壓力容器設(shè)計(jì)方法提供了實(shí)施依據(jù)和操作細(xì)則。ASD法始于上世紀(jì)20年代，目前仍被廣泛應(yīng)用，是目前的主流方法。LRFD法是一種更具創(chuàng)新性的新方法，也是ASME規(guī)范⑹抗衡EN13445E19]的五項(xiàng)前沿技術(shù)之一[20]。任何工業(yè)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展都需要不斷的創(chuàng)新，在壓力容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域引入LRFD法無疑是壓力容器設(shè)計(jì)的重大進(jìn)展之一，為確保壓力容器的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性提供了另一重要途徑，相信不久的將來，LRFD法很可能會(huì)超越或替代ASD法。參考文獻(xiàn)[11GB150-199&鋼制壓力容器[S].中國：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007[21JB4732-1995,鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2005確認(rèn))[S].中國：新華出版社，2007.LoadandResistanceFactorDesignSpecificationforStructuralSteelBuildings[s].AmericanInstituteofSteelConstruction,INC,1999劉玉姝，美國LRFD鋼結(jié)果規(guī)范介紹(V)[J]建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2002,4(2):51-57劉建，美國AASHTOLRFD公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范歷史和現(xiàn)狀[J]公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2010,70(11):406-409[612007ASMEBoiler&PressureVesselCode,VUIDivision2,AlternativeRules,RulesforConstructionofPressureVessels[S].July1,2007Avrithi,K.uRe1iabi1ity-BasedDesignofPiping:InternalPressure,Gravity,Earthquake,andThermalExpansion,Ph.Dthesis,UniversityofMaryland,CollegePark,MD;2007MinimumDesignLoadsforbuildingsandotherStructures[s]?\mericanSocietyofCivi1Engineers,2006秦叔經(jīng)，壓力容器標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中分析設(shè)計(jì)方法的進(jìn)展[J].化工設(shè)備與管道，2011,(1):P1-8劉應(yīng)平，壓力容器的可靠性分析[J]?工業(yè)安全與防塵，2000, 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明A0滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)A1在平衡狀態(tài)下，奧氏體、鐵素體、滲碳體或碳化物共存的溫度，即一般所說的下臨界點(diǎn)，也可寫成AelA3亞共析鋼在平衡狀態(tài)下，奧氏體和鐵素體共存的最高溫度，即亞共析鋼的上臨界點(diǎn)，也可寫成Ae3Acm過共析鋼在平衡狀態(tài)下，奧氏體和滲碳體或碳化物共存的最高溫度，即過共命鋼的上臨界點(diǎn)，也可寫成AecmA4在平衡狀態(tài)下8相和奧氏體共存的最低溫度，也可寫為Ae4Acl鋼加熱，開始形成奧氏體的溫度Ac3亞共析鋼加熱時(shí)，所有鐵素體均轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏休的溫度Accm過共析鋼加熱時(shí)，所有滲碳體和碳化物完全溶入奧氏體的溫度Ac4低碳亞共析鋼加熱時(shí)，奧氏體開始轉(zhuǎn)變6相的溫度Ari鋼高溫輿氏依化后冷卻時(shí)，奧氏體分解為鐵素體和珠光體的溫度Ar3亞共析鋼高溫奧氏體化后冷卻時(shí)，鐵素體開始析出的溫度Arcm過共析鋼高溫奧氏體化后冷卻時(shí)，滲碳體或碳化物開始析出的溫度Ar4鋼在高溫形成的5相冷卻時(shí)，完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度Bs鋼奧氏體化后冷卻時(shí)，奧氏體開始分解為貝氏體的溫度Ms鋼奧氏體化后冷卻時(shí)，其中奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度Ml奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的終了溫度不銹鋼的耐腐蝕性2011年9不銹鋼的耐腐蝕性2011年9月8日2011-09-0808:42：22分類:默認(rèn)分類1不銹鋼的耐腐蝕性一、關(guān)于不銹鋼材質(zhì)耐氯離子腐蝕標(biāo)準(zhǔn)可參照《火電廠循環(huán)水處理》一書第179頁，明確約定：（1） 、T304不銹鋼氯離子含量為0-200mg/L;（2） 、T316不銹鋼氯離子含量為VlOOOmg/L；（3） 、T317不銹鋼氯離子含量為V5000m/Lgo二、對板式換熱黠腐蝕進(jìn)行了分析，結(jié)合不同氯離子含量、不同溫度對不同材料的腐蝕界限，對以循環(huán)水為冷卻介質(zhì)的板式換熱器由于冷卻水氯離子含量對材料選擇的影響進(jìn)行了分析。在石油化工裝置設(shè)計(jì)過程中，對設(shè)備材料的選擇經(jīng)常要考慮各種不同的因素，其中腐蝕是要考慮的因素之一，尤其是考慮裝置長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證設(shè)備不內(nèi)漏，選擇合適的抗腐蝕設(shè)備材料更為重要。筆者在此就板式換熱器可能的腐蝕性進(jìn)行分析和對以循環(huán)水為冷卻介質(zhì)的板式換熱器由于循環(huán)冷卻水氯離子含量對材料選擇的影響進(jìn)行探討。我們知道，板式換熱器以傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸方便、占地面積小、適用范圍廣等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。板式換熱器由兩片側(cè)壓板、多片內(nèi)板一般來講，304可耐氯離子濃度為200mg/L左右，316L可耐800mg/L左右。若系統(tǒng)壓力較高（5-6Bar），氯離子濃度又高于10000mg/L,316L也就撐兩年即會(huì)穿孔。對于用于被冷介質(zhì)無腐蝕的板式換熱器，一般兩端的側(cè)壓板和進(jìn)出管口的材質(zhì)為碳鋼，而內(nèi)板片通常采用0.5-0.8mm厚的不銹鋼、或合金板片壓制。由于水中的氯離子對不銹鋼、合金鋼會(huì)產(chǎn)生不同程度的腐蝕，因此用于被冷介質(zhì)無腐蝕的板式換熱器，內(nèi)板片材料的選擇就取決于循環(huán)冷卻水中氯離子含量的多少。當(dāng)然，溫度的高低也是決定氯離子對內(nèi)板片腐蝕程度的主要因素。1、腐蝕性分析：腐蝕的種類很多，金屬腐蝕的形態(tài)可分為均勻腐蝕和局部腐蝕，前者較均勻的發(fā)生在金屬全部表面，后者只發(fā)生在局部。局部腐蝕典型的有：晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、電偶腐蝕、沖刷腐蝕、腐蝕疲勞、脫層腐蝕。有氯離子存在的循環(huán)冷卻水對板式換熱器主要損害腐蝕是點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕。點(diǎn)腐蝕也稱為孔腐蝕，是高度局部的腐蝕形態(tài)，在金屬表面腐蝕成坑，更進(jìn)一步形成深孔使金屬板穿透。在板式換熱器內(nèi)，內(nèi)板表面一般會(huì)覆蓋保護(hù)性的鈍化膜，腐蝕較輕微，但會(huì)由于板面上的缺陷（如：劃痕、撞點(diǎn).非金屬夾雜物等）致使微小破口暴露的金屬成為電池陽極，周圍擴(kuò)大面積的膜成為陰極，陽極電流高度集中，使腐蝕迅速向內(nèi)發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生局部的嚴(yán)重腐蝕點(diǎn)。應(yīng)力腐蝕是在金屬板存在拉應(yīng)力的情況下且有腐蝕造成金屬板破裂，也稱為應(yīng)力腐蝕破裂。對于板式熱交換器，內(nèi)的應(yīng)力腐蝕?？p隙腐蝕是點(diǎn)腐蝕的特殊形式，發(fā)生在縫隙內(nèi)，破壞形態(tài)為溝縫狀，嚴(yán)重者可穿透。對于板式熱交換器，內(nèi)板片四周是采用密封墊由板片相互壓緊來密封的，兩板片之間，一面有密封槽另一面一般為平面，在壓緊以后的墊圈與板片之間會(huì)存在縫隙。另外，板片與板片之間交替排列、夾緊，使相鄰板片波紋頂端相互交叉形成大量接觸點(diǎn)，觸點(diǎn)周圍也將形成縫隙?？p隙內(nèi)是缺氧區(qū)，也處于閉塞狀態(tài)，縫內(nèi)pH值下降，氯離子濃度增大，由此加速腐蝕。因此縫隙腐蝕也是奧氏不銹鋼板式換熱器的典型腐蝕。2、 溫度對腐蝕的影響：腐蝕是一種化學(xué)反應(yīng)，每升溫10[FS:PAGE]°C腐蝕的速度約增加1-3倍。通常腐蝕率總是隨著溫度升高而加快，溫度升高，擴(kuò)散速度增加，電解液電阻下降，使腐蝕電池的反應(yīng)加快。當(dāng)然也有例外，當(dāng)升溫可以降低其它因素的作用，腐蝕有可能隨之降低；但該例外對板式換熱器不適用。3、 循環(huán)水中的氯離子來源與含量：循環(huán)水中的氯離子來源于循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水所帶的氯離子和補(bǔ)充水的處理加氯、循環(huán)冷卻水處理加氯。氯離子含量的多少主要取決于循環(huán)水的濃縮倍數(shù)。對于補(bǔ)充水的處理加氯和循環(huán)冷卻水處理加氯所帶來的氯離子并不是主要的，根據(jù)國標(biāo)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5005095規(guī)定，補(bǔ)充水加氯處理游離性余氯量需控制在0.1-0.2mg/L,敞開式循環(huán)冷卻水的加氯處理余氯量控制在0.5-1.0m/L。主要的還是補(bǔ)充水所帶的氯離子，因此補(bǔ)充水的來源不同，便得循環(huán)冷卻水中所含的氯離R子含量不同。(1)對于敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，水在循環(huán)水塔冷卻的過程中將會(huì)不斷的蒸發(fā)，被蒸發(fā)的水分相當(dāng)于蒸館水，原部分水中所含的雜質(zhì)、鹽分、氯離子均留在了循環(huán)水中，因而造成鹽分、氯離子濃度增加。按照GB5005095規(guī)定。敞開式循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)不應(yīng)小于3.0L2，因而在設(shè)計(jì)時(shí)濃縮倍數(shù)往往大于3,通常取4,甚至有取5的。那么循環(huán)冷卻水中的氯離子含量也就隨濃縮倍數(shù)的增加按補(bǔ)充水中氯離子含量成倍增加。(2)根據(jù)國標(biāo)《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》CJ302093和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB38382002，對于氯含量(以氯離子計(jì))的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求為250mg/L,如以此為標(biāo)準(zhǔn)，再考慮循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)不應(yīng)小于3.0的要求，那么就意味著按國標(biāo)的水質(zhì)補(bǔ)水，循環(huán)冷卻水的氯離子含量最低會(huì)達(dá)到750mg/L。實(shí)際上，補(bǔ)充水水源不論是地表水、地下水，還是自來水，氯離子含量達(dá)到250mg/L并不多，循環(huán)冷卻水的氯離子含量不會(huì)達(dá)到750mg/L。按照GB5005095的規(guī)定，對于碳鋼換熱設(shè)備，要求循環(huán)冷卻水氯離子含量WlOOOmg/L,對于不銹鋼換熱設(shè)備，要求循環(huán)冷卻水氯離子含量V300mg/L。如果水的比重按近似1000g/L考慮，循環(huán)冷卻水氯離子含量最高可按3X10(300ppm)考慮。4、循環(huán)冷卻水中氯離子對材料選擇的影響：循環(huán)冷卻水中的氯離子含量越高對材料不腐蝕適應(yīng)的溫度越低，如果溫度不變，氯離子含量越高對材料不腐蝕所要求的材料材質(zhì)越高。所以，循環(huán)水中氯離子含量的多少和板式熱交換器內(nèi)被冷卻介質(zhì)和循環(huán)冷卻水的溫度高低對選擇板式換熱器內(nèi)板材料非常關(guān)鍵。如果以GB5005095的規(guī)定，循環(huán)冷卻水氯離子含量W300mg/L(近似300ppm)考慮，不銹鋼換熱設(shè)備不同材料所對應(yīng)的適應(yīng)冷卻水溫度(按不腐蝕界限)，304不銹鋼最高適應(yīng)10乜，316不銹鋼最高適應(yīng)40"。如以在工程設(shè)計(jì)中循環(huán)水出口溫度按40-42°C考慮，則這兩種材料均不可用，需要選擇更高的材料。事實(shí)上，真正使循環(huán)冷卻水氯離子含量達(dá)到300mg/L的并不多。只有在不能確定循環(huán)冷卻水氯離子含量時(shí)，可按GB5005095的規(guī)定以300ppm考慮（尤其是新建工廠常常會(huì)這樣）。不過以此為依據(jù)選板式換熱器板片材料，可能會(huì)造成選材過高而增加設(shè)備投資。因此，最好能確定氯離子含量，如根據(jù)循環(huán)冷卻水實(shí)測或根據(jù)補(bǔ)充水中氯離子含量和循環(huán)水濃縮倍數(shù)來確定。事實(shí)上，當(dāng)循環(huán)水的補(bǔ)充水源氯離子含量、循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)確定時(shí)，相應(yīng)的循環(huán)冷卻水氯離子含量就基本確定了。筆者在從事多年化工設(shè)計(jì)的過程中，除個(gè)別按GB50050-95規(guī)定的外，碰見過循環(huán)冷卻水氯離子含量高的按2.50X10（250ppm）考慮，低的按9.0X10（90ppm）考慮。[FS:PAGE]作為板式換熱器板片材料選擇，在此假定循環(huán)冷卻水氯離子含量為1.20X10（120pp