壓力容器制造的安全評定與風(fēng)險(xiǎn)分析

1分離器（產(chǎn)品編號94112007）的應(yīng)力計(jì)算

應(yīng)力分析采用有限元分析方法，分析中采用高級結(jié)構(gòu)分析程度SuperSAP - 91進(jìn)行，該軟件具有強(qiáng)大的前后處理功能，計(jì)算效率高、精度好。

1. 1計(jì)算依據(jù)

容器筒內(nèi)徑D i：500mm

容器設(shè)計(jì)壓力p：0. 9MPa

碟形封頭設(shè)計(jì)厚度S 1：3mm

筒體設(shè)計(jì)厚度S 2：3mm

容器材料：12X18H10T（俄羅斯牌號）

材料屈服強(qiáng)度σy：240MPa

材料抗拉強(qiáng)度σu：540MPa

封頭和筒體連接處環(huán)焊縫最大錯(cuò)邊量3mm

1. 2有錯(cuò)邊時(shí)分離器的計(jì)算模型

分離器筒體與封頭連接處環(huán)焊縫有錯(cuò)邊量，主要是由于封頭在制造時(shí)尺寸偏大造成的。致使封頭與筒體組對焊接后產(chǎn)生較大的錯(cuò)邊量?？紤]到容器的實(shí)際情況，我們提出了計(jì)算模型。

0°位沒有錯(cuò)邊量， 180°位錯(cuò)邊量最大（3mm） ，在0°～180°之間錯(cuò)邊量逐漸增加。由于錯(cuò)邊使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非軸對稱性，本文采用板殼單元進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。計(jì)算模型共分2700個(gè)板殼單元和2701個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算是在Pentium586/ 75機(jī)器上進(jìn)行的。

1. 3分離器應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：在筒體，封頭與筒連接處（約離連接線1mm）存在最高應(yīng)力，其值達(dá)159. 08MPa ；在封頭上，碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處存在最高應(yīng)力，其值達(dá)198. 46MPa。分離器總體應(yīng)力分布、分離器封頭與筒連接處應(yīng)力分布和分離器碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處應(yīng)力分布圖略。

2超標(biāo)缺陷容器的強(qiáng)度評定

超標(biāo)缺陷容器的強(qiáng)度評定是依據(jù)GB150 - 98和JB4732 - 95進(jìn)行的。

GB150 - 98以彈性失效為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，要求保證容器在工作時(shí)完全處于彈性狀態(tài)，即容器上任一點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到屈服就認(rèn)為該容器已經(jīng)失效，其應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)為：σ≤<σ>強(qiáng)度理論采用最大剪應(yīng)力理論。

JB4732 - 95以彈性分析為基礎(chǔ)，根據(jù)不同應(yīng)力對容器的不同危害對應(yīng)力加以分類，并分別加以限制。如果結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定與安定的，則允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部塑性區(qū)。各類應(yīng)力及其組合都應(yīng)滿足以下應(yīng)力強(qiáng)度控制條件。

SⅠ= P m≤KS m SⅡ= P m + P L≤1. 5 KS m SⅢ= P m + P L + P b≤1. 5 KS m SⅣ= P m + P L + P b + Q≤3S m SⅤ= P m + P L + P b + Q + F≤S a其中： P m為總體一次薄膜應(yīng)力， P L為局部一次薄膜應(yīng)力， P b為一次彎曲應(yīng)力， Q為二次應(yīng)力， F為峰值應(yīng)力， S m為應(yīng)力強(qiáng)度許用極限， S a為允許交變應(yīng)力強(qiáng)度幅， K為載荷組合系數(shù)。

按GB150 - 98計(jì)算，封頭與筒體連接處的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力<σ> = 160MPa ，強(qiáng)度合格；碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處的內(nèi)壁有34. 85mm區(qū)域的應(yīng)力超過160MPa ，強(qiáng)度不合格。

按JB4732 - 95的應(yīng)力分類，碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處存在一次彎曲應(yīng)力P b，此時(shí)的應(yīng)力由總體薄膜應(yīng)力P m和一次彎曲應(yīng)力P b組成，其應(yīng)力強(qiáng)度許用極限為1. 5<σ> = 240MPa ，分離器封頭經(jīng)線大小圓相接處最高應(yīng)力為198. 46MPa ，小于應(yīng)力強(qiáng)度許用極限，強(qiáng)度合格。對于環(huán)焊縫連接區(qū)域存在二次應(yīng)力Q ，此時(shí)的應(yīng)力由總體薄膜應(yīng)力P m、一次彎曲應(yīng)力P b和二次應(yīng)力Q組成，其應(yīng)力強(qiáng)度許用極限為3 <σ> = 480MPa ，而封頭與筒體連接處應(yīng)力最高值為159. 08 ，小于應(yīng)力強(qiáng)度許用極限，強(qiáng)度合格。

3風(fēng)險(xiǎn)分析

本抽樣方法是在15臺容器中抽取5臺容器進(jìn)行錯(cuò)邊應(yīng)力分析計(jì)算和強(qiáng)度評定。若5臺容器均合格就判為全部15臺容器合格，顯然此計(jì)算結(jié)果需承擔(dān)一定風(fēng)險(xiǎn)，為此必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)度的分析。

設(shè)樣本數(shù)為N ，抽數(shù)為n ，合格評定數(shù)為c ，則抽樣方案為（ N ， n ， c） ，對本例而言為（15 ，5 ，0）。即15臺容器中，抽取5臺進(jìn)行錯(cuò)邊應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度評定，若5臺中沒有不合格者則判為全部容器合格。

令β代表不合格容器誤判為合格容器的概率，對本例而言，即為本計(jì)算結(jié)果要承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)度。

如p 1表示極限質(zhì)量水平，也稱不合格品率，則L p 1 =Θx 2 n p t k x ，2 c +2 =β式中L（ p 1）為概率， 2c + 2為x 2分布的自由度，x為變量， k（ x ，2c + 2）為函數(shù)。利用x 2分布的上側(cè)分位點(diǎn)，可寫為x 2β2 c + 2 = 2 n p 1.

按常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)度取值β≈20% ，則本例抽樣5臺只能推斷15臺容器中的10臺容器合格，即另5臺容器難以推斷其合格與否。否則承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)很大。

4結(jié)論

（1）對5臺含幾何超標(biāo)缺陷的容器進(jìn)行有限元計(jì)算表明，無論是帶錯(cuò)邊的容器還是帶褶皺的容器，其最大應(yīng)力位置并不在封頭與筒體連接處，而是處在碟形封頭經(jīng)線大小圓相接處。

（2）除分離器（94112007）和容器（940404）外，其余容器的應(yīng)力皆滿足GB150 - 89的強(qiáng)度要求；分離器（94112007）和容器（940404）的應(yīng)力狀況滿足JB4732 - 95的強(qiáng)度要求。

（3）從15臺含幾何超標(biāo)缺陷容器中選取5臺進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度評定，計(jì)算結(jié)果具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。若按一般風(fēng)險(xiǎn)度為20 %左右估計(jì)，則可能出現(xiàn)的不合格品率為1/ 3 ，即本例的抽樣數(shù)全部合格只能推斷15臺容器中的10臺容器合格，另5臺容器難以推斷其合格與否。