重慶ASME壓力容器分析設(shè)計(jì)

壓力容器分析設(shè)計(jì)最早源自美國機(jī)械工程師協(xié)會的ASME Ⅲ 《核設(shè)施元件建造規(guī)則》贱案，該協(xié)會于1968年發(fā)布ASME Ⅷ2《壓力容器另一規(guī)則》肛炮。此后30年，各國紛紛參照ASME Ⅷ2制定本國的分析設(shè)計(jì)規(guī)范，但總的來說壓力容器分析設(shè)計(jì)方法與上世紀(jì)六十年代相比變化并不大侨糟。

近15年來碍扔，國際上壓力容器規(guī)范發(fā)生了巨大的變化。歐盟于1997年頒布承壓設(shè)備指令PED秕重，隨后不同，2002年5月30日頒布與其配套的EN 13445《非燃燒壓力容器》建造規(guī)范，提出了很多新理念和新觀點(diǎn)溶耘，這對ASME壓力容器規(guī)范來說二拐，無疑形成了挑戰(zhàn)。

為此凳兵，ASME提出要實(shí)現(xiàn)"Ⅷ2規(guī)范現(xiàn)代化",重新改寫原ASME Ⅷ 2卓鹿，以抗衡EN 13445，并保持在壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范方面的統(tǒng)治地位留荔。這部2007年7月1日頒布的新版ASME Ⅷ 2前后制訂歷時(shí)多年吟孙，系統(tǒng)總結(jié)了近40年來分析設(shè)計(jì)方法在基本思想和基本理念方面的重大進(jìn)展，吸收了諸多壓力容器前沿技術(shù)聚蝶，全面引入了數(shù)值分析方法和無需應(yīng)力分類的彈塑性分析方法杰妓，其主要特點(diǎn)如下:

 以失效模式為主線編制分析設(shè)計(jì)的規(guī)則，考慮了四種失效模式:①整體塑性垮塌失效;②局部失效;③屈曲引起的垮塌失效;④循環(huán)載荷引起的失效,包括疲勞和棘輪碘勉。

 全面引入數(shù)值分析方法(主要是有限元分析)巷挥，對如何將數(shù)值分析應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)制定了一系列應(yīng)該遵循的原則和步驟。規(guī)范所提供的各種設(shè)計(jì)和評定方法大部分都是以數(shù)值分析的結(jié)果為基礎(chǔ)的验靡。

 彈性應(yīng)力分析準(zhǔn)則中的強(qiáng)度理論由第三強(qiáng)度理論改為第四強(qiáng)度理論倍宾。

 除了繼續(xù)應(yīng)用彈性應(yīng)力分析方法外,還對總體塑性垮塌、局部失效胜嗓、屈曲垮塌和循環(huán)失效等4種失效模式全面引入了彈塑性分析方法高职。無須進(jìn)行應(yīng)力分類的分析設(shè)計(jì)方法是壓力容器設(shè)計(jì)現(xiàn)代化的熱點(diǎn)。

 提出了基于載荷和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)(Load and Resistance Factor Design)概念的彈塑性設(shè)計(jì)程序辞州。

 對于局部失效怔锌，提出了基于局部應(yīng)變失效的新設(shè)計(jì)方法。這種方法無需應(yīng)力分類变过。

 對于屈曲垮塌埃元，由于采用了數(shù)值分析方法，可以計(jì)算任意形狀元件的屈曲載荷媚狰，包括彈性屈曲分析和彈塑性屈曲分析岛杀。

 針對焊接接頭疲勞評定，提出了基于當(dāng)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍的評定方法崭孤，該方法對有限元網(wǎng)格不敏感类嗤，也是目前世界上更先進(jìn)的疲勞評定方法之一衫生。

當(dāng)前，全球壓力容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范總體上分為兩大體系土浸，即美國的ASME Ⅷ2和歐盟的EN 13445罪针，其他各國的分析設(shè)計(jì)規(guī)范雖然各有特色，但總的來說沒有脫離這兩部規(guī)范的體系黄伊。ASME鍋爐壓力容器規(guī)范已被100多個(gè)接受泪酱，并作為滿足當(dāng)?shù)貕毫θ萜鞣ㄒ?guī)的技術(shù)規(guī)范。在國內(nèi)还最，美歐分析設(shè)計(jì)方法的工程應(yīng)用也越來越受到業(yè)界的重視墓阀。截至2013年6月16日，我國已有695家廠商取得了1 065張ASME授權(quán)證書拓轻，以更有利地參與全球市場競爭斯撮。但是，就分析設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用扶叉，我國壓力容器分析設(shè)計(jì)人員面臨著眾多挑戰(zhàn)勿锅，主要有以下幾個(gè)方面:

(1) 分析設(shè)計(jì)越來越普遍。相比常規(guī)設(shè)計(jì)(EN 13445稱為公式設(shè)計(jì))枣氧，分析設(shè)計(jì)也變得越來越"常規(guī)"溢十，這個(gè)趨勢在最近幾年尤其明顯。EN 13445(2009)附錄B.1(直接法)中也寫道:分析設(shè)計(jì)為任意元件在任意載荷下的設(shè)計(jì)提供了規(guī)則达吞。其可作為公式設(shè)計(jì)的替代或補(bǔ)充张弛。附錄C.1(彈性分析和應(yīng)力分類)中也有類似表述。EN 13445沒有將分析設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)分為兩部規(guī)范酪劫，新版ASME Ⅷ2規(guī)范也在其第4篇中列入了"規(guī)則設(shè)計(jì)"吞鸭。可預(yù)見覆糟，不久的將來刻剥，分析設(shè)計(jì)不再是一項(xiàng)"技術(shù)"，而只是一種與常規(guī)設(shè)計(jì)可相互替換和補(bǔ)充的設(shè)計(jì)方法而已搪桂，每個(gè)設(shè)計(jì)人員都應(yīng)掌握透敌。

(2) 設(shè)計(jì)人員對計(jì)算機(jī)及程序的應(yīng)用負(fù)責(zé)盯滚。ASME Ⅷ2前言中寫道:委員會認(rèn)為設(shè)計(jì)和分析所用的工具和技術(shù)是隨技術(shù)進(jìn)步而進(jìn)步的踢械，希望工程師在應(yīng)用這些工具時(shí)做出可靠的判斷。規(guī)范既不要求魄藕，也不禁止使用計(jì)算機(jī)來對按規(guī)范要求建造的元件進(jìn)行設(shè)計(jì)或分析内列。但是，采用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)或分析的設(shè)計(jì)人員和工程師應(yīng)注意:他們要對所采用的程序中固有的一切技術(shù)性假設(shè)負(fù)責(zé)背率，且對設(shè)計(jì)中這些程序的應(yīng)用負(fù)責(zé)话瞧。也就是說嫩与，規(guī)范只給出設(shè)計(jì)規(guī)則，至于用什么工具和技術(shù)由設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)交排，這對設(shè)計(jì)人員而言確實(shí)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)划滋。

(3) 數(shù)值分析的性和正確性由設(shè)計(jì)者負(fù)責(zé)。ASME Ⅷ2中5.1.2.3節(jié)寫道:(規(guī)范)對應(yīng)力分析方法埃篓、元件建模及分析結(jié)果的證實(shí)均未提供建議处坪。雖然設(shè)計(jì)過程中的這些方面是重要的，且在分析中必須加以考慮架专，但由于這些方法和設(shè)計(jì)過程的可變性同窘，(規(guī)范)未提供這些主題的詳細(xì)處理方法。但是部脚，的應(yīng)力分析包括所有結(jié)果的證實(shí)作為前言

美國ASME壓力容器分析設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的一個(gè)部分必須提供想邦。再如:ASME Ⅷ2中5.2.3節(jié)的極限載荷分析法和5.2.4節(jié)的彈塑性分析法把極限(塑性垮塌)載荷定義為數(shù)值分析不收斂的那個(gè)點(diǎn)，但對非線性分析求解中的收斂準(zhǔn)則沒給出任何指導(dǎo)委刘。EN 13445(2009)附錄C.1(彈性分析和應(yīng)力分類)中也有類似表述:確定應(yīng)力所采用的方法由制造者負(fù)責(zé)丧没。

(4) 商業(yè)有限元軟件的功能強(qiáng)大而復(fù)雜。如:提供豐富的單元和分析類型锡移，各種自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能骂铁，應(yīng)力線性化，應(yīng)力分類罩抗，疲勞的前拉庵、后處理，焊縫的建模和評估套蒂，優(yōu)化系統(tǒng)钞支，專家系統(tǒng)，知識管理系統(tǒng)操刀，甚至融入了質(zhì)量管理體系烁挟。面對功能如此強(qiáng)大且仍在飛速發(fā)展的有限元軟件，要對其熟練掌握骨坑，無疑是有一定難度的撼嗓。

(5) 規(guī)范與有限元法及程序的融合。目前分析設(shè)計(jì)絕大部分采用有限元法完成欢唾，但規(guī)范對如何運(yùn)用有限元法來進(jìn)行壓力容器及其元件的設(shè)計(jì)和評估并未給出詳細(xì)的指導(dǎo)和明示且警。例如在模型中如何設(shè)置邊界條件或確定衰減長度，如何進(jìn)行螺栓礁遣、焊縫斑芜、局部載荷、管口祟霍、支座杏头、管板等的分析盈包，如何進(jìn)行后屈曲、總體塑性醇王、安定呢燥、蠕變等分析，這些都沒有給出詳細(xì)指導(dǎo)寓娩。如何應(yīng)用有限元軟件來完成一個(gè)符合規(guī)范要求的分析成了設(shè)計(jì)人員必須掌握的技能疮茄。相比分析設(shè)計(jì)規(guī)范的制定，似乎應(yīng)用有限元法來實(shí)施符合規(guī)范要求的分析更有難度根暑。

(6) 對有限元分析過程和結(jié)果的驗(yàn)證力试。相比其他的設(shè)計(jì)方法(如ASME Ⅷ2第4篇中的規(guī)則設(shè)計(jì))，基于有限元法的分析設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)主要問題就是對其過程和結(jié)果的正確性驗(yàn)證排嫌。分析過程中來自設(shè)計(jì)者或者軟畸裳、硬件的主、客觀不確定因素遠(yuǎn)多于解析法或公式法淳地。通俗地講怖糊，不同的人采用不同的軟、硬件會得出不同的結(jié)果颇象，比如屈曲分析中伍伤，由于單元類型或網(wǎng)格劃分的不同，可能出現(xiàn)不同的屈曲模式和屈曲載荷遣钳。此類問題如何驗(yàn)證扰魂，規(guī)范沒有給出指導(dǎo)，僅在其前言中提到:委員會……制定的規(guī)則蕴茴，不能理解為以任何形式限制制造廠自由選擇任何符合規(guī)范規(guī)則的設(shè)計(jì)方法和建造方式劝评。換句話說，有限元分析法的不確定性是不可避免的倦淀，其過程和結(jié)果是否"符合規(guī)范規(guī)則"由設(shè)計(jì)者做出判斷蒋畜。

所以，對設(shè)計(jì)者而言撞叽，即使理解了規(guī)范條款姻成，似乎還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還應(yīng)掌握其他一些基本技能愿棋，如:了解工程現(xiàn)象及其相關(guān)的背景知識科展，能熟練使用有限元分析軟件，能夠?qū)?shí)際結(jié)構(gòu)抽象為數(shù)值模型初斑。簡單地說辛润，就是如何應(yīng)用有限元軟件來完成符合規(guī)范要求的分析和設(shè)計(jì)。這就要求分析設(shè)計(jì)人員要對設(shè)計(jì)規(guī)范有充分的認(rèn)識见秤，理解規(guī)范條款的理論基礎(chǔ)和來源砂竖，了解有限元理論的知識，熟悉有限前言

美國ASME壓力容器分析設(shè)計(jì)元軟件的操作鹃答、計(jì)算原理及其與有限元理論的差異乎澄。設(shè)計(jì)者作為規(guī)范和工具間的橋梁，起著至關(guān)重要的作用测摔，必須既懂規(guī)范又懂工具置济，否則，再先進(jìn)的規(guī)范锋八、再好的軟浙于、硬件設(shè)施也不能得出理想的設(shè)計(jì)方案，甚至還會帶來安全隱患挟纱。