压力容器分析设计规范进展介绍与修订探讨

沈 鋆 李 涛

(1. 惠生工程(中国)有限公司；2. 清华大学航天航空学院；3. 浙江大学能源工程学院)

压力容器分析设计规范进展介绍与修订探讨

沈 鋆*1,2李 涛3

(1. 惠生工程(中国)有限公司；2. 清华大学航天航空学院；3. 浙江大学能源工程学院)

在简析美欧分析设计规范技术进展的基础上，针对今后新版JB 4732的修订过程、开发途径、篇章结构、各篇内容及预研课题等进行了的探讨，提出了看法和建议。

压力容器 JB 4732 标准修订 分析设计

压力容器设计主要有两个途径：规则设计(欧盟称公式设计)和分析设计。虽然规则设计方便快捷、使用经验丰富，并占主导地位，但随着现代工业的工艺技术越来越复杂，设计高参数设备时使用规则设计显得过于保守，致使分析设计的重要性和不可替代性也日益凸显，并对提高未来压力容器产品的国际竞争力具有战略性的重要意义。基于应力分析的优化设计不仅可以充分发挥材料性能、降低制造成本，还具有提高操作安全性、降低设备维护费用等优势。

我国压力容器分析设计标准JB 4732主要采用的是应力分类法。该方法由ASME于20世纪50年代提出，1963年引入ASME Ⅲ，1967年引入ASME Ⅷ-2，在压力容器工程领域被世界上绝大多数国家所采纳。然而在几十年的工程实践中，该方法也出现了一些难以克服的问题[1，2]。美国和欧盟基于失效模式的理念陆续提出了全新的分析设计方法，我国JB 4732的修改也正在有序进行中，势必要吸纳近年来的高新技术和先进设计理念，尽快与国际接轨。

1 美欧技术进展

为了避免应力分类法带来的一些问题，美欧相继颁布了以弹-塑性分析方法(欧盟为直接法)为主要特征的新一代分析设计方法——EN13445、ASME Ⅷ-2 2007。这两部新规范中所提出的全新理念和先进设计方法对我国修订现行分析设计标准具有重大的参考价值。近年来，这两部规范得到了国内专家的高度关注，并对其方法和原理进行了研究，同时也进行多方面、多角度的解读[3～19]。EN13445和ASME Ⅷ-2不断更新和修改的历程是对分析设计方法持续改进和完善的过程。

1.1欧盟EN13445的颁布

欧盟技术委员会CEN TC54于2002年颁布了第一版欧盟统一标准——EN13445-3《非接触火焰压力容器》。该规范中的分析设计直接法引起了全球关注。为解决应力分类法在工程应用中遇到的问题，分析设计直接法试图通过以下几个方面来解决：

a. 直接针对失效模式给出校核和处理方法；

b. 允许使用非线性本构模型；

c. 对各种作用(Action)的组合应用多安全系数(Multiple Safety Factor)；

d. 规定主要技术目标并结合适用规则来满足这些目标。

1.2新版ASME Ⅷ-2的修订

早在1998年，ASME标准委员会为保证ASME规范在技术上的持久竞争力、便于在规范中融入新技术和便于规范的发展，提出了“ASME Ⅷ-2现代化的口号”，启动了重新编写ASME Ⅷ-2这一项目。

2007年，新版ASME Ⅷ-2颁布，在用户使用和委员会修订的便利性方面有了极大的提高，并全面采用了近年来的研究成果，如材料性能参数计算的公式化、基于失效模式的设计方法、安全系数的降低、强度理论的变化、材料要求及制造要求的变化等。新版ASME Ⅷ-2吸纳了世界的先进标准，并融入了许多新技术，从安全性和经济性的最佳结合点入手，为压力容器设计和制造提供了更为全面的指导。

2 JB 4732修订探讨

经过几十年的努力，中国的承压设备标准已经取得了极大的提高，初步建立了适合中国国情、技术指标与国际接轨的标准体系，完成了以GB 150-2011[20]、JB 4732[22]和GB/T 151-2014[23]为代表的固定式压力容器核心产品标准[24]。

从文献[25～28]可以看出，近年来，GB 150、GB/T 151等主要压力容器规范为保持其先进性都进行了修订。但是，JB 4732自1995年颁布以来，只于2005年进行了一次确认，并没有进行过大幅修订。如今美欧都颁布了新一代分析设计规范，我国的JB 4732也应该从设计理念、安全系数及分析方法等方面着手进行修订，以此来反映1995年JB 4732首次颁布后，国内技术的不断进步与更新，工程应用经验的不断积累与丰富，并在技术指标和内容上与国际接轨；以提高我国压力容器设计的国际竞争力。

JB 4732的修订需要在自主研发和借鉴消化美欧技术成果的基础上来实现我国分析设计标准的现代化。笔者将对近年来分析设计方面一些公认的可吸纳的先进技术进行简要介绍。

2.1总体构架与国际接轨

2.1.1规则设计与分析设计并列

新版ASMEⅧ-2中，规则设计与分析设计并列，是既相互独立又相互补充的两部分。规则设计能独立完成的设计，可以直接应用，不必再做分析设计；规则设计不能独立完成的设计(如疲劳、复杂几何形状和载荷的情况)，可以用分析设计来补充完成。

JB 4732中以公式设计为基础的“规则设计”放在正文中，而以有限元法为基础的“分析设计”是以附录形式出现的。今后修订可将这两部分并列列于正文。一方面，结构清晰，与国际接轨；另一方也突出了“规则设计”和“分析设计”同为设计方法的地位同等性，既独立又互补。

2.1.2失效模式作为编制主线

新版ASMEⅧ-2以失效模式为主线，针对不同的失效模式，规定了不同的设计计算方法和相应的设计准则。

新版JB 4732分析设计部分应该至少考虑失效模式，并针对每一种失效模式，给出一种或几种校核方法和步骤(表1)。

表1 新版JB 4732分析设计部分需 考虑的失效模式和校核方法

2.2安全系数

研究成果已经证实，安全系数的降低并不直接影响设备的安全性。标准应该调研已有材料的以往使用情况，参考国外同类标准，结合以往使用经验，考虑各种风险程度和相关因素，从而确定对应的设计裕量[21]。

2.2.1抗拉强度的安全系数

降低安全系数是目前世界各国和地区承压设备标准的普遍倾向，美国(ASME)和欧盟压力容器标准均降低了相应的安全系数，美国ASMEⅧ-1 2007将nb由4.0降为3.5，ASMEⅧ-2 2007将nb由3.0降为2.4。

我国抗拉强度的安全系数按照《固容规》[29]调整为2.4。材料安全系数确定后，应根据计算方法的精确度、材料性能的稳定性、制造检验水平及运行管理水平等来确定载荷系数。以便引入基于可靠性的载荷和抗力系数法，此方法与欧盟的分安全系数理念是一致的。

2.2.2载荷系数

许用应力设计(Allowable Stress Design，ASD)法是压力容器设计最为常用的设计方法。ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2 2004版及之前的版本、我国GB 150-2011、JB 4732-1995均采用许用应力设计法。许用应力设计法的主要设计理念是：给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。

各类结构设计除采用ASD法之外，还可以采用另一种方法——载荷和阻力系数设计法(Load and Resistance Factor Design，LRFD )，该法在钢结构、公路桥梁等领域已广泛应用多年[30～32]，新版ASME Ⅷ-2将它收入，作为压力容器的一种设计方法。该法的主要设计理念是：不同的载荷和阻力(强度)采用不同的分安全系数(Partial SafetyFactor)，详细可参阅文献[33]。LRFD 法以可靠度理论的设计理念为基础，可获得更为合理的安全裕度，是一种创新性的新方法，建议JB 4732修订时引入这一先进设计方法。

2.3非线性本构关系

过去设计中常用的几个主要材料性能为屈服强度、抗拉强度、弹性模量、外压曲线及疲劳曲线等。受限于计算能力和复杂程度，大多数设计都基于经验或以实验为基础的图表，模型的本构关系也局限于弹性分析。然而在计算机技术飞速发展的今天，基于非线性本构关系的弹-塑性垮塌分析或弹-塑性疲劳分析已经比较容易实现。

引入弹-塑性分析的前提是建立以真实应力-应变曲线为基础的材料性能库。这些工作耗时耗力，一般通过以下3个途径来实施：实验实测、借鉴国外材料标准和借助数字材料实验室计算。

ASME提出了考虑材料塑性应变强化的本构模型，JB 4732修订时可以借鉴，其表达式如下：

式中γ1——在较小应变范围的真实应变；

γ2——在较大应变范围的真实应变；

εts——真实应变；

σt——真实应力。

γ1、γ2分别有其对应的子公式。

利用该材料模型，只要知道材料的工程屈服强度、工程抗拉强度、弹性模量和断后延伸率，就可以利用上式转换获得材料的真实应力-应变曲线，不需要通过材料拉伸实验去获得。但是该本构模型公式复杂，需要采用计算机编程来提高计算效率。

2.4基于数值计算的先进设计方法

随着近年来计算机软、硬件的高速发展，压力容器行业普遍开始采用以有限元为代表的数值计算进行分析设计。在大开孔接管、球罐、换热器、塔器及加氢反应器等的结构设计中，有限元数值计算正在被设计人员广泛使用。强度分析、传热分析及热固耦合分析等这些基本的分析功能已经日趋成熟。然而随着设备运行情况的复杂性和工程设计的需要，也会逐渐融入更多数值分析的高级功能。

如何紧随数值计算近年来的技术进步、更好地适应以高性能计算机为主要工具的现代化设计方法是JB 4732修订时需要考虑的问题。以下先进的方法，可在修订时进行完善或择优引入：

a. 完善极限分析方法；

b. 引入基于弹塑性的局部应变评定方法；

c. 引入基于弹-塑性有限元分析评定疲劳寿命的新方法；

d. 引入基于结构应力的焊接接头评定方法；

e. 给出实用的应用规则，来指导设计满足规范的技术指标。

2.5引入自主研发的先进设计方法

2.5.1大开孔补强计算方法

薛明德等对带径向接管的圆柱形压力容器提出了一种以薄壳理论为基础的应力分析方法[34]。该方法基于精确的圆柱壳Morley方程解和两圆柱壳交贯线处精确的边界条件，其适用范围扩大至开孔率0.93，并通过一系列密网格三维有限元解验证了解的可靠性。该方法已经被GB 150-2011采纳[35]。

2.5.2带外载的接管计算方法

薛明德等给出了圆柱壳开孔接管在内压与支管载荷作用下的理论解[36]，并完成了可供工程设计使用的指导性文件CSCBPV-TD001-2013[37]。

2.5.3改进后的管板的计算方法

JB 4732附录I中的管板应力计算方法自颁布以来，在工程实践中得到了广泛应用并积累了丰富的设计经验。近期，薛明德等针对管板设计中的应力计算与校核方法提出改进意见[38,39],主要修订内容包括：

a. 带膨胀节的固定式换热器管板计算方法的改进；

b. 管板中最大应力计算方法的改进；

c. 增加了管程压力与壳程压力同时作用的两种校核工况。

这些技术进步在引入GB/T 151的同时，同样可以引入到新版JB 4732中。

3 预研究课题

当今的美欧规范虽然先进，但仍有值得改进之处。我国分析设计标准，在借鉴美欧技术的同时，也需要针对实际国情，展开一些有益的调查和预研究，可从以下几个方向着手，以完善新版分析设计标准的修订。

3.1材料性能的研究

为了采用弹-塑性应力或疲劳分析等先进技术和设计方法，材料性能数据的采集必不可少。至少有以下工作需要完成：

a. 需要基于大量试件，采集各种材料在不同温度下包括硬化效应的真实应力-应变曲线，并要建立相应的数学模型。

b. 需要采集弹-塑性疲劳所需的各种材料的循环应力-应变曲线，并要建立相应的数学模型。

c. LRFD法是基于可靠度的设计方法，强度(即抗力)(Strength Variables)变量，包括屈服极限和强度极限，都看作是随机变量，所以需要采集国内各种材料性能的可靠性数据。

3.2疲劳校核新方法的研究

近十年来，国际上压力容器疲劳设计方法取得了巨大的变革性进展，主要体现在如下几个方面：

a. 对焊接件和非焊接件的疲劳评定区别对待。这是合理也是必要的，因为两者疲劳行为的机理不同。

b. 提出了网格不敏感的疲劳评定方法。这为采用有限元分析进行疲劳分析铺平了道路，提高了评定结果的一致性。

c. 疲劳评定可在设计阶段按不同的失效概率进行设计。

d. 有限元分析软件及其后处理模块的飞速发展。

新版ASME Ⅷ-2针对疲劳失效提出了3种方法，这3种方法相互独立又相互补充，兼顾了安全性和经济性。文献[40～42]分别介绍了这3种方法的原理和技术进展。

3.3屈曲分析及其安全系数

2007版ASME Ⅷ-2中外压壳体设计公式适用于D0/t≤2000的外压元件，较旧版ASME Ⅷ-2只适用于D0/t≤1000的情况，扩大了薄壁的使用范围。当D0/t>2000时，外压元件则按分析设计进行设计。

针对D0/t≤10的厚壁壳体，旧版ASME Ⅷ-2采用强度失效原理进行设计；而2007版ASME Ⅷ-2则以实际应力不超过许用压缩应力为准则，不再区分薄壁或厚壁壳体。

2007版ASME Ⅷ-2给出了不同材料在不同温度条件下的本构关系，包括应力-应变曲线方程及其参数的表格，并在此基础上给出了切向模量的表达式。在非弹性失稳区，使用切向模量对各种载荷情况下的许用压缩应力进行计算。新版的规范用数学公式直接计算方法替代了原来的图算法，但仍然保留了利用第Ⅱ卷D篇第3分篇的外压曲线图计算切向模量的方法。

美欧新一代分析设计规范的特色之一是引入了基于数值计算的屈曲设计方法。屈曲分析与强度分析的一个最大不同点是：结果的不唯一性。不同的影响因素或其不同的组合会导致不同的屈曲模式，根据我国的设计和制造水平确定合理的安全系数是该方法的难点。

我国的压力容器标准体系中，屈曲失效模式下的设计准则和设计方法当前还是一块空白，可从以下几个方面进行研究：

a. 几何缺陷的施加，包括形状和量级；

b. 由制造引起的不均匀和不协调，如坡口组对公差；

c. 加强结构形式的多样化；

d. 机械载荷、热载荷、压力载荷等的组合影响；

e. 焊缝残余应力和组织变化的影响；

f. 新型非金属材料、多层复合材料、各向异性材料的屈曲行为。

3.4安定性的评定方法

目前，采用弹-塑性分析法评定棘轮，研究热点在于材料在循环载荷下的本构特性及其与棘轮的关系。

ASME Ⅷ-2规范保守地采用弹性理想塑性材料，回避了材料的强化问题。国内对安定性分析的研究取得了可喜的进展[43，44]，为今后规范这一部分的修订提供了良好的理论基础。

3.5蠕变与蠕变疲劳

JB 4732的其中一个适用范围为：设计温度应是低于以钢材蠕变控制其许用应力强度的相应温度。当前，化工工艺越来越复杂，有些反应器的工作温度达到了455℃，设计温度482℃[45]。某些铬钼钢在此温度下已进入蠕变阶段。当前已经有一些压力容器设计单位在研究基于数值模拟的蠕变设计方法。适时引入蠕变和蠕变疲劳校核方法，既能满足国内的设计需求，又能紧随美欧分析设计规范的技术进步。

4 总结与展望

随着欧美相继推出各自新一代分析设计规范，分析设计也开始从弹性分析进入了弹-塑性分析的时代，开启了新的历史篇章。同时，数值计算和高性能计算机的飞速发展，也给分析设计提供了契机，新一代分析设计规范的一个显著特征是全面引入数值计算(主要是有限元法)。国内多位专家学者已经开展了这方面的探讨和展望[46～52]，为我国压力容器标准的修订指明了方向。

未来，新版JB 4732应该成为国际上具有较强竞争力的规范，在保证安全的基础上，大大降低压力容器的建造成本。在这样一个技术进步日新月异的大环境下，JB 4732修订的必要性和紧迫性日渐凸显。对包括JB 4732等核心标准在内的承压设备标准制定或修订，都应充分借鉴先进工业国家的标准技术，研究具有自主知识产权的技术内容，不断完善标准体系和技术内容，成为世界各国承压设备标准中有影响力的中国标准。

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*沈 鋆，男，1980年8月生，高级工程师。上海市，201203。

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0254-6094(2016)05-0561-07

2016-03-31，

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ProgressandDiscussionofFormulatingandRevisingAnalysisandDesignSpecificationsforPressureVessels

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