可靠性方法在压力容器设计中的应用及探讨

叶柯柯，姚正鑫

（中核嘉华设备制造股份公司，甘肃嘉峪关 735100）

0 引言

可靠性代表着经久耐用和坚固牢靠，可靠性不仅能体现出设备安全性也能够体现出效率。压力容器的应用范围较广，如核动力设施、石油化工设施、国防军工设施等，这些行业都直接影响到我国的社会利益和国家利益，因此压力容器设计过程中设计方法的可靠性研究十分重要，是设备安全平稳运行的保证。

1 压力容器设计的可靠性要求

1.1 运行可靠性

设计压力容器时首先要从设备的运行环境着手，要确保压力容器能够承受较高的温度和较高的压力，尽力提升压力容器的抗腐蚀能力。在确保容器使用效果的前提下提升其封闭性，采用科学合理的方法处理压力容器运行过程中产生的能量，将对压力容器的破坏性尽量减少到最低。通过可靠性设计确保压力容器能够可靠稳定地运行。

1.2 经济实用性

设计压力容器时不仅要确保其安全性和稳定性，还要对结构进行适当的简化，以降低生产成本。设计过程中一旦出现问题则需要及时与专家进行沟通，对问题进行分析并制定相应的处理对策，最大限度提升压力容器的质量，以有效控制后期的维保费用，降低企业的投入成本，增加企业的市场竞争力，提升企业的经济效益。可通过BIM 技术对压力容器的设计进行数字建模，通过模拟设计和模拟生产的过程来降低试制的成本和避免资源浪费，同时也能对设备运行的过程进行详细观察，及时发现问题、解决问题。

1.3 使用寿命长

压力容器在应用过程中必然会接触具有腐蚀性的介质，容器的外壳会因为这些介质而腐蚀，进而影响容器的运行年限。从目前的设计角度来看，许多设计人员只注重如何精简设备结构、降低生产成本及提升运行稳定性，并没有对腐蚀影响因素进行深入分析和研究。设计压力容器时需要对腐蚀材料进行分类分析，以提升容器外壳的抗腐蚀性，还要对外壳进行优化设计，例如顶盖能够更加方便的拆装，能够快速拆装的密封结构有效降低生产成本，也能提升维修的效率和质量。

2 可靠性方法在压力容器设计中的应用

2.1 方法

2.1.1 数学方法

采用可靠性数学中的建模方式有助于压力容器的设计，可靠性数学是应用数学中较为重要的一个分支，涉及到的可靠性问题能够采用建模的方式展现出来，利用概率学和运筹学对其进行深入研究，可有效解决设计中的可靠性问题。压力容器在设计的过程中通过使用可靠性数学对容器故障进行排查和研究，对故障出现的规律进行观察和统计，并对设计方案进行分析和评估，从理论方面为设计工作提供保障。

2.1.2 物理方法

压力容器设计过程中采用的可靠性物理方法的主要作用是对压力容器的故障进行深入分析，分析故障的基本原理并对设备的故障进行实时检测。结合设计参数构建出物理模型，对压力容器的失效情况进行分析和研究，并根据研究结果提出具有针对性的应对及防范方案，确保压力容器在设计过程中规避失效隐患，提升设计的可靠性、合理性和科学性。

2.1.3 工程方法

采用可靠性工程方法能够对压力容器的失效模式进行深入研究，通过对压力容器的失效概率进行分析和计算预估失效形式。通过建模的方式对设计方案进行反复试验，根据试验结果对设计参数的可行性和合理性进行反推。这样能够严格控制失效情况的产生，确保设计方案具备可靠性和合理性。

2.2 应用

2.2.1 数据信息分析

将可靠性设计法应用在压力容器的设计中，应对容器的相关数据信息进行详细分析，并对容器参数变化和随机变量有可能对设计结果造成的影响进行深入研究，通过统计分析数据构建完整的信息数据及数据模型，采用数据概率统计方法对研究对象进行特征描述，以得到准确性更高的统计结果，最后做好记录，配合试验方式和概率学计算对容器的随机性能、应用变量以及设计数据进行合理的预估，对设计压力容器的条件进行分析后优化其设计方法。

2.2.2 明确设计变化

设计人员采用可靠性设计法设计压力容器时应掌控好随机变量，并做好概率计算工作，对设计中有可能出现的变化情况进行深入分析，对压力容器的使用特征进行明确，这样能够有效规避失效等故障情况的出现。另外还需要通过概率学对压力容器的可靠性运行进行记录，对试验数据进行有效分析，明确容器在设计过程中出现的变化因素，如热荷载、物理量以及机械荷载等，对设计方案失败的部分进行研究，并制定有效的对应策略。

2.2.3 优化数值评定

压力容器设计过程中应充分掌握生产参数的变化，对产品的综合性能和生产过程中的数值进行充分论证，充分掌握容器的强度和抵抗力等情况。对设计条件进行分析的同时掌控好相关的数据指标，确保压力容器达到要求的使用状态。产品在设计和制作过程中应对变化因素和失效因素进行分析，对其抗力变化和应力作用进行有效分析。

2.2.4 充分考虑风险

设计压力容器时也要充分考虑随机事件造成的风险问题，通过概率论对风险发生的概率进行推断，查明产品出现故障情况，并明确故障的变化机理，对其进行充分的统计分析和概率论证。设计过程中可根据对风险的推断对压力容器的运行可靠性进行评估，分析压力容器的使用年限，对相关的使用参数进行测定，确保压力容器安全运行。

3 压力容器可靠性设计实例探讨

3.1 压力容器的可靠性设计理论

压力容器的设计目标是在可靠度保证的前提下危险断面的最小抗力不能低于最大应力，否则容器会失去可靠度，发生失效情况。这里的强度和应力均为不确定值，强度与应力为多个随机变量组成，具有分布规律。压力容器采用可靠性设计法能够利用干涉模型对正态分布的强度和应力进行计算。假设压力容器的强度和应力均为随机变量，且均正态分布，则干涉模型理论计算可靠度为：

可靠性安全系数的计算方法有概率安全系数、随机安全系数等。压力容器设计中比较常见的是取强度均值和实际应力的均值之比，即均值安全系数：

将公式代入可得：

从式（4）可以看出，影响安全的具体因素包括可靠度、强度变异系数和应力变异系数，求出强度及应力的变异系数就可以得到与可靠度相对应的安全系数。强度均值和标准差通常是已知的，压力容器筒体最大应力：

3.2 分析讨论

从以上设计实例分析得出，可靠性设计法比常规设计法更加节省资源，也能有效反映出容器的破坏概率即容器的可靠程度。在进行可靠度分析计算的过程中，假设所有随机变量均为正态分布，能够更加简单便捷地计算出随机变量的数值，能够提升设备的安全度。

通过大量的实验计算数据，强度可以通过正态分布来进行计算。从强度与应力的干涉理论能得出右倾斜的应力造成右端的密度过大导致干涉区增大，这样会降低可靠度。因此应力在对数正态分布的条件下，如果按照正态分布条件进行设计无法确保设计的可靠性要求，应根据具体情况进行具体分析。

4 结束语

综上所述，通过对可靠性设计法的原理进行分析，结合实例计算与分析，总结得出压力容器采用常规设计方法虽然安全系数较大但主观随意性同样较大。采用可靠性设计方法具有较为明显的离散性，可以通过分布函数来进行计算，强度与应力均设为随机变量，采用概率统计的方法能够计算出相应的设计数值。可靠性计算法还需要对统计资料进行进一步完善积累，未来的研究方向应是将可靠性设计法的指标科学合理地分配到各个影响因素中，进一步提升可靠性设计法的稳定性，确保压力容器的制造质量。