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薄壁內(nèi)壓球形容器的安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力

文檔作者：劉小寧劉岑劉兵袁小會(huì) 張磊肖志余文檔來(lái)源： 1．武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械制造工程系 2．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，			點(diǎn) 擊數(shù)：
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第42卷第6期
2Ol3年11月
百油化]： 設(shè)備
PETRO一( HEMICA1，EQUIPMENT
VoI．42 NO．6
NOV．2Ol3
文章編號(hào)：1000～7466(2013)06—0028—05
薄壁內(nèi)壓球形容器的安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力
劉小寧 ， 劉 岑 ， 劉 兵 ，袁小會(huì) ， 張 磊 ， 肖志余
(1．武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械制造工程系，湖北
2．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢
武漢430205；
430205 )
摘要：確定鋼制薄壁內(nèi)壓球形容器的安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力，是構(gòu)建壓力容器可靠性設(shè)計(jì)體系的基
本內(nèi)容?？紤]容器靜強(qiáng)度與載荷的不確定性，根據(jù)靜強(qiáng)度在耐壓試驗(yàn)和正常操作時(shí)的許用可靠度，
建立了確定容器靜強(qiáng)度安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力的方法。研究表明，對(duì)于鋼制薄壁內(nèi)壓球形容器，屈服
與抗拉安全系數(shù)應(yīng)分別不小于1．45與1．90，試驗(yàn)壓力系數(shù)在氣壓試驗(yàn)與液壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)分別不大
于1．15與1．29。
關(guān)鍵詞：內(nèi)壓球形容器；靜強(qiáng)度；許用可靠度；安全系數(shù)；試驗(yàn)壓力
中圖分類號(hào)：TQo51．3；TH49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10．3969／j．issn．1000—7466．2013．06．007
Safety Factor and Test Pressure of Thin—walled Internal Pressure Spherical Vessel
LIU Xiao-ning ～ ， LIU Cen ，
ZHANG Lei ．
LIU Bing ．YUAN Xiao—hui
XIAO Zhi-yu
(1．Department of M echanical M anufacture Engineering，W uhan Polytechnic
College of Software and Engineering，W uhan 430205，China；
2．School of M echanical and Electrical Engineering，W uhan
Institute of Technology，W uhan 430205，China)
Abstract：Safety factor and test pressure of steel thin—walled internal pressure spherical vessel
were determined，which were essential elements for building a system of reliability design of
pressure vesse1． Considering the uncertainty of vessel static strength and loads，according to
vessel static strength allowable reliability during pressure test and normal operation，the meth—
ods of identified vessel static strength safety factor and test pressure are established．For steel
thin—walled internal pressure spherical vessel，the researching results show that：1)Yield and
tensile safety factor shall not be less than 1．4 5 and 1．9 0 respectively；2) During pneumatic
testing and hydraulic test。the test pressure coefficient should be no greater than 1．1 5 and
1．2 9 respectively．
Key words：internal pressure spherical vessel；static strength；allowable reliability；safety fac—
tor；test pressure
收稿日期：2013—06—02
基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科研項(xiàng)目(B20128801)；武漢市創(chuàng)新人才開(kāi)發(fā)資金重大創(chuàng)新專項(xiàng)資助項(xiàng)目(武人[2008]84號(hào))
作者簡(jiǎn)介：劉小寧(1963一)，男，湖北武漢人，正高職高級(jí)工程師，教授，學(xué)士，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)與壓力容器安全可靠性研
究工作。
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第6期 劉小寧，等：薄壁內(nèi)壓球形容器的安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力
基于我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐情
況 ]，考慮容器靜強(qiáng)度(屈服與抗拉強(qiáng)度)和載荷的
不確定性 ，確定鋼制薄壁內(nèi)壓容器的安全系數(shù)與
試驗(yàn)壓力，是創(chuàng)建壓力容器靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)理論
與方法的重要內(nèi)容，也是壓力容器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)
課題之一 。]。
球形容器是壓力容器的常用型式，文中以按照
我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的鋼制薄壁內(nèi)壓球形容器作為研
究對(duì)象，根據(jù)容器靜強(qiáng)度在耐壓試驗(yàn)和正常操作時(shí)
的許用可靠度，應(yīng)用應(yīng)力一強(qiáng)度干涉模型_2 ]，建立了
確定鋼制薄壁內(nèi)壓球形容器安全系數(shù)以及試驗(yàn)壓力
的方法。
1 基礎(chǔ)理論
容器靜強(qiáng)度的可靠度是指其靜強(qiáng)度大于載荷的
概率，因此確定可靠度的功能函數(shù)為：
y—P 一一Pl (1)
式中，P 、P-分別為容器的靜強(qiáng)度與載荷，MPa。
工程上往往是根據(jù)有限的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推
斷的，得到P 分布參數(shù)在一定置信度下的取值區(qū)間
如下[4-53：
p 一- 1
～
U
一
- 1 ～ (2)
S。一sl～ S： 一s ～ S (3)
cl qu
Cp 一c ～ Cp 一 Or (4)
r
式中， 、S 分別為P 的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，MPa；C
為P 的變異系數(shù)； 、S 分別為P 均值與標(biāo)準(zhǔn)差的
統(tǒng)計(jì)量；“ 為容器靜強(qiáng)度名義值，MPa，用中徑公式
計(jì)算 。上標(biāo)l與u分別表示分布參數(shù)在一定置信
度下可能的較小值與較大值；下標(biāo)r在爆破與屈服
失效準(zhǔn)則下分別為b與S。
當(dāng)P 、P?；痉险龖B(tài)分布時(shí)，根據(jù)應(yīng)力一強(qiáng)度
干涉模型 ，在一定置信度下，可靠度系數(shù)的可能
較小值 與較大值 為：
I
一 _／= 絲啊 )L一 (5)
(s；) + (S )
一一： 竺_ (6)
J(S'r ) +(s )
式中， ¨ S 分別為 -的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。
1．1 容器的工作狀態(tài)與載荷
容器的工作狀態(tài)可分為耐壓試驗(yàn)與正常操
作 ]。根據(jù)試驗(yàn)介質(zhì)不同，耐壓試驗(yàn)分為氣壓試
驗(yàn)、氣一液組合壓力試驗(yàn)及液壓試驗(yàn)；根據(jù)耐壓試驗(yàn)
時(shí)容器最大總體薄膜應(yīng)力的限制水平，耐壓試驗(yàn)可
分為最苛刻耐壓試驗(yàn)與一般耐壓試驗(yàn)。
如果不考慮溫度和液體靜壓力的影響，在正常
操作與一般耐壓試驗(yàn)條件下，容器載荷的均值與標(biāo)
準(zhǔn)差分別為：
=Aft S 一 C (7)
式中， 為設(shè)計(jì)壓力，MPa； 為工作狀態(tài)系數(shù)，在耐
壓試驗(yàn)時(shí)是與試驗(yàn)介質(zhì)有關(guān)的試驗(yàn)壓力系數(shù)，正常
操作時(shí) 一1；C 為P·的變異系數(shù)。
1．2 安全系數(shù)的定義
安全系數(shù)可定義為：
一一t／r (8)
p
式中， 為安全系數(shù)，在屈服與爆破失效準(zhǔn)則下，分
別取屈服與抗拉安全系數(shù) 與‰。
1．3 、 與許用可靠度(系數(shù))之間的關(guān)系
對(duì)于按文獻(xiàn)[1—3]設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的薄
壁內(nèi)壓球形容器，其屈服與爆破強(qiáng)度的許用可靠度
是指文獻(xiàn)[1—3]允許的可靠度范圍，與之對(duì)應(yīng)的當(dāng)量
可靠度系數(shù)稱為許用可靠度系數(shù) 。
由式(2)～ 式(8)可得：
一 一~／=(= =— 絲 一 (9)
rL， I u ) + (aCpj
)
一 ~／二 二 些 —一 (10)
( u L／ 1 nr) + ( c )。
如果已知容器靜強(qiáng)度在正常操作與一般耐壓試
驗(yàn)時(shí)的許用可靠度系數(shù)，由式(9)、式(10)分別可得：
一。l一 √(c； ) +(c 。) 一( c； C ．)
一
A
— — u
一
r
11)
(12)
在正常操作與耐壓試驗(yàn)時(shí)，容器安全系數(shù)n 不
得小于式(11)、式(12)的較大值；在一般耐壓試驗(yàn)
時(shí)，容器試驗(yàn)壓力系數(shù) 不得大于式(11)、式(1 2)的
較小值。
由式(11)、式(12)可知，正常操作時(shí)的安全系數(shù)
與容器失效準(zhǔn)則、許用可靠度、靜強(qiáng)度預(yù)測(cè)和操作壓
力控制的準(zhǔn)確度及精密度有關(guān)，耐壓試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)壓
力系數(shù)與安全系數(shù)之比也與容器失效準(zhǔn)則、許用可
靠度、靜強(qiáng)度預(yù)測(cè)和試驗(yàn)壓力控制的準(zhǔn)確度及精密
度等因素有關(guān)。
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石油化工設(shè)備 2013年第42卷
2 靜強(qiáng)度和載荷的分布規(guī)律與參數(shù)
用中徑公式預(yù)測(cè)薄壁內(nèi)壓球形容器靜強(qiáng)度的隨
機(jī)變量基本符合正態(tài)分布，在置信度為98 時(shí)，其
分布參數(shù)見(jiàn)表1Ⅲ 。
表I 薄壁內(nèi)壓球形容器靜強(qiáng)度分布參數(shù)
參數(shù) 取值
～ l
S ～ S
cl ～c；
～ B
SI～S
ql ～c；b
用設(shè)計(jì)壓力預(yù)測(cè)容器不同工作狀態(tài)載荷的隨機(jī)
變量基本符合正態(tài)分布，耐壓試驗(yàn)和正常操作時(shí)的
變異系數(shù)C ，分別為0．045和0．091 。
3 許用可靠度(系數(shù))
耐壓試驗(yàn)和正常操作時(shí)，薄壁內(nèi)壓球形容器屈
服與爆破強(qiáng)度許用可靠度(系數(shù))按表2確定 ¨ 。
表2 不同工作狀態(tài)下薄壁內(nèi)壓球形容器許用可靠度(系數(shù))
注：1)包括氣一液組合壓力試驗(yàn)。
2)0．9。4457：0．994 457，以此類推。
4 安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力
由表l、表2及式(11)、式(12)可得a／n 的范
圍，見(jiàn)表3。
表3 不同工作狀態(tài)下薄壁內(nèi)壓球形容器 ／，l 的范圍
4．I 安全系數(shù)
按文獻(xiàn)[1，2]，液壓試驗(yàn)時(shí) 一1．25，氣壓試驗(yàn)、
氣一液組合壓力試驗(yàn)時(shí) 一1．10，正常操作時(shí)工作狀
態(tài)系數(shù) —l，基于滿足表2的許用可靠度，根據(jù)表3
可得到所要求的最小安全系數(shù)，見(jiàn)表4。
表4 不同工作狀態(tài)下薄壁內(nèi)壓球形容器，l 最小值
由表4可知，在不同工作狀態(tài)時(shí)，根據(jù)失效準(zhǔn)
則、許用可靠度、靜強(qiáng)度預(yù)測(cè)和載荷控制的準(zhǔn)確度及
精密度，可計(jì)算容器的安全系數(shù)范圍，確定最小安全
系數(shù)。在置信度98 時(shí)，鋼制薄壁內(nèi)壓球形容器屈
服與抗拉安全系數(shù)的最小值分別為1．45與1．9O，
由正常操作時(shí)的許用可靠度等因素確定。文獻(xiàn)[1，
2]取 一1．50與 一2．70偏于安全。
4．2 試驗(yàn)壓力系數(shù)
為確保耐壓試驗(yàn)的效果，防止容器在耐壓試驗(yàn)
時(shí)出現(xiàn)不必要的事故，必須控制試驗(yàn)壓力系數(shù) 的
下限與上限。試驗(yàn)壓力系數(shù)的下限與置信度和試驗(yàn)
壓力控制的準(zhǔn)確度及精密度有關(guān)，置信度95 時(shí)，
下限值為1．O8ll ]。由式(11)、式(12)可知，試驗(yàn)
壓力系數(shù)的上限不但與失效準(zhǔn)則、許用可靠度、安全
系數(shù)和試驗(yàn)介質(zhì)有關(guān)，而且與靜強(qiáng)度預(yù)測(cè)和載荷控
制的準(zhǔn)確度及精密度有關(guān)。
當(dāng) 。一1．45與 一1．90或 一1．50與 一
2．7O時(shí)，根據(jù)表3可得到 上限，見(jiàn)表5。
表5 試驗(yàn)壓力系數(shù) 上限
由表5可知，當(dāng) 一I．45與 b—I．90時(shí)，根
據(jù)屈服失效準(zhǔn)則、許用可靠度、屈服安全系數(shù)、試
驗(yàn)介質(zhì)、屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)和試驗(yàn)壓力控制的準(zhǔn)確度
與精密度，可確定試驗(yàn)壓力系數(shù) 的上限，在液壓
試驗(yàn)時(shí)為1．29，在氣壓試驗(yàn)或者氣一液組合壓力試
驗(yàn)時(shí)為1．15；當(dāng) 一1．50與 一2．7O時(shí)，試驗(yàn)壓
力系數(shù) 的上限也是根據(jù)屈服失效準(zhǔn)則、許用可靠
度和屈服安全系數(shù)等因素確定的，在液壓試驗(yàn)時(shí)
為1．33，在氣壓試驗(yàn)或者氣一液組合壓力試驗(yàn)時(shí)
為1．19。
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第6期 劉小寧，等：薄壁內(nèi)壓球形容器的安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力 · 31 ·
5 結(jié)語(yǔ)
(1)根據(jù)鋼制薄壁內(nèi)壓容器靜強(qiáng)度在耐壓試驗(yàn)
和正常操作時(shí)的許用可靠度，建立了確定鋼制薄壁
內(nèi)壓球形容器安全系數(shù)與試驗(yàn)壓力的方法。
(2)根據(jù)失效準(zhǔn)則、許用可靠度、靜強(qiáng)度預(yù)測(cè)和
載荷控制的準(zhǔn)確度及精密度，可確定鋼制薄壁內(nèi)壓
球形容器的最小安全系數(shù)。在置信度為98 時(shí)，鋼
制薄壁內(nèi)壓球形容器屈服與抗拉安全系數(shù)的最小值
分別為1．45與1．90，由正常操作時(shí)的許用可靠度
等因素確定。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)取容器屈服安全系數(shù)，z。一
1．50與抗拉安全系數(shù) =2．70偏于安全。
(3)根據(jù)失效準(zhǔn)則、許用可靠度、安全系數(shù)、試驗(yàn)
介質(zhì)、靜強(qiáng)度預(yù)測(cè)和試驗(yàn)壓力控制的準(zhǔn)確度及精密
度，可確定鋼制薄壁內(nèi)壓球形容器試驗(yàn)壓力系數(shù)
的上限；當(dāng)，2。一1．45與 一1．90時(shí)， 的上限由屈
服失效準(zhǔn)則、許用可靠度和屈服安全系數(shù)等因素確
定，液壓試驗(yàn)時(shí)為1．29，氣壓試驗(yàn)或者氣一液組合壓
力試驗(yàn)時(shí)為1．15；當(dāng) 。一lI 50與 一2．70時(shí)， 的
上限也由屈服失效準(zhǔn)則、許用可靠度和屈服安全系
數(shù)等因素確定，液壓試驗(yàn)時(shí)為1．33，氣壓試驗(yàn)或者
氣一液組合壓力試驗(yàn)時(shí)為1．19。
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第42卷第6期
2013年l1月
石油化工設(shè)備
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．42 NO．6
Nov．2Ol3
文章編號(hào)：1000—7466(2013)06-0032—06
埋地鋼制油罐安裝力學(xué)特性分析
宋仕強(qiáng) ，張世富 ，張起欣
(后勤工程學(xué)院a．研究生三隊(duì)；b．國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心；
C．軍事供油工程系，重慶401311)
摘要：針對(duì)埋地油罐的安裝特點(diǎn)，對(duì)埋地油罐的罐外覆土壓力進(jìn)行了分析。應(yīng)用大型通用有限元
分析軟件ANSYS建立了30 m。埋地鋼制油罐的三維有限元模型，并進(jìn)行求解，得出埋地油罐最大
等效應(yīng)力發(fā)生在鞍座尖角處罐體外壁面上。分析了砼鞍座的支撐位置及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)油罐強(qiáng)度的影
響，結(jié)果表明，當(dāng)支撐位置A≤400 rnm 時(shí)，油罐的最大等效應(yīng)力發(fā)生在鞍座外側(cè)邊緣最低點(diǎn)的罐
體內(nèi)壁面上；當(dāng)A>400 mm時(shí)，油罐的最大等效應(yīng)力發(fā)生在鞍座尖角處罐體外壁面上。砼鞍座寬
度及包角對(duì)油罐最大等效應(yīng)力的影響相互獨(dú)立，安裝埋地油罐時(shí)砼鞍座的支撐位置應(yīng)盡量靠近封
頭連接處。
關(guān)鍵詞：埋地油罐；力學(xué)特性；有限元分析
中圖分類號(hào)：TE972；TQo53．2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10．3969／j．issn．1000-7466．2013．06．008
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(張編)
收稿日期：2013—06—15
作者簡(jiǎn)介：宋仕強(qiáng)(1988一)，男，湖南華容人，在讀碩士研究生，現(xiàn)主要從事油氣加注技術(shù)與裝備的研究。

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