壓力容器的安全評定與風險分析

某鋼廠從俄羅斯引進的製氧工程裝置，經鍋檢部門按gb150 - 98標準檢驗，有20臺壓力容器嚴重超標，被判為不合格。

為不影響鋼廠投產工程進度和確保安全使用，該鋼廠委託我方對這批容器進行強度分析和安全評定。根據廠方要求，從15臺容器中選取5臺作為評定取樣。本文對這5臺容器進行應力分析和強度評定，並以分離器為例說明評定計算過程。

最後根據評定結果做了風險分析。

1分離器（產品編號94112007）的應力計算

應力分析採用有限元分析方法，分析中採用高階結構分析程度supersap - 91進行，該軟體具有強大的前後處理功能，計算效率高、精度好。

1. 1計算依據

容器筒內徑d i：500mm

容器設計壓力p：0. 9mpa

碟形封頭設計厚度s 1：3mm

筒體設計厚度s 2：3mm

容器材料：12x18h10t（俄羅斯牌號）

材料屈服強度σy：240mpa

材料抗拉強度σu：540mpa

封頭和筒體連線處環焊縫最大錯邊量3mm

1. 2有錯邊時分離器的計算模型

分離器筒體與封頭連線處環焊縫有錯邊量，主要是由於封頭在製造時尺寸偏大造成的。致使封頭與筒體組對焊接後產生較大的錯邊量。考慮到容器的實際情況，我們提出了計算模型。

0°位沒有錯邊量， 180°位錯邊量最大（3mm），在0°～180°之間錯邊量逐漸增加。由於錯邊使結構產生非軸對稱性，本文採用板殻單元進行有限元應力分析。計算模型共分2700個板殼單元和2701個節點，計算是在pentium586/ 75機器上進行的。

1. 3分離器應力計算結果

計算結果表明：在筒體，封頭與筒連線處（約離連線線1mm）存在最高應力，其值達159. 08mpa ；在封頭上，碟形封頭經線大小圓相接處存在最高應力，其值達198.

46mpa。分離器總體應力分布、分離器封頭與筒連線處應力分布和分離器碟形封頭經線大小圓相接處應力分布圖略。

2超標缺陷容器的強度評定

超標缺陷容器的強度評定是依據gb150 - 98和jb4732 - 95進行的。

gb150 - 98以彈性失效為設計準則，要求保證容器在工作時完全處於彈性狀態，即容器上任一點的應力達到屈服就認為該容器已經失效，其應力強度判據為：σ≤<σ>強度理論採用最大剪應力理論。

jb4732 - 95以彈性分析為基礎，根據不同應力對容器的不同危害對應力加以分類，並分別加以限制。如果結構是穩定與安定的，則允許結構出現區域性塑性區。各類應力及其組合都應滿足以下應力強度控制條件。

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為總體一次薄膜應力， p l為區域性一次薄膜應力， p b為一次彎曲應力， q為二次應力， f為峰值應力， s m為應力強度許用極限， s a為允許交變應力強度幅， k為載荷組合係數。

按gb150 - 98計算，封頭與筒體連線處的應力均小於許用應力<σ> = 160mpa ，強度合格；碟形封頭經線大小圓相接處的內壁有34. 85mm區域的應力超過160mpa ，強度不合格。

按jb4732 - 95的應力分類，碟形封頭經線大小圓相接處存在一次彎曲應力p b，此時的應力由總體薄膜應力p m和一次彎曲應力p b組成，其應力強度許用極限為1. 5<σ> = 240mpa ，分離器封頭經線大小圓相接處最高應力為198. 46mpa ，小於應力強度許用極限，強度合格。

對於環焊縫連線區域存在二次應力q ，此時的應力由總體薄膜應力p m、一次彎曲應力p b和二次應力q組成，其應力強度許用極限為3 <σ> = 480mpa ，而封頭與筒體連線處應力最高值為159. 08 ，小於應力強度許用極限，強度合格。

3風險分析

本抽樣方法是在15臺容器中抽取5臺容器進行錯邊應力分析計算和強度評定。若5臺容器均合格就判為全部15臺容器合格，顯然此計算結果需承擔一定風險，為此必須進行風險度的分析。

設樣本數為n ，抽數為n ，合格評定數為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臺進行錯邊應力計算和強度評定，若5台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，即為本計算結果要承擔的風險度。

如p 1表示極限質量水平，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為變數， k（ x ，2c + 2）為函式。利用x 2分布的上側分位點，可寫為x 2β2 c + 2 = 2 n p 1.

按常規風險度取值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。否則承擔風險很大。

4結論（1）對5台含幾何超標缺陷的容器進行有限元計算表明，無論是帶錯邊的容器還是帶褶皺的容器，其最大應力位置並不在封頭與筒體連線處，而是處在碟形封頭經線大小圓相接處。

（2）除分離器（94112007）和容器（940404）外，其餘容器的應力皆滿足gb150 - 89的強度要求；分離器（94112007）和容器（940404）的應力狀況滿足jb4732 - 95的強度要求。

（3）從15台含幾何超標缺陷容器中選取5臺進行應力計算和強度評定，計算結果具有一定的風險。若按一般風險度為20 %左右估計，則可能出現的不合格品率為1/ 3 ，即本例的抽樣數全部合格只能推斷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。