欧盟压力容器标准EN13445分析设计标准概述

欧盟压力容器标准EN13445分析设计标准概述苏文献上海理工大学化工过程机械研究所2006年8月21日哈尔滨前言欧盟标准化委员会用了9年时间，起草了欧盟非直接接触火焰压力容器标准草案prEN13445。该草案于1999年提交各成员国评议。在2002年3月为欧盟成员国正式表决通过了修改后的标准EN13445，并于同年5月30日颁布了该标准第一版。EN13445-3有两个附录介绍分析设计即附录B和C。本文介绍欧盟压力容器标准EN13445分析设计标准的思想思路和基本内容。1欧盟对当前分析设计的考虑1.1应力分类法（弹性方法）的现状与问题1.2直接方法（非弹性方法）的现状与问题1.1应力分类法（弹性方法）的现状与问题基于应力分类法（弹性方法）的分析设计要求将应力分类成一次应力、二次应力和峰值应力，再根据各类应力对承压设备失效的危害性的差异采用不同的设计准则加以限制。有限元分析是基于弹性理论而不是薄壳理论得到应力数值解，如何将这些应力数值解分类成一次应力和二次应力并进行评定就非常困难。在过去的40多年中，分析设计标准所涉及的分析设计方法未作原则上的调整和修改。同时应力数值解的评定未作十分明确规定。如何对应力进行分类就成为分析设计重要的工作之一。早期的应力分类方法主要是等效线性化处理法，包括：点处理法、线处理法和面处理法。后来，相继提出了广义的局部应力应变节点重新分布法、弹性补偿法和一次结构法等。分析设计最初引入时，在承压设备设计中主要的分析方法是薄壳不连续分析，它是基于薄壳理采用有限元法进行承压设备响应分析计算后，由于有限元分析是基于弹性理论而不是薄壳理论得到应力数值解，除壳体特别薄以外，应力沿壁厚呈非线性分布。以Hechmer和Hollinger等为代表的美国压力容器研究委员会（PVRC）开展了三维应力数值解评估技术研究，但难以取得突破性进展。究其原因，是迄今为止仍未解决以下几个问题：(1)应力分类线或面如何选择(2)哪些应力分量应当线性化(3)三维有限元分析中的应力如何线性化1.2直接方法（非弹性方法）的现状与问题分析设计规范中，优先选择弹性计算的是因为弹性分析简单，手段成熟，计算成本低。但现在这些不是分析设计中要考虑的主要问题。分析设计中的非弹性分析方法就是采用极限分析及安定性分析的方法直接对载荷加以限制，而不对弹性名义应力进行分类。1.2.1极限分析1.2.2塑性分析1.2.1极限分析极限分析是假设材料为理想弹塑性（或理想刚塑性）、结构处于小变形状态时，研究塑性极限状态下的结构特性。极限分析的上、下限定理可以用来确定结构的极限载荷，通常是根据下限定理来求结构的下限极限载荷。只有比较简单的问题如轴对称结构的简单容器、环板才能求得其极限载荷。对一些复杂的结构还无法求出极限载荷的解析解。数值解多数是根据有限元法和数学规划法相结合而建立的。极限条件往往又是非线性的。因此，只有比较简单的问题如轴对称结构的简单容器、环板才能求得其极限载荷。由于塑性理论模型的复杂及解非线性方程的困难，到目前为止，对一些复杂的结构还无法求出极限载荷的解析解。随着有限元技术和数学规划方法的发展，近二十年来极限分析的数值方法获得了迅速发展。目前已建立了多种有关的算法格式，除弹塑性有限元中的逐步加载法外，大多数格式主要是根据有限元法和数学规划法相结合而建立的。为了克服弹塑性增量有限元法的困难，提出了许多求极限载荷的简化分析方法：(1)R.Seshadri提出的广义的局部应力应变节点重新分布法[GLOSS]与真实的极限载荷差别较大(2)D.Mackenzie和J.T.Boyle首先提出的弹性补偿法求得极限载荷的值比用弹塑性分析求得的值小11%~20%，其准确性受网格密度和单元阶的影响非常大(3)数学规划法理解比较困难，有限元程序的编写也困难1.2.2塑性分析承压设备的塑性分析，就是通过采用试验或非线性有限元法计算而获得结构上关键部位的载荷—应变(或变形)曲线，然后采用不同的准则确定塑性载荷。根据载荷—应变(或变形)曲线确定塑性载荷值的准则主要有：0.2%残余应变准则、两倍弹性变形极限准则、1%塑性应变准则、两倍弹性斜率准则、双切线准则、零曲率准则等。（1）双切线准则该准则是由Save提出的。该准则的不足之处是切线交点不位于载荷—变形曲线上，根据此准则确定的塑性载荷是通过外推的方法（2）1%塑性应变准则该准则是由Townley等提出的。用该准则确定承压设备的塑性载荷与所选承压设备的测量点的位置关系极大。（3）两倍的弹性变形准则ASME锅炉压力容器规范第VIII篇1974年版曾采用该方法作为设计准则。求出来的塑性载荷误差比较大。（4）两倍的弹性斜率准则自1975年至今，ASME锅炉与压力容器规范一直采用的准则。的分散性。但多数情况下塑性载荷值偏于保守。Kirkwood和Moffat对受内压作用的直径相等的三通结构进行了极限载荷的计算，得出对于给定的结构按两倍的弹性斜率准则得到的塑性载荷是不确定的。ArtursKalnlns和DeanP.Updike对承受内压作用的锥形封头、碟形封头与球冠形封头进行了塑性分析，认为：对同一构件，当选用不同的载荷—应变（或变形）曲线时，按两倍的弹性斜率准则确定的塑性载荷误差最大。（5）0.2%残余应变准则该准则曾经被ASME1971年版采用。在由实验确定载荷—最大应变曲线时，由于最大应变不易直接测出，故此法实用性并不强。（6）Demir&Drucker准则Demir和Drucker于1963年建议取实验极限载荷为实际位移等于弹性响应变形（即假设材料仍为初始弹性响应时的变形）的三倍时的载荷。此定义的实质就是三倍弹性斜率准则。（7）三倍弹性变形准则Schroeder将弹性响应的变形取为切线交点变形，并定义塑性载荷为载荷—变形曲线上测定变形等于3倍弹性变形时的载荷。（8）塑性功准则该准则是由Gerdeen于1979年提出的。他建议参数选择原则是：载荷参数与相对应的变形参数的乘积表示功，例如：力和位移、弯矩和转角。这时，载荷—变形曲线下的面积就表示载荷对容器所做的功，总的功由弹性功和塑性功组成。塑性功可以用来判断在确定塑性载荷时的变形参数。9）零曲率准则该准则是由陆明万教授等提出的，作为对双切线准则的改进。是一个不含任何人为系数的准则。上面提到的确定塑性载荷准则都是根据载荷—变形曲线存在显著塑性流动阶段的特点，通过给出一定的系数，在曲线上做出一些特征线，以此来确定塑性载荷。这里就存在一个问题，即显著的塑性流动阶段是根据载荷—变形曲线上的某些特征来定性分析的，并没有从量上进行分析。以下这些情况下并不能根据其膝部末端来表征显著的塑性流动的开始。（1）在结构存在几何强化的情况下，对有些较薄的板壳结构必须考虑大变形的效应。（2）在结构存在几何弱化的情况下，若大变形引起几何弱化效应将出现弹塑性失稳情况，（3）在结构出现微弱局部垮塌的情况下，可能出现了两个膝部。（4）对于同一结构，按照不同的确定塑性载荷的准则计算的塑性载荷其结果差别较大。陆明万教授等对带径向接管的球形容器通过内压试验，根据零曲率准则来确定其塑性载荷，分析了布置在接管的同一平行圆但母线不同的两组电阻应变片的测量结果。理论上讲，在各个测点处，它们的曲线本应该相同，但因局部几何形状的影响，实测曲线却具有不同形状的膝部。RrTtPdBABA图带径向接管的球形容器安定载荷的计算是基于Melan下限安定性理论和Koiter上限安定性理论。对在循环载荷作用下的理想弹塑性结构，首先要找到一个残余应力场，再将残余应力场和循环作用的载荷引起的线弹性应力场相叠加，叠加后的应力场如果满足处处不发生屈服的要求，则结构就处于安定状态。这就是Melan下限安定性理论。在塑性理论中，如果某一方法可以用来计算极限载荷，那么，只需经过微小的修改就可以用来计算安定载荷。实际上，极限理论和安定理论是一样的，只是载荷条件不同，极限理论适用于静载荷，而安定理论适用于动载荷。1.2.3安定性分析2新概念标准提出的一些新概念：原理和应用准则载荷部分安全系数结构应变载荷响应的设计校核强度的设计校核。（1）原理和应用准则原理是对给定的失效形式的概述、定义和基本要求，一般情况下，原理的基本要求和分析模型不能用其它的来替代。应用准则是遵从原理并确定是否满足其要求的过程。与原理不同的是，针对同一个原理，可以有多个符合相应原理要求的应用准则。（2）载荷(action)与以前规范标准不同，欧盟标准中的载荷，指所有加在结构上引起应力或应变的热、机械量，如力、（包括压力），温度变化和施加的位移。载荷按随时间的变化可分为四类：永久载荷(permanentactions)永久载荷包括结构的自重、辅助设备及附件的重量等。变化载荷(variableactions)可变载荷包括对结构施加的载荷、风载荷和雪载荷，但不包括压力和温度及与确定它们相关的载荷。意外载荷(exceptionalactions)由于一次承载的失效导致二次承载的载荷及意外的地震载荷。压力和温度(pressuresandtemperatures)以及由它们起决定作用的相关的载荷。尽管这两个量属于变化载荷，但由于它们具有随时间变化的特殊性能以及随机的特点等，因此，将他们单独化为一类载荷来考虑。（3）部分安全系数分析的不确定性，不同的载荷种类及组合形式、不同的失效形式中结构行为和产生后果的差异等都会给分析带来一定的困难。为了综合考虑这些因素的影响，欧盟标准引入了部分安全系数的概念。对不同的载荷，不同的载荷组合，不同的失效形式和不同的结构，分别给予不同的部分安全系数。这些部分安全系数组成了结构的总体安全系数即复合安全系数，以此来调整结构的安全裕量。标准给出了各种载荷在不同条件下的部分安全系数。（4）（等效的）无应力集中模型（等效的）无应力集中模型是一个等效的无局部应力或应变产生的理想结构模型。（5）结构应变在一个无应力集中模型中的应变。例如，考虑除了引起局部应力或应变集中的实际几何形状结构模型这样的理想模型中确定的应变。结构应变包括了总体结构的细节影响。如支管连接，原锥体和圆柱体的连接、筒体和封头的连接、厚度的不连续，补强，带有总体影响的设计形状的偏离，例如圆柱壳体的不圆度，但是，不包括局部结构细节中的缺口的影响，如笑的焊缝半径处，焊趾、焊缝的不规则结构，小的（部分穿透）的开孔，或者局部的温度场。使用壳单元或者梁单元进行有限元分析，可以直接给出结构的应变。（6）载荷响应的设计校核载荷的设计响应是在外部载荷作用下在结构中产生的载荷、内力（广义应力）和应变，它是设计载荷和结构几何尺寸的函数。载荷响应的设计校核是在特定的载荷组合下，就结构特定的极限状态（代表一种或几种失效形式），对结构安全性的评定。在设计校核中，用设计载荷的特征值乘以相应的部分安全系数，得到结构的设计载荷，再求得相应设计响应值，将它和相应的设计强度作比较。设计强度是对应的载荷组合的结构强度除以相应的强度部分安全系数。（7）失效模式和极限状态主要的失效模式以及相关的极限类型列在表1上。最新的分类是按照载荷是短期作用、长期作用还是循环载荷来分的。极限状态可以分为最终极限状态和功能性极限状态。最终极限状态是与部件和容器的爆炸或垮塌相关，或者与可能危及生命，包括：总体塑性变形失效、疲劳引起的断裂、容器或其部分不稳定引起的垮塌。功能性极限状态是部件或容器的超过了给定的功能性准则并且不能够再满足该准则的结构状态。能极限状态包括：能够严重地影响容器的使用，包括机器或功能的正常作用，或者引起结构或非结构单元的损坏的变形或位移。安全的其它结构失效形式相关的结构状态。载荷类型短期载荷长期载荷循环载荷失效形式单个施加多个施加单个施加多个施加脆性断裂韧性破裂3)过度变形14)过度变形25)过度变形36)过度的局部应变7)失稳8)UUS,U1)USUU,S2)渐增塑性变形9)交变塑性10)UU蠕变破裂蠕变与过渡变形111)蠕变与过渡变形212)蠕变与过渡变形313)蠕变失稳腐蚀环境加速的开裂US,U1)USU,S2)SU蠕变蠕变与过渡变形111)蠕变与过