刘有艳周昌玉
（南京工业大学机械与动力工程学院南京210009）Study on reliability design of pressure vesseLIU You-yan ZHOU Chang-yu
(Nanjing University of Technology College of Mechanical and Power Engineering Nanjing 210009 China)
【摘要】压力容器可靠性设计时需要考虑各个变量的不确定性，根据压力容器和管道中相关腐蚀理论的具体应用考虑腐蚀深度随时间的动态变化将压力容器筒体的可靠性计算和腐蚀裕量的可靠性联系起来.利用蒙特卡洛方法对压力容器筒体设计进行模拟并对某一压力容器进行了可靠性分析得到在某一特定失效概率下的筒体设计壁厚.最后根据计算结果得到设计变量对容器可靠度的敏感性并对这些变量的灵敏度分析和探讨从而为化工装备的可靠性设计提供一种合理的方法和科学依据.
关键词压力容器河靠度蒙特卡洛概率分析
[Abstract] The auncertainty of each variable should be considered in reliability design of pressureressels According to the application f relevant corosion theory in pressure zessel md pipeline μhe calcla-Lion for reliability of the pressure vessel should be associaled with the reliability of corrosion allownce consimalate the tamk of pressure vessel pnd then malyze the reliability of one pressure vessel so that the uall sidering the dynamic changes of corrosion depth wizh time.Monte Carlo simulation method is proposed tothickness of the cylindler is got at one particuler failare probabiliy.Finally according to the calculating results the sensitirity of design varigblexs lo the ressel reliability is obtained zhich is analyzed md discuxsedIo prowide α reasonable method and scientific basis for reliability design of the chemical equipments.
中图分类号TH16TH49文献标识码A
裕量如何取值的问题则很少有文献探讨.文献对压力容器和管道的腐蚀深度进行可靠性计算以预测寿命，但其评价标准为以厚
1引言
压力容器可靠性设计时需要考虑各个变量的不确定性.在以的动态变化将压力容器简体的可靠性计算和腐蚀裕量的可靠性联化所以设计时需要考虑腐蚀速率的影响，在已有研究基础上， 压力容器和管道中相关腐蚀理论的具体应用考虑腐蚀深度随时间系起来对压力容器可靠性设计做一个更为深入的探讨.
确定失效概率下降体的计算型厚-然而关于腐蚀裕量如何处理，3基本假设
以及压力容器简体可靠性设计的可靠度取值还仍然有待探讨.根据3.1极限状态方程
随着压力容器运行时整厚的变化，筒体的应力也在不断变可以得到运行时薄整压力容器的实际壁厚1=rxN(（mm） 式中1周体最初整厚mm1-腐蚀速率m年V，简体设计
2理论方法
寿命年：
压力容器筒体常规设计标准GB150-98指出设计时考虑的采用计算压力得到的厚度：厚度附加量由钢材的厚度负偏差C和 厚度包括计算厚度和厚度附加量：其中计算厚度为按照有关公式腐蚀裕量C组成C应按相应钢材标准的规定选取，腐蚀裕量C计时主要考虑第一种失效形式，根据相关标准可以得到压力容控制手段的提高以材料的力学性能参数、壳体的几何参数为随机 变量的压力容器的可靠性设计越来越受到人们的重视：从目前公径公式作为极限状态函数来研究，强度极限大都以屈服极限作为式中，一简体材料的屈服强度.容器的失效概率即为上式中0参考据此求得在某一确定失效概率下筒体的计算壁厚：然而对 于筒体的确定失效概率如何选取，以及在可靠性设计基础上腐蚀
压力容器筒体承受内压时主要有两种失效形式，一为容器简体发生屈服失效二为断裂失效：根据标准以及简化方便在设2A=xiN )
定.隐着原材料制造技术、过程装备制造水平及过程装备使用过程式中D一简体内径》一内压力在压力容器运行时简体的壁厚4由简体的实际墅厚：代替
根据以上结论，可以得到此时压力容器筒体的极限状态方的概率.由上述三式可以看出进行压力容器筒体设计时极
(1)
限状态方程为下列随机变量的函数Z=ZpN，.）
行试算得到此时容器简体的最终壁厚为23mm时经过10年之 进行蒙特卡罗模拟模拟次数为10000次代入初始壁厚进后容器的最终可靠度仍然可以达到0.9.此时的可靠度变化如图3所示.
3.2初始壁厚
50年代研究铝合金孔蚀的AZIZ和研究途中理设管道孔蚀的Eldredge证明在实践环境中材料的最大孔蚀深度分布符合Cumnle分布（1型极值分布）n、在已有研究成果r-的基础上，可以得到以下结论介质及环境对压力容器与压力管道的最大腐蚀深行可靠性计算，根据相关文献腐蚀裕量的可靠度为最大腐蚀 度符合1型极大值分布.采用耐腐蚀可靠性理论，对腐蚀裕量进深度不超过腐蚀裕量C的概率如果要求的可靠度为R（1)）则腐蚀裕量 C=nln(-lnR（r))b 式中尺度参数1位置参数 (2)
（2）N=15年此时腐蚀裕量按照式（2）可得C=5.1mm;
设计变量标准差 分布类型强度 内半径 343 500 24.15 0.67 正态 正态初始壁厚 25 正态腐蚀速率 年限 0.2 15 0.076 极大值分布 常数内医 R6 0.1633 正态有效应力117.3727
根据文献可以取腐蚀裕量的可靠度为R（1）为95%据此求得腐蚀裕量数值.
图2计算结果2
3.3可靠性指标
进行蒙特卡罗模拟模拟次数为10000次代入初始壁厚进行试算得到此时容器筒体的最终壁厚为24mm时经过15年之后容器的最终可靠度仍然可以达到0.9.由上述两个算例可以看出， 进行容器可靠性设计时要考虑容器坚厚疑时间变化的影响，此时的设计指标可靠度应该为在容器设计年限之内的可靠度即保证容器在达到设计年限时仍然可以满足可靠度为0.9，如图3所示不相同.根据此时的最线简体壁厚以及腐蚀裕量可以得到筒体设 在以上两个算例中可以看到在不同的年限时腐蚀裕量的取值也计时的计算墅厚的可靠度指标为0.9时即可满足上述要求：
可靠度安全指标β被用来衡量结构的可靠程度1988年Busl根据美国、英国和德国的统计数据得到德国的压力容器失效概率低于10根据美国的725000台压力容器得到压力容器的失效概率为0.63x10.因此，目前广泛应用的失效概率为10 是可接受的.
4实例
已知条件：一压力容器简体内直径D=（1000±4）mm设计压力p=（9.8±0.49）MPa设计温度为常温筒体材料为Q345其屈服强度极限o=345MPa，材料屈服强度极限变异系数为0.07钢 板尺寸变异系数C=0.03-0.05焊缝系数=0.9.试设计此压力容直
（1）常规设计
20R度为34mm 2[o ]-p =28.57mm加上2mm腐蚀裕量得到名义厚
（2）可靠性设计
目前解决复杂结构可靠度问题的常用方法有蒙特卡洛法和面响应法.隐着计算机性能的逐渐提高，蒙特卡洛法模拟已成为要建模准确，模拟次数越多，精度就越高.按照蒙特卡罗法对压 目前可靠度分析结果正确性验证的主要手段.采用此方法时，只力容器筒体设计进行模拟模拟状态方程为式（1）简体失效概率为10
图3算例1运行10年时可靠度变化
变量对容器可靠度的敏感性分析如图4所示.由图中可以看出服从正态分布的变量材料屈服强度和年限以及初始壁厚是影响失效的主要因素其中容器的可靠度对材料的强度和初始壁厚的灵 敏度为正值说明可靠度随着它们的增大而增大对运行年限、腐蚀速率和内压的灵敏度为负值即可靠度随着它们的增大而减小.
计算结果取为0.38腐蚀速率均：值按照HC20580-1998中规 腐蚀裕量可靠性设计蚀速率变异系数C，取值按照文献定取为0.2mm年在不同的设计年限时腐蚀裕量计算值会有所变化.计算结果如图1、图2所示.
（1）N=10年此时腐蚀格量按照式（2）可得C=3.4mm：
设计变量标准差 分布类型强度 内半径 345 500 24.15 0.67 正态 正态初始显厚 嘉蚀速率 24 0.2 0.96 0.076 极大值分布 正态年限 10 常数内压 9.8 0.1633 正态有效应力
图4灵敏度分析
5结论
压力容器可靠性设计时需要考虑各个变量的不确定性.根据压力容器和管道中相关腐蚀理论的具体应用考虑腐蚀深度随时间运用可靠性方法设计压力容器简体时提出简体设计时计算厚度的 的动态变化利用蒙特卡洛方法模拟压力容器的应力变化情况.在
图1计算结果1
面向大型薄壁件柔性装配平台的IGPS发射器研制 木
高月山杨建国张家梁邹焕富李生贵（东华大学机械工程学院上海201620）IGPS transmitter research and development for large thin-walledparts flexible assembly platform(College of Mechanical Engineering Donghua University Shanghai 201620 China) GAO Yue=shan YANG Jianguo ZHANG Jialiang ZOU Huanfu LI Sheng=gui
【摘要】介绍了InoodrGPS测量系统发射器的研制，其应用于大型薄壁件制造的柔性自动化装配平台实现在线调整.发射器系统包括发射器机械装置、电机恒速控制技术和同步脉冲发生装置.采用NASTRAN完成了机械装置的动态性能分析，采用运动控制卡完成闭环电机旋转控制.经过对发射器结构和电机转速性能测试结果表明有效地避开了机械共振和摆角偏差发射器能够满足大空间高精度三维光电测量要求.
关键词IGPS发射器高精度动态分析
[Abstract ] It presents the transmiter research and development of indoor GPS (IGPS)measaure-ment system zhich is applied to anljuxtmentonline of flexible assembly plaform for large thinualledparts sembly manufacture.This system consists of transmiter mechanical device motor constant speedcontrol and synchronization pulse device.The finite elementanalysis soffuare NASTRAN is adopted to analyze the dynamic operation of the Bransmiter μmd motion control card is applied to pleteclosedloop control of motr rotation.Moreover zrough testing peformance of strctare anl the mtorspeed of the tramnsmitter the analysis resuelts demonstrae that the designed system is able to aroid mechanical resonm and nguler deviation μnd pronise is utity in three =dimensional large spoce mea-surement application.
Key words IGPS Transmitter High-precision Dynamic analysis
中图分类号TH16文献标识码A
1引言
的坐标信息（xYz）显示在计算机上
IGCPS系统由两个（或以上）发射器和若干接收器等构成.发冲信号接收器接收红外信号由相应的信号处理电路及算法标 射器布置在测量空间内向测量空间发射扇形红外激光和基准脉定软件计算出接收器所在的空间坐标位置（x2）.其位置信息100x10m的空间内测量精度可达0.2mm其发射器具有精准的可以同步在线使用，因此ICP5是一套在线测量工具，具有精度旋转速度和平稳的动态性能并由智能算法实现发射器位置信息高、多目标测量等优点能在大型薄墅件的制造装配中发挥优势
随着现代制造业的发展，测量技术呈现出越来越重要的地位和作用精密测量技术也有了长足的进步尤其是大空间精密空间精密测量系统以某公司生产的ICPFS测量系统为例（100x定 测量方面.IndoorGPS（IGPS）是一种基于角度交会的光电扫描式的自标定其接收器通过空间后方交会方法将其探测器所在位置作用”.
★来稿日期2011-02-10*基金项目上海市重点学科建设资助（B602）上海市科技攻关项目经费支持（08DZ1124100）
的可靠度指标为0.9.利用蒙特卡洛方法模拟此时压力容器的应力变化情况可以得到在设计年限内容器的可靠度一直满足0.9.
[6] Calin LANGHEL. JOAN Lazar.Risk Assexmemt fe Veels Affectnd by0F()s so hrgmxyg mpip mp [] mur) 118.[7] MOU Zhizhng Reliability desis [M]BeijingMechine Indestry Press [8]刘小宁.钢制压力容器与管道腐性剩余寿命可靠性预测[]石油机械， 1993 315324.[9] Besh S.HStatistics of Pressure Vessel and Piping Failure [J]ASM 2005 33(2) 3538.EJOURNAL OF PRESSURE YESSEL TECHNOLOGY J9S8 (110) :[10]HG205801998.钢制化工容器设计基础规定[S]
参考文献
[1]赵亚凡可靠性方法在压力容器设计中的应用与探讨[门机械设计与[2]F MBueki Geel iniples ofthe use f sfety fats in design ad 制造 20023(4) 56.asmen[ J]Enginering Gailure aalysis 2007( 14) 420433[4]徐宏伟.耐腐蚀RD理论和方法J]机械强度200325（5）583-586.[5]刘小宁.钢制压力容器与管道腐性裕量的可靠性设计[门化肥设计. 2004 43(.5):2527.
