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薄壁内压球形容器的安全系数与试验压力

文档作者：刘小宁刘岑刘兵袁小会张磊肖志余文档来源： 1．武汉软件工程职业学院机械制造工程系 2．武汉工程大学机电工程学院，		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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第42卷第6期
2Ol3年11月
百油化]： 设备
PETRO一( HEMICA1，EQUIPMENT
VoI．42 NO．6
NOV．2Ol3
文章编号：1000～7466(2013)06—0028—05
薄壁内压球形容器的安全系数与试验压力
刘小宁 ， 刘 岑 ， 刘 兵 ，袁小会 ， 张 磊 ， 肖志余
(1．武汉软件工程职业学院机械制造工程系，湖北
2．武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉
武汉430205；
430205 )
摘要：确定钢制薄壁内压球形容器的安全系数与试验压力，是构建压力容器可靠性设计体系的基
本内容。考虑容器静强度与载荷的不确定性，根据静强度在耐压试验和正常操作时的许用可靠度，
建立了确定容器静强度安全系数与试验压力的方法。研究表明，对于钢制薄壁内压球形容器，屈服
与抗拉安全系数应分别不小于1．45与1．90，试验压力系数在气压试验与液压试验时应分别不大
于1．15与1．29。
关键词：内压球形容器；静强度；许用可靠度；安全系数；试验压力
中图分类号：TQo51．3；TH49 文献标志码：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
基金项目：湖北省教育厅科研项目(B20128801)；武汉市创新人才开发资金重大创新专项资助项目(武人[2008]84号)
作者简介：刘小宁(1963一)，男，湖北武汉人，正高职高级工程师，教授，学士，主要从事机械结构与压力容器安全可靠性研
究工作。
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第6期 刘小宁，等：薄壁内压球形容器的安全系数与试验压力
基于我国压力容器标准的长期应用实践情
况 ]，考虑容器静强度(屈服与抗拉强度)和载荷的
不确定性 ，确定钢制薄壁内压容器的安全系数与
试验压力，是创建压力容器静强度可靠性设计理论
与方法的重要内容，也是压力容器领域研究的热点
课题之一 。]。
球形容器是压力容器的常用型式，文中以按照
我国标准设计制造的钢制薄壁内压球形容器作为研
究对象，根据容器静强度在耐压试验和正常操作时
的许用可靠度，应用应力一强度干涉模型_2 ]，建立了
确定钢制薄壁内压球形容器安全系数以及试验压力
的方法。
1 基础理论
容器静强度的可靠度是指其静强度大于载荷的
概率，因此确定可靠度的功能函数为：
y—P 一一Pl (1)
式中，P 、P-分别为容器的静强度与载荷，MPa。
工程上往往是根据有限的试验结果进行统计推
断的，得到P 分布参数在一定置信度下的取值区间
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 分别为P 的均值与标准差，MPa；C
为P 的变异系数； 、S 分别为P 均值与标准差的
统计量；“ 为容器静强度名义值，MPa，用中径公式
计算 。上标l与u分别表示分布参数在一定置信
度下可能的较小值与较大值；下标r在爆破与屈服
失效准则下分别为b与S。
当P 、P。基本符合正态分布时，根据应力一强度
干涉模型 ，在一定置信度下，可靠度系数的可能
较小值 与较大值 为：
I
一 _／= 丝啊 )L一 (5)
(s；) + (S )
一一： 竺_ (6)
J(S'r ) +(s )
式中， ¨ S 分别为 -的均值与标准差，MPa。
1．1 容器的工作状态与载荷
容器的工作状态可分为耐压试验与正常操
作 ]。根据试验介质不同，耐压试验分为气压试
验、气一液组合压力试验及液压试验；根据耐压试验
时容器最大总体薄膜应力的限制水平，耐压试验可
分为最苛刻耐压试验与一般耐压试验。
如果不考虑温度和液体静压力的影响，在正常
操作与一般耐压试验条件下，容器载荷的均值与标
准差分别为：
=Aft S 一 C (7)
式中， 为设计压力，MPa； 为工作状态系数，在耐
压试验时是与试验介质有关的试验压力系数，正常
操作时 一1；C 为P·的变异系数。
1．2 安全系数的定义
安全系数可定义为：
一一t／r (8)
p
式中， 为安全系数，在屈服与爆破失效准则下，分
别取屈服与抗拉安全系数 与‰。
1．3 、 与许用可靠度(系数)之间的关系
对于按文献[1—3]设计、制造、试验和使用的薄
壁内压球形容器，其屈服与爆破强度的许用可靠度
是指文献[1—3]允许的可靠度范围，与之对应的当量
可靠度系数称为许用可靠度系数 。
由式(2)～ 式(8)可得：
一 一~／=(= =— 丝 一 (9)
rL， I u ) + (aCpj
)
一 ~／二 二 些 —一 (10)
( u L／ 1 nr) + ( c )。
如果已知容器静强度在正常操作与一般耐压试
验时的许用可靠度系数，由式(9)、式(10)分别可得：
一。l一 √(c； ) +(c 。) 一( c； C ．)
一
A
— — u
一
r
11)
(12)
在正常操作与耐压试验时，容器安全系数n 不
得小于式(11)、式(12)的较大值；在一般耐压试验
时，容器试验压力系数 不得大于式(11)、式(1 2)的
较小值。
由式(11)、式(12)可知，正常操作时的安全系数
与容器失效准则、许用可靠度、静强度预测和操作压
力控制的准确度及精密度有关，耐压试验时试验压
力系数与安全系数之比也与容器失效准则、许用可
靠度、静强度预测和试验压力控制的准确度及精密
度等因素有关。
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石油化工设备 2013年第42卷
2 静强度和载荷的分布规律与参数
用中径公式预测薄壁内压球形容器静强度的随
机变量基本符合正态分布，在置信度为98 时，其
分布参数见表1Ⅲ 。
表I 薄壁内压球形容器静强度分布参数
参数 取值
～ l
S ～ S
cl ～c；
～ B
SI～S
ql ～c；b
用设计压力预测容器不同工作状态载荷的随机
变量基本符合正态分布，耐压试验和正常操作时的
变异系数C ，分别为0．045和0．091 。
3 许用可靠度(系数)
耐压试验和正常操作时，薄壁内压球形容器屈
服与爆破强度许用可靠度(系数)按表2确定 ¨ 。
表2 不同工作状态下薄壁内压球形容器许用可靠度(系数)
注：1)包括气一液组合压力试验。
2)0．9。4457：0．994 457，以此类推。
4 安全系数与试验压力
由表l、表2及式(11)、式(12)可得a／n 的范
围，见表3。
表3 不同工作状态下薄壁内压球形容器 ／，l 的范围
4．I 安全系数
按文献[1，2]，液压试验时 一1．25，气压试验、
气一液组合压力试验时 一1．10，正常操作时工作状
态系数 —l，基于满足表2的许用可靠度，根据表3
可得到所要求的最小安全系数，见表4。
表4 不同工作状态下薄壁内压球形容器，l 最小值
由表4可知，在不同工作状态时，根据失效准
则、许用可靠度、静强度预测和载荷控制的准确度及
精密度，可计算容器的安全系数范围，确定最小安全
系数。在置信度98 时，钢制薄壁内压球形容器屈
服与抗拉安全系数的最小值分别为1．45与1．9O，
由正常操作时的许用可靠度等因素确定。文献[1，
2]取 一1．50与 一2．70偏于安全。
4．2 试验压力系数
为确保耐压试验的效果，防止容器在耐压试验
时出现不必要的事故，必须控制试验压力系数 的
下限与上限。试验压力系数的下限与置信度和试验
压力控制的准确度及精密度有关，置信度95 时，
下限值为1．O8ll ]。由式(11)、式(12)可知，试验
压力系数的上限不但与失效准则、许用可靠度、安全
系数和试验介质有关，而且与静强度预测和载荷控
制的准确度及精密度有关。
当 。一1．45与 一1．90或 一1．50与 一
2．7O时，根据表3可得到 上限，见表5。
表5 试验压力系数 上限
由表5可知，当 一I．45与 b—I．90时，根
据屈服失效准则、许用可靠度、屈服安全系数、试
验介质、屈服强度预测和试验压力控制的准确度
与精密度，可确定试验压力系数 的上限，在液压
试验时为1．29，在气压试验或者气一液组合压力试
验时为1．15；当 一1．50与 一2．7O时，试验压
力系数 的上限也是根据屈服失效准则、许用可靠
度和屈服安全系数等因素确定的，在液压试验时
为1．33，在气压试验或者气一液组合压力试验时
为1．19。
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第6期 刘小宁，等：薄壁内压球形容器的安全系数与试验压力 · 31 ·
5 结语
(1)根据钢制薄壁内压容器静强度在耐压试验
和正常操作时的许用可靠度，建立了确定钢制薄壁
内压球形容器安全系数与试验压力的方法。
(2)根据失效准则、许用可靠度、静强度预测和
载荷控制的准确度及精密度，可确定钢制薄壁内压
球形容器的最小安全系数。在置信度为98 时，钢
制薄壁内压球形容器屈服与抗拉安全系数的最小值
分别为1．45与1．90，由正常操作时的许用可靠度
等因素确定。我国标准取容器屈服安全系数，z。一
1．50与抗拉安全系数 =2．70偏于安全。
(3)根据失效准则、许用可靠度、安全系数、试验
介质、静强度预测和试验压力控制的准确度及精密
度，可确定钢制薄壁内压球形容器试验压力系数
的上限；当，2。一1．45与 一1．90时， 的上限由屈
服失效准则、许用可靠度和屈服安全系数等因素确
定，液压试验时为1．29，气压试验或者气一液组合压
力试验时为1．15；当 。一lI 50与 一2．70时， 的
上限也由屈服失效准则、许用可靠度和屈服安全系
数等因素确定，液压试验时为1．33，气压试验或者
气一液组合压力试验时为1．19。
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第42卷第6期
2013年l1月
石油化工设备
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．42 NO．6
Nov．2Ol3
文章编号：1000—7466(2013)06-0032—06
埋地钢制油罐安装力学特性分析
宋仕强 ，张世富 ，张起欣
(后勤工程学院a．研究生三队；b．国家救灾应急装备工程技术研究中心；
C．军事供油工程系，重庆401311)
摘要：针对埋地油罐的安装特点，对埋地油罐的罐外覆土压力进行了分析。应用大型通用有限元
分析软件ANSYS建立了30 m。埋地钢制油罐的三维有限元模型，并进行求解，得出埋地油罐最大
等效应力发生在鞍座尖角处罐体外壁面上。分析了砼鞍座的支撑位置及结构尺寸对油罐强度的影
响，结果表明，当支撑位置A≤400 rnm 时，油罐的最大等效应力发生在鞍座外侧边缘最低点的罐
体内壁面上；当A>400 mm时，油罐的最大等效应力发生在鞍座尖角处罐体外壁面上。砼鞍座宽
度及包角对油罐最大等效应力的影响相互独立，安装埋地油罐时砼鞍座的支撑位置应尽量靠近封
头连接处。
关键词：埋地油罐；力学特性；有限元分析
中图分类号：TE972；TQo53．2 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1000-7466．2013．06．008
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收稿日期：2013—06—15
作者简介：宋仕强(1988一)，男，湖南华容人，在读硕士研究生，现主要从事油气加注技术与装备的研究。

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