压力容器设计方法的发展历程

压力容器设计方法的发展与科学技术的进步，对压力容器材料、结构、设计、制造、检验等技术不断完善、提高，以及失效模式的逐步认识、深化紧密相关。下面将会从国内外设计方法方面进行讨论。

1．国外设计方法发展

1915年春，美国机械工程师协会（American Society of Mechanical Engineers，ASME）颁布了世界上第一部压力容器建造规范《锅炉建造规范·1914》，到1926年发展到8卷。20世纪60年代中期，《核设施元件建造规则》（ASMEⅢ）和《压力容器建造另一规则》（ASMEⅧ-2）问世之前，压力容器的设计全部采用公式设计的方法，按弹性理论与安全系数来防止锅炉及压力容器发生过度变形及爆炸。除了公式外，还有一些补充规则。

《压力容器建造规则》（ASMEⅧ-1）中，1915年首版仅规定了锅炉爆破压力计算式，并将爆破压力作为锅炉的许用工作压力。随后，逐步补充并完善了某些受压元件的计算式，对不同钢板分别规定不同的许用应力取值，并且没有确定的安全系数。至1931年版，才开始规定材料许用应力的取值由其拉伸强度ST除以安全系数nT=5.0求得，当时的许用应力值并未计及材料的屈服强度SY。在第二次世界大战期间，作为战时节约钢材的紧急措施，在制造和检验方面适当提高要求后，将安全系数由5.0降低为4.0，实践证明，安全系数的降低并未影响压力容器的安全性，所以一直沿用到1998年版。1999年的增补版又在前几十年实践的基础上将安全系数降低为3.5，并对实验压力值及可以免除冲击实验时的低应力水平值做了下调，一直至今。从1952年版开始，将确定许用应力的准则由ST/nT推广至同时满足SY/nY，其中nY=1.6，两年后降到1.5，并计及容器进入高温而同时以蠕变极限和高温持久极限来确定许用应力。由这些变迁可知，以材料不同的力学性能来确定许用应力实质上反映了压力容器失效模式和机理的逐步认识；对安全系数取值的逐步下调，说明了材料性能、设计方法可靠性的不断提高和压力容器制造、检验技术的不断发展与完善。

《压力容器建造规则》（ASMEⅧ-1）以设计准则为基础发展，1915年的首版仅是防止锅炉及压力容器不致因最大应力超过材料的拉伸强度而引起爆破，即强度失效准则；在1934年版时，出现了外压元件的设计规定，即引入了稳定失效准则；1952年版才引入弹性失效准则，包括弹性不稳定，而未计及某些局部地区实际上可以并且已经进入屈服而仍能保证安全工作的情况，更未包括其他各种失效模式。

1968年公布的《压力容器建造另一规则》（ASMEⅧ-2）开始引进全新的应力分析设计理念，将应力分类及其评定及疲劳分析的思想用于压力容器设计。随后，又在1997年公布了《高压容器建造规则》（ASMEⅧ-3）。

20世纪是ASME锅炉压力容器规范的辉煌时代。随着欧洲统一市场的建立，为了完善和确保承压设计在欧盟范围内的自由贸易，欧洲议会于1997年5月通过了强制性法规《承压设备法令》（PED），欧盟标准化委员会用了9年的时间，于2002年颁布了与压力设备指令PED相配套的《非火焰接触压力容器》（EN 13445），从此打破了世界上ASME规范一家独大的格局，形成了两大权威规范并存的局面。2009年，欧盟又发布了EN 13445—2009。EN 13445在许多棘手问题上提出了自己的解决方案，在设计概念上出现了很多创新，技术上提出直接针对失效模式给出校核和处理方法（应力分析设计——直接法）、允许使用非线性本构模型、对各种载荷的组合应用多安全系数等，更是让ASME分析设计规范在安全性和经济性方面的竞争力面临挑战。为了应对EN 13445带来的挑战，ASME委员会提出了“ASMEⅧ-2规范现代化”的目标，并于1998年批准了“重写ASMEⅧ-2”的项目，以应对EN 13445的超越。与以往的修改不同，这次是重写，这样做的目的是通过吸收最新的技术进步使这部规范现代化，同时,也是为了实现使用过程中的用户友好性。(www.xing528.com)

2007年版的《压力容器建造另一规则》（ASMEⅧ-2）的制定历时多年，系统总结了近40年来分析设计方法在基本思想和基本理念方面的重大进展；吸收了诸多压力容器前沿技术；引入了直接法，在降低安全系数、全面引入数值分析方法和无须应力分类的弹塑性分析方法等方面具有突出的特点；提供了能显示出最终失效时极限载荷的有限元方法进行分析，尽可能少用，甚至回避对总应力的分解和分类。与此同时，虽然也提供了对总应力的分解建议方法，但这一方法会产生模棱两可结果的情况，推荐采用能显示出最终失效时极限载荷的有限元方法进行分析。同时，其为压力容器设计提供了功能强大的分析手段和先进可靠的安全评定准则，是将安全性和经济性相结合的有效途径。

美欧最新分析设计方法的一个重要特色是除了应力分类法外，还提供了无须应力分类的分析设计方法。ASME创建的以应力分类为基础的分析设计方法经过半个世纪的实践，发现存在一些问题。采用应力分类法，通过路径分析、应力线性化处理获得路径上的一次应力、二次应力和峰值应力，进而进行强度评定，主要存在如下问题：对大多数情况是安全可靠的，但对某些结果可能出现安全裕度不足的情况（球壳开大孔）；对根据有限元法求解获得的总应力进行分解分类遇到了困难。假如把一次应力误判为二次应力，则设计的结果将非常危险；反之，把二次应力误判为一次应力，则又非常保守。新版ASME中明确提到：应力分类需特殊的知识和识别能力，应力分类方法可能产生模棱两可的结果。在过去很长一段时间，这是国内外研究和讨论的热点，但一直没有定论，业内也逐渐认识到，解决这些争论只能另辟蹊径。EN 13445提出了无须应力分类的压力容器分析设计直接法。

2．国内设计方法发展

1949年中华人民共和国成立后，随着工业的逐步发展，压力容器的设计走上了历史发展的舞台。压力容器设计最初也是基于弹性失效准则，当时认为压力容器的失效主要是由强度、刚度问题或者腐蚀使容器强度、刚度发生变化而引起的。

我国压力容器规范起步于20世纪50年代。1959年，颁布了《多层高压容器设计与检验规程》。1960年，又颁布了适用于中低压容器的《石油化工设备零部件标准》。1967年，《钢制石油化工压力容器设计规定》（试用本）开始实施，这是我国第一部较为完整的设计规范。此后，历经了数次修订。1988年，第一部压力容器国家标准《钢制压力容器》（GB 150—1989）和《钢制管壳式换热器》（GB 151—1989）完成编制工作，于1989年实施，这是我国最早的压力容器国家标准。经修订后，1998年10月，《钢制压力容器》（GB 150—1998）开始实施。2000年，《管壳式换热器》（GB 151—1998）开始实施。再次经过修订后。2011年11月，《压力容器》（GB 150.1～150.4）开始实施。

1995年，我国颁布了第一部压力容器分析设计标准《钢制压力容器——分析设计标准》（JB 4732—1995），2005年对其进行了确认。标准采用的是以弹性分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法，该方法经过二十几年的工程实践，出现了一些众所周知的应力分类不确定等问题。