欧盟压力容器标准en13445分析设计标准概述定稿

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1、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）

2、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

3、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：应力分类线或面如何选择哪些应力分量应当线性化三维有限元分析中的应力如何线性化1.2直接方法（

4、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

5、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：R.S

6、eshadri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

7、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

8、和Moffat对受内压作用的直径相等的