歐盟壓力容器標準EN 13445分析設計標準

1、歐盟壓力容器標準歐盟壓力容器標準EN13445分析分析設計標準概述設計標準概述 蘇文獻上海理工大學化工過程機械研究所2006年8月21日 哈爾濱 前言前言 歐盟標準化委員會用了9年時間，起草了歐盟非直接接觸火焰壓力容器標準草案prEN13445。該草案于1999年提交各成員國評議。在2002年3月為歐盟成員國正式表決通過了修改后的標準EN13445，并于同年5月30日頒布了該標準第一版。 EN13445-3有兩個附錄介紹分析設計 即附錄B和C。 本文介紹歐盟壓力容器標準EN13445分析設計標準的思想思路和基本內容。1 歐盟對當前分析設計的考慮歐盟對當前分析設計的考慮1.1 應力分類法（彈性方

2、法）的現狀與問題1.2 直接方法（非彈性方法）的現狀與問題1.1 應力分類法（彈性方法）的現狀與問題 基于應力分類法（彈性方法）的分析設計要求將應力分類成一次應力、二次應力和峰值應力，再根據各類應力對承壓設備失效的危害性的差異采用不同的設計準則加以限制。 有限元分析是基于彈性理論而不是薄殼理論得到應力數值解，如何將這些應力數值解分類成一次應力和二次應力并進行評定就非常困難。 在過去的40多年中，分析設計標準所涉及的分析設計方法未作原則上的調整和修改。同時應力數值解的評定未作十分明確規(guī)定。 如何對應力進行分類就成為分析設計重要的工作之一。早期的應力分類方法主要是等效線性化處理法，包括：點處理法、

3、線處理法和面處理法。后來，相繼提出了廣義的局部應力應變節(jié)點重新分布法、彈性補償法和一次結構法等。 分析設計最初引入時，在承壓設備設計中主要的分析方法是薄殼不連續(xù)分析，它是基于薄殼理采用有限元法進行承壓設備響應分析計算后，由于有限元分析是基于彈性理論而不是薄殼理論得到應力數值解，除殼體特別薄以外，應力沿壁厚呈非線性分布。 以Hechmer和Hollinger等為代表的美國壓力容器研究委員會（PVRC）開展了三維應力數值解評估技術研究，但難以取得突破性進展。究其原因，是迄今為止仍未解決以下幾個問題：(1)應力分類線或面如何選擇(2)哪些應力分量應當線性化(3)三維有限元分析中的應力如何線性化1.2

4、 直接方法（非彈性方法）的現狀與問題 分析設計規(guī)范中，優(yōu)先選擇彈性計算的是因為彈性分析簡單，手段成熟，計算成本低。但現在這些不是分析設計中要考慮的主要問題。 分析設計中的非彈性分析方法就是采用極限分析及安定性分析的方法直接對載荷加以限制，而不對彈性名義應力進行分類。1.2.1 極限分析1.2.2 塑性分析 1.2.1 極限分析 極限分析是假設材料為理想彈塑性（或理想剛塑性）、結構處于小變形狀態(tài)時，研究塑性極限狀態(tài)下的結構特性。 極限分析的上、下限定理可以用來確定結構的極限載荷，通常是根據下限定理來求結構的下限極限載荷。只有比較簡單的問題如軸對稱結構的簡單容器、環(huán)板才能求得其極限載荷。對一些復雜

5、的結構還無法求出極限載荷的解析解。數值解多數是根據有限元法和數學規(guī)劃法相結合而建立的。極限條件往往又是非線性的。因此，只有比較簡單的問題如軸對稱結構的簡單容器、環(huán)板才能求得其極限載荷。由于塑性理論模型的復雜及解非線性方程的困難，到目前為止，對一些復雜的結構還無法求出極限載荷的解析解。隨著有限元技術和數學規(guī)劃方法的發(fā)展，近二十年來極限分析的數值方法獲得了迅速發(fā)展。目前已建立了多種有關的算法格式，除彈塑性有限元中的逐步加載法外，大多數格式主要是根據有限元法和數學規(guī)劃法相結合而建立的。為了克服彈塑性增量有限元法的困難，提出了許多求極限載荷的簡化分析方法：(1) R. Seshadri提出的廣義的局部

6、應力應變節(jié)點重新分布法GLOSS 與真實的極限載荷差別較大(2) D. Mackenzie和J. T. Boyle首先提出的彈性補償法 求得極限載荷的值比用彈塑性分析求得的值小11%20%，其準確性受網格密度和單元階的影響非常大(3)數學規(guī)劃法 理解比較困難，有限元程序的編寫也困難 1.2.2 塑性分析 承壓設備的塑性分析，就是通過采用試驗或非線性有限元法計算而獲得結構上關鍵部位的載荷應變(或變形)曲線，然后采用不同的準則確定塑性載荷。 根據載荷應變(或變形)曲線確定塑性載荷值的準則主要有：0.2%殘余應變準則、兩倍彈性變形極限準則、1%塑性應變準則、兩倍彈性斜率準則、雙切線準則、零曲率準則等

7、。（1） 雙切線準則 該準則是由Save提出的。該準則的不足之處是切線交點不位于載荷變形曲線上，根據此準則確定的塑性載荷是通過外推的方法（2） 1%塑性應變準則 該準則是由Townley等提出的。用該準則確定承壓設備的塑性載荷與所選承壓設備的測量點的位置關系極大。（3） 兩倍的彈性變形準則 ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第VIII篇1974年版曾采用該方法作為設計準則。求出來的塑性載荷誤差比較大。 （4） 兩倍的彈性斜率準則 自1975年至今，ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范一直采用的準則。的分散性。但多數情況下塑性載荷值偏于保守。 Kirkwood 和Moffat對受內壓作用的直徑相等的三通結構進行了極

8、限載荷的計算，得出對于給定的結構按兩倍的彈性斜率準則得到的塑性載荷是不確定的。 Arturs Kalnlns和Dean P. Updike對承受內壓作用的錐形封頭、碟形封頭與球冠形封頭進行了塑性分析，認為：對同一構件，當選用不同的載荷應變（或變形）曲線時，按兩倍的彈性斜率準則確定的塑性載荷誤差最大。（5） 0.2%殘余應變準則 該準則曾經被ASME1971年版采用。在由實驗確定載荷最大應變曲線時，由于最大應變不易直接測出，故此法實用性并不強。（6） Demir & Drucker 準則 Demir和Drucker于1963年建議取實驗極限載荷為實際位移等于彈性響應變形（即假設材料仍為初

9、始彈性響應時的變形）的三倍時的載荷。此定義的實質就是三倍彈性斜率準則。（7） 三倍彈性變形準則 Schroeder將彈性響應的變形取為切線交點變形，并定義塑性載荷為載荷變形曲線上測定變形等于3倍彈性變形時的載荷。（8） 塑性功準則 該準則是由Gerdeen于1979年提出的。他建議參數選擇原則是：載荷參數與相對應的變形參數的乘積表示功，例如：力和位移、彎矩和轉角。這時，載荷變形曲線下的面積就表示載荷對容器所做的功，總的功由彈性功和塑性功組成。塑性功可以用來判斷在確定塑性載荷時的變形參數。9） 零曲率準則 該準則是由陸明萬教授等提出的，作為對雙切線準則的改進。是一個不含任何人為系數的準則。 上面

10、提到的確定塑性載荷準則都是根據載荷變形曲線存在顯著塑性流動階段的特點，通過給出一定的系數，在曲線上做出一些特征線，以此來確定塑性載荷。這里就存在一個問題，即顯著的塑性流動階段是根據載荷變形曲線上的某些特征來定性分析的，并沒有從量上進行分析。以下這些情況下并不能根據其膝部末端來表征顯著的塑性流動的開始。（1）在結構存在幾何強化的情況下，對有些較薄的板殼結構必須考慮大變形的效應。（2）在結構存在幾何弱化的情況下，若大變形引起幾何弱化效應將出現彈塑性失穩(wěn)情況，（3）在結構出現微弱局部垮塌的情況下，可能出現了兩個膝部。（4）對于同一結構，按照不同的確定塑性載荷的準則計算的塑性載荷其結果差別較大。陸明萬

11、教授等對帶徑向接管的球形容器通過內壓試驗，根據零曲率準則來確定其塑性載荷，分析了布置在接管的同一平行圓但母線不同的兩組電阻應變片的測量結果。理論上講，在各個測點處，它們的曲線本應該相同，但因局部幾何形狀的影響，實測曲線卻具有不同形狀的膝部。 RrTtPdBABA圖 帶徑向接管的球形容器 安定載荷的計算是基于Melan下限安定性理論和Koiter上限安定性理論。對在循環(huán)載荷作用下的理想彈塑性結構，首先要找到一個殘余應力場，再將殘余應力場和循環(huán)作用的載荷引起的線彈性應力場相疊加，疊加后的應力場如果滿足處處不發(fā)生屈服的要求，則結構就處于安定狀態(tài)。這就是Melan下限安定性理論。 在塑性理論中，如果某

12、一方法可以用來計算極限載荷，那么，只需經過微小的修改就可以用來計算安定載荷。實際上，極限理論和安定理論是一樣的，只是載荷條件不同，極限理論適用于靜載荷，而安定理論適用于動載荷。1.2.3 安定性分析 2 新概念新概念 標準提出的一些新概念：原理和應用準則載荷部分安全系數結構應變載荷響應的設計校核強度的設計校核。（1） 原理和應用準則 原理是對給定的失效形式的概述、定義和基本要求，一般情況下，原理的基本要求和分析模型不能用其它的來替代。應用準則是遵從原理并確定是否滿足其要求的過程。與原理不同的是，針對同一個原理，可以有多個符合相應原理要求的應用準則。 （2） 載荷(action) 與以前規(guī)范標準

13、不同，歐盟標準中的載荷，指所有加在結構上引起應力或應變的熱、機械量，如力、（包括壓力），溫度變化和施加的位移。載荷按隨時間的變化可分為四類：永久載荷(permanent actions) 永久載荷包括結構的自重、輔助設備及附件的重量等。變化載荷(variable actions) 可變載荷包括對結構施加的載荷、風載荷和雪載荷，但不包括壓力和溫度及與確定它們相關的載荷。意外載荷(exceptional actions) 由于一次承載的失效導致二次承載的載荷及意外的地震載荷。 壓力和溫度(pressures and temperatures)以及由它們起決定作用的相關的載荷。盡管這兩個量屬于變化載

14、荷，但由于它們具有隨時間變化的特殊性能以及隨機的特點等，因此，將他們單獨化為一類載荷來考慮。 （3） 部分安全系數 分析的不確定性，不同的載荷種類及組合形式、不同的失效形式中結構行為和產生后果的差異等都會給分析帶來一定的困難。為了綜合考慮這些因素的影響，歐盟標準引入了部分安全系數的概念。對不同的載荷，不同的載荷組合，不同的失效形式和不同的結構，分別給予不同的部分安全系數。這些部分安全系數組成了結構的總體安全系數即復合安全系數，以此來調整結構的安全裕量。標準給出了各種載荷在不同條件下的部分安全系數。（4）（等效的）無應力集中模型 （等效的）無應力集中模型是一個等效的無局部應力或應變產生的理想結構

15、模型 。（5） 結構應變 在一個無應力集中模型中的應變。例如，考慮除了引起局部應力或應變集中的實際幾何形狀結構模型這樣的理想模型中確定的應變。 結構應變包括了總體結構的細節(jié)影響。如支管連接，原錐體和圓柱體的連接、筒體和封頭的連接、厚度的不連續(xù)，補強，帶有總體影響的設計形狀的偏離，例如圓柱殼體的不圓度，但是，不包括局部結構細節(jié)中的缺口的影響，如笑的焊縫半徑處，焊趾、焊縫的不規(guī)則結構，小的（部分穿透）的開孔，或者局部的溫度場。 使用殼單元或者梁單元進行有限元分析，可以直接給出結構的應變。 （6） 載荷響應的設計校核 載荷的設計響應是在外部載荷作用下在結構中產生的載荷、內力（廣義應力）和應變，它是設

16、計載荷和結構幾何尺寸的函數。載荷響應的設計校核是在特定的載荷組合下，就結構特定的極限狀態(tài)（代表一種或幾種失效形式），對結構安全性的評定。在設計校核中，用設計載荷的特征值乘以相應的部分安全系數，得到結構的設計載荷，再求得相應設計響應值，將它和相應的設計強度作比較。設計強度是對應的載荷組合的結構強度除以相應的強度部分安全系數。（7）失效模式和極限狀態(tài) 主要的失效模式以及相關的極限類型列在表1上。最新的分類是按照載荷是短期作用、長期作用還是循環(huán)載荷來分的。 極限狀態(tài)可以分為最終極限狀態(tài)和功能性極限狀態(tài)。 最終極限狀態(tài)是與部件和容器的爆炸或垮塌相關，或者與可能危及生命，包括：總體塑性變形失效、疲勞引起

17、的斷裂、容器或其部分不穩(wěn)定引起的垮塌。 功能性極限狀態(tài)是部件或容器的超過了給定的功能性準則并且不能夠再滿足該準則的結構狀態(tài)。能極限狀態(tài)包括：能夠嚴重地影響容器的使用，包括機器或功能的正常作用，或者引起結構或非結構單元的損壞的變形或位移。安全的其它結構失效形式相關的結構狀態(tài)。 脆性斷裂韌性破裂3)過度變形14)過度變形25)過度變形36)過度的局部應變7)失穩(wěn)8) U U S,U1)USUU,S2) 漸增塑性變形9)交變塑性10) UU 蠕變破裂蠕變與過渡變形111)蠕變與過渡變形212)蠕變與過渡變形313)蠕變失穩(wěn)腐蝕環(huán)境加速的開裂 US,U1)USU,S2)SU 蠕變蠕變與過渡變形111)

18、蠕變與過渡變形212)蠕變與過渡變形313)蠕變失穩(wěn)腐蝕環(huán)境加速的開裂14) US,U1)USU,S2)SU 3. 直接方法直接方法 用直接方法來進行結構的各種失效機理分析是歐盟標準在分析設計中的最大特點。同時，也保留了傳統(tǒng)的應力分類方法，應用于薄殼等簡單結構的分析設計。根據標準所涉及的，每一個相應的失效模式，都有一個相應的設計校核，每一種設計校核代表一種或多種失效模式。EN13445所包括的失效：總體塑性變形（GPD）漸增塑性變形（PD）失穩(wěn)（I）疲勞（F）失去靜平衡（SE）3.1 總體塑性變形（Gross Plastic Deformation GDP） 原理原理對每一個載荷工況，載荷的設

19、計值或載荷組合的設計值應當通過一個設計模型來表達，該設計模型要遵循以下原則： 1） 材料本構關系線彈性理想塑性本構關系；2） 服從tresca屈服準則（最大切應力準則）和相關聯(lián)流動準則；3） 設計強度參數按照相關規(guī)定；4） 部分安全系數按照相關規(guī)定；5） 對所有載荷的按比例增加和無應力初始狀態(tài)的無應力集中模型，主結構應變的最大絕對值應當小于5% 正常操作載荷工況7% 試驗載荷工況Dear Mr Wenxian,The 5% are from a purist point of view arbitrary. Mainly we wanted a unique answer for a DBA

20、performed by different people, with different software, different patience etc. In our first draft we did use the tangent intersection approach - i.e. we used as design value for what we then still called resistance the value of the action corresponding to the intersection of the tangent in the elas

21、tic regime and the tangent in the plastic regime foe a value which resulted in a plastic deformation of not more than 5%. This lead to two problems: As you know this functions properly only if the action is combined in this diagram with a deformation measure that corresponds to the action and the mu

22、ltiplication of which with the action gives the corresponding work. that sounds easy theoretically for an action being a force or a moment, but is difficult in practice when dealing with pressure - the corresponding measure would be the volume change! The twice-elastic-slope approach, used by some r

23、esearchers, had been shown to be usable only in special cases. There remained only one useful measure as a break-up point - the plastic strain. Since we are dealing with actions close to the fully plastic limit, where action-deformation curves are already flat, the value itself is not of major impor

24、tance, it has to be large enough to use the advantages of DBA almost fully, and it has to be small enough to limit computation time. Since we were already discussing on a limit for creep strain, and had agreed on 5% for that, we used the same value. Since in this region elastic strain concentrations

25、 tend to disappear by plastic deformation, and since we wanted to make FEA easy, allow for the use of plate and shell elements, we limited the structural strain. With kind regards Zeman應用準則應用準則：下限極限法如果能夠表明在該準則里用給定的設計模型確定的任何載荷或載荷組合的下限極限值都能夠達到而不違反應變限定，如果載荷或載荷組合的設計值沒有超過下限極限值，那么，就可以滿足該準則。3.2 漸增塑性變形（Prog

26、ressive Plastic Progressive Plastic Deformation PDDeformation PD） 原理原理對于載荷循環(huán)應當通過一個設計模型來表達，確保漸增塑性變形不發(fā)生。該設計模型要遵循以下原則：1）準守小變形理論；2） 材料本構關系線彈性理想塑性本構關系；3） 服從von Mises屈服準則，（最大變形能準則）和相關聯(lián)流動準則；4） 設計強度參數按照相關規(guī)定；注：在設計校核里，所有的部分安全系數等于1，設計值和設計函數都等于特征值和特征函數。 應用準則1 ：技術適應（Technical adaptation）如果能夠表明在對考慮的載荷工況作用給定的循環(huán)數后，

27、主結構應變的最大絕對值不超過5%，那么就說滿足該準則。如果沒有給定循環(huán)數，那么就可以假定一個合理可行的循環(huán)數，如至少500次循環(huán)。這樣，就能夠滿足相應的原理。應用準則2：安定如果等效無應力集中模型在循環(huán)載荷作用下能夠安定到線彈性行為，那么，就說，能夠滿足相應的原理。3.3 失穩(wěn)（Instability I） 原理對每一個載荷工況，一個載荷或載荷組合的設計值將不大于以5%對最大主結構應變的限定獲得的相應的屈曲強度的設計值。設計模型要求遵循以下原則：1）按照在EN13445-4:2002中或者在圖紙上給定的許用的偏移，來根據臨界（經典的或分叉）屈曲形狀或偏離來進行預變形處理；2）材料本構關系為線彈

28、性理想塑性本構關系；3）服從Von Mise屈服條件和相關聯(lián)流動準則；4）設計強度參數按照相關規(guī)定；5）所有載荷比例加載；6）初始狀態(tài)為無應力狀態(tài)。設計值將由曲屈強度除以相應的部分安全系數來確定。應用準則1 根據試驗結果對給定的載荷工況如果相應的試驗結果可以使用的話，下列的應用準則可以使用：如果一個載荷或載荷組合的設計值不大于基于試驗觀察得到的期望的失效值范圍的下限，那么，該原理就能夠滿足。試驗將包括形狀偏差的影響。試驗結果將和具有試驗確定的削減系數的理論模型相關聯(lián)。這樣一個理論模型將包括在彈性范圍內的曲屈失效，并將計算的應力與屈服應力相比較，也可以包括形狀缺陷的影響。設計形狀的偏差就確保了形

29、狀缺陷保持在試驗數據所包括的范圍。 應用準則2 第8款（針對壓力載荷）在第8款中給出的要求滿足了作為針對壓力載荷的穩(wěn)定性要求正常操作載荷工況下的設計校核a) 載荷的部分安全系數和組合準則，在b8.2.3中給定，（針對GDP-DC），另外，溫度載荷也將包括在所有的相關載荷工況里，它的部分安全系數是1.0。b) 材料強度參數見表8.2(對GPD-DC)。這些值可以直接使用，不需要乘以安全系數。c) 對曲屈強度的設計值的確定，部分安全系數將是：1.25 如果壓力試驗（外壓）按照EN13445-5:200進行1.5 其它情況，不按照EN13445-5:200進行3.4疲勞失效（Fatigue fail

30、ure F）原理針對壓力/溫度和變化載荷得到的破壞指標Dd的設計值將不超過1。應用準則 在EN13445標準的18款中給出了要求滿足作為對疲勞失效的校核 標準在進行結構疲勞分析時，定量考慮了溫度、表面粗糙度、厚度、平均應力的影響，對母材和焊接材料給出了不同的評定方法。相應地，分別給出了母材和焊接材料的疲勞設計曲線。3.4靜平衡（Static requirements SEStatic requirements SE） 原理結構失去穩(wěn)定的載荷的設計響應小于結構穩(wěn)定載荷的設計響應。設計校核a)載荷部分安全系數在表B8.2.和B8.4給出（針對GDP-DC）。如果使用了（區(qū)域指定的數據）特征值，就有

31、必要對載荷使用不同的部分安全系數，來維持所有的安全要求。對于靜平衡的確認，由穩(wěn)定（有利的）載荷的下限設計值表示，以及不穩(wěn)定（不利）載荷的上限設計值表示。依據從下列載荷導致的穩(wěn)定與不穩(wěn)定可將永久載荷由適當的設計值來表示，一個單個的永久載荷的有利和不利部分和（或）不同的永久載荷無關結構或由不同結構材料制造的非結構單元的自重將作為單獨的永久載荷處理。均質結構的自重將作為單個永久載荷處理。必要的結構相似部分的自重（或者必要的單一的非結構單元的自重）將作為單個永久載荷的單獨的有利或不利部分來處理。b)組合準則對穩(wěn)定影響，只有能夠可靠的認為能夠出現在考慮的情況下的那些載荷才能夠包括在相關的組合中；變化載荷

32、將應用到變化載荷增加穩(wěn)定性效果的場合，而在變化載荷增加不穩(wěn)定效果的場合忽略它。要考慮非結構單元被忽略或除去的可能性。變化載荷的有利影響不需要考慮在幾何尺寸的值的不確定性影響靜平衡確認的場合，尺寸將通過在確認中最有可能達到的最不利的值來表示。4. 非直接方法（應力分類法）非直接方法（應力分類法）4.1目的4.24.2術語和定義術語和定義4.34.3應力的分解應力的分解4.44.4確定應力相關方法的要求及選擇確定應力相關方法的要求及選擇4.5 4.5 應力分類應力分類4.1目的 1）作為規(guī)則設計的替代物；2）作為在下列情況下對規(guī)則設計的補充：規(guī)則設計不包括的情況；所涉及到環(huán)境載荷疊加的情況； 超出

33、了在EN13445-4:2002第5款中給出的制造偏差的意外情況，在這樣的情況下，任何超過偏差極限的偏離都要在文件中清楚的標注；作為分析設計直接方法的替代物。4.2術語和定義術語和定義 EN13445在應力分類法中的一些基本術語和定義與目前使用的美國ASME規(guī)范、英國BS5500和中國的JB473295鋼制壓力容器分析設計標準基本一致。如總體結構不連續(xù)，局部結構不連續(xù)；一次應力，二次應力、峰值應力、等效應力 4.3應力的分解應力的分解歐盟標準EN13445將應力處理線的概念正式納入標準，并給出了具體的應力線性化方法。應力支撐線應力支撐線概括起來說，應力的分解，將通過沿壁厚的一條線段即應力支撐線

34、來進行的。應力支撐線的長度e，是連接器壁內外表面的距離最小的線段，見圖。在遠離總體結構不連續(xù)的區(qū)域，應力支撐線是垂直于器壁的中面，其長度e所分析處的壁厚。具體的線性化過程分兩步：第一步是選擇一條應力分類線。該線是連接所選結構危險部位兩個表面的最短線。對于遠離結構不連續(xù)的區(qū)域，該線垂直于兩個表面，其長度等于殼體厚度。第二步是將應力沿這條線線性化處理。將容器各計算部位應力，按選擇的危險截面把各應力分量沿該應力分類線進行均勻化和當量線性化處理，然后進行應力分類評定。均勻化處理后的平均應力屬于薄膜應力，當量線性化處理后，應力的線性部分屬于二次應力，剩余的非線性部分屬于峰值應力。1）薄膜應力 薄膜應力分量是應力沿壁厚e的平均值， 221eeijmijdxe2）彎曲應力 彎曲應力是沿壁厚線性分布的應力成