《武汉工程大学学报》 2008年02期
115-116
出版日期：2008-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
扁平绕带式容器的可靠性研究
引言扁平绕带式容器是石油、化工等行业常用的特种设备，其使用条件往往较为苛刻，为保证容器在使用时的安全可靠性，对新制造的容器，须用超过操作压力的试验压力进行试验，合格才能投入使用.同时在保证压力试验的要求下，为防止压力试验时容器出现不必要的事故，对容器压力试验时的应力水平进行限制［1］，液压试验时σT≤0.9σs，气压试验时σT≤0.8σs.笔者认为：在气压或液压试验的最苛刻条件下，即在σT=0.8σs（气压试验）或σT=0.9σs（液压试验）条件下，扁平绕带式容器静强度（屈服压力与爆破压力）不出安全问题的概率有多大是值得探讨的问题.为此，应用基于概率统计的可靠性设计方法进行分析和讨论.1基本分析压力试验时扁平绕带式容器初始静强度的可靠度，是指初始静强度大于试验压力的概率，决定可靠度的随机变量为：
y=pr-pT（1）当pr、pT符合正态分布时，可靠度系数为：
β=μpr-μpT（μprCpr）2+（μpTCpT）2（2）令μpr/μpT=nr（3）则有：
β=nr-1（nrCpr）2+C2pT（4）由β查正态分布积分表［2］，可得对应的可靠度R.2pT、ps和pb分布规律与分布参数研究表明：pT、ps、pb符合正态分布［3~5］.在气压或液压试验的最苛刻条件下，pT的分布参数为［3］：μpT=λμpsCpT=0.045用专用公式（见符号说明）预测扁平绕带式容器的初始屈服强度时，ps的分布参数取值范围为［4］：μps=（1.021 8~1.094 0）usCps=（0.083 56~0.137 8）用专用公式（见符号说明）预测扁平绕带式容器的初始爆破强度时，pb的分布参数取值范围为［4］：μpb=（1.021 8~1.094 0）ubCpb=0.063 87~0.124 63初始屈服强度可靠度范围3.1气压试验在气压试验的最苛刻条件下，有：nrs1=μpsμpT=μpsλμps=1.25把其及有关数据代入式（4）可得βs1=1.40~2.20.根据此值查正态分布积分表，可得对应的可靠度范围Rs1=91.924%~98.610%.3.2液压试验在液压试验的最苛刻条件下，有：nrs2=μprμpT=μpsλμps=1.111 1把有关数据代入式（4）可得βs2=0.70~1.08.根据此值查正态分布积分表，可得对应的可靠度范围Rs2=75.80%~85.99%.4初始爆破强度可靠度范围为讨论方便，假定扁平绕带式容器内筒与绕带层材料屈强比γ相等，则在最苛刻压力试验条件下，有：nrb=μprμpT=μpbλμps=（0.934 0~1.071）1λγ（5）对于扁平绕带式容器，通常用γ≤0.75的钢材制成，以γ=0.75为例，有：nrb=（1.245 3~1.427 5）/λ（6）4.1气压试验因λ＝0.8，由式（6）可知nrb1=1.557~1.784 3，把其及有关数据代入式（4）可得βb1=2.80~6.40.查正态分布积分表，可知可靠度范围Rb1=99.744 5%~99.999 999 992 23%.4.2液压试验第2期吴元祥，等：扁平绕带式容器的可靠性研究
武汉工程大学学报第30卷
因λ＝0.9，由式（6）可知nrb2=1.384~1.586，把其及有关数据代入式（4）可得βb2=2.15~5.29. 查正态分布积分表可知可靠度范围Rb2=98.422%~99.999 994 0%.5结语a. 在最苛刻的压力试验条件下，扁平绕带式容器初始静强度的最小可靠度与压力试验时应力水平限制有关.b. 扁平绕带式容器在最苛刻的气压与液压试验条件下，初始屈服强度的最小可靠度分别不低于91.924%与75.80%，最大可靠度分别不大于98.610%与85.99%.用γ=0.75钢材制成的扁平绕带式容器，在最苛刻的气压与液压试验条件下，初始爆破强度的最小可靠度分别不小于99.744 5%与98.422%，最大可靠度分别不大于99.999 999 992 23% 与99.999 994 0%.符号说明
y——随机变量
pr——初始静强度的预测值，MPa
pr=σ1lnK1+σ2cot2θ（Ksin2θ2-1）
K1——内筒径比
K1=r1/ ri
ri、r1——分别为内筒的内、外半径
K2——绕带层径比
K2=r0/ r1
r1、r0——分别为绕带层内、外半径
θ——绕带层的缠绕倾角
σ1、σ2——分别为内筒与绕带材料机械性能常数，当σ1、σ2分别取内筒与绕带层材料屈服应力σs1、σs2时，pr为ps；当σ1、σ2分别取内筒与绕带层材料抗拉应力σb1、σb2时，pr为pb
ps——初始屈服强度（压力），MPa
pb——初始爆破强度（压力），MPa
σT——压力试验时的应力水平，MPa
pT——最苛刻条件下的试验压力，MPa
pT=λps（常温）
λ——最苛刻试验条件下试验类型系数，气压试验取0.8，液压试验取0.9
μpr、Cpr——分别为pr的均值与变异系数
μpT、CpT——分别为pT的均值与变异系数
nr——可靠性安全系数
μpb、Cpb——分别为pb的均值与变异系数
μps、Cps——分别为ps的均值与变异系数
us、ub——分别为ps、pb的名义值，MPa
ur=μσ1lnμK1+μσ2cot2μθ（μsin2μθK2-1）
μk1、μk2、μθ——分别为k1、k2、θ的名义值
μσ1、μσ2——分别为σ1、σ2的名义值
μσs、μσb——分别为σs、σb的均值， MPa
γ——材质的屈强比
γ=μσs/μσb