ASME规范压力容器设计概述
1. ASME BPVC简介
ASME锅炉及压力容器规范（Boiler and Pressure Vessel Code, BPVC）是国际上最权威的压力容器设计、制造和检验标准之一，由美国机械工程师协会（ASME）编制。
1.1 第VIII卷结构
- Division 1：基于规则的设计（Design by Rule）
- Division 2：基于分析的设计（Design by Analysis）
- Division 3：高压容器（Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels）
2. Division 1 设计基础
2.1 适用范围
- 设计压力 ≤ 3000 psi (20.7 MPa)
- 最简单、最常用的规范
- 采用公式法设计
2.2 设计压力与温度
设计压力：不低于正常操作压力，通常取操作压力的1.05～1.10倍，并考虑静压头。
设计温度：元件金属可能达到的最高或最低温度。
2.3 材料选择
材料必须符合ASME Section II（材料规范）的要求：
- Part A：铁基材料
- Part B：非铁基材料
- Part C：焊接材料
- Part D：材料性能
2.4 许用应力
许用应力$S$取以下最小值：
- 抗拉强度的1/4
- 屈服强度的2/3
3. 圆筒与封头设计
3.1 圆筒壁厚
内压下圆筒最小厚度（不考虑腐蚀裕量）：
$$ t = \frac{PR}{SE - 0.6P} $$
其中：
- $P$：设计压力
- $R$：内半径
- $S$：许用应力
- $E$：焊接接头系数
3.2 椭圆封头
$$ t = \frac{PD}{2SE - 0.2P} $$
其中$D$为封头内直径。
3.3 腐蚀裕量
实际厚度应加上腐蚀裕量：
$$ t_{required} = t_{calculated} + C.A. $$
一般取$C.A. = 1 \sim 3$ mm。
4. 开孔补强
4.1 补强原则
开孔后削弱的截面积应通过补强圈或加厚补偿。
4.2 面积补偿法
$$ A_{required} = d \times t_r \times F $$
其中：
- $d$：开孔直径
- $t_r$：圆筒所需厚度
- $F$：补强系数
5. 水压试验
5.1 试验压力
$$ P_{test} = 1.3P_{design} \times \frac{S_{test}}{S_{design}} $$
5.2 试验要求
- 保压时间：通常30分钟
- 检查：无渗漏、无可见变形
- 试验温度：高于材料无延性转变温度
6. Division 2 特点
6.1 与Division 1的区别
| 项目 | Division 1 | Division 2 |
|---|---|---|
| 设计方法 | 公式法 | 分析设计法 |
| 许用应力 | 较保守 | 较高 |
| 分析要求 | 简单 | 复杂（需FEA） |
| 材料韧性 | 较低要求 | 较高要求 |
| 壁厚 | 较厚 | 较薄 |
6.2 设计准则
- 保护免于塑性崩溃
- 保护免于局部失效
- 保护免于周期性载荷失效
- 保护免于失稳
7. 设计流程示例
- 确定设计条件（P, T）
- 选择材料，查许用应力
- 确定焊接接头系数
- 计算壁厚
- 开孔补强设计
- 支座设计
- 应力分析（如需要）
- 水压试验
- 出具数据报告
8. 总结
ASME规范是压力容器设计的重要依据，Division 1适合常规设计，Division 2适合要求轻量化或复杂载荷工况。设计时需结合实际工况，选择合适的规范和方法。
下期将详细介绍Division 2的分析设计方法。