1.1　压力容器的设计进展

压力容器设计是综合性很强的专业，要求设计者通晓国家法令，设计标准、规范，以及设计方法，同时还必须对压力容器选用的材料性能等有较为详细的了解，对压力容器的使用范围、环境等有清楚的认识，甚至还应具备丰富的设计、制造、使用和维护等方面的经验。正是因为如此，不论是国家法令和设计标准、规范的变更，还是新材料的使用及制造水平的提高等，都可能引起设计方法的进步和发展。

1.1.1　规则设计

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。与英国、美国及其他国家一样，我国的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。但随着工业的进步，许多压力容器的失效事故已经无法用弹性失效理论来解释，而且在设计过程中发现，这种设计方法已越来越难以满足工业发展的需要。但是限于当时我国的材料、加工业水平及对设计理论的认识等原因，在1990年以前，我国压力容器仍然采用这种设计方法。

现在，设计人员通常把以材料力学及板壳薄膜理论的简化计算公式为基础，加上一些经验系数进行设计的方法称为“规则设计”。规则设计基于弹性失效准则，确定许用应力的安全系数较大，设计时只考虑单一的“最大载荷”，按一次施加的静载荷处理，不考虑交变载荷和容器的疲劳寿命问题。规则设计对容器重要区域的实际应力未进行严格详细的计算，而工程结构中应力的分布大多数是不均匀的，随着试验技术与计算技术的发展，对于局部几何不连续处按精确的弹性理论或有限元法所得到的应力集中系数可达3～10，此时若按最大应力点进入塑性就视为失效就显得保守，结构还有很大的承载潜力，但若不考虑应力集中只按简化公式进行设计，应力集中区将可能出现裂纹而埋藏安全隐患。同时规则设计无法解决高温、高压容器中当热应力与内压应力之和已超出传统的允许值时，无论加厚或减薄壁厚均不能满足传统标准要求的矛盾，也无法解决弹性元件（如膨胀节等）对壁厚要求的问题（强度与柔性的矛盾）。另外，规则设计无法对在实际运行的设备中出现疲劳裂纹等压力容器失效做出合理的评定与预测。由于规则设计没有对各类应力进行正确的评价，随着工业化程度的加深，其局限性也越来越明显。

在国外，20世纪60年代以前，ASME规范主要采用“规则设计”，即以压力容器主要部位的最大主应力不超过弹性范围为设计的安全准则，根据材料的许用应力对压力容器的结构与尺寸做出具体的规定和计算。英国、日本等国家在20世纪70年代以前也都采用规则设计方法。

1.1.2　分析设计

由于工业的快速发展，生产规模的不断扩大，压力容器承受循环载荷的情况日益增多，规则设计已远远不能满足工业发展的需要，为了解决规则设计无法解决的矛盾，另一种压力容器的设计方法——“分析设计”得到了应用与发展。分析设计采用极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位进行有限寿命设计。确定设计应力强度的安全系数相对较低，设计应力强度相对提高，也解决了规则设计中出现的一些矛盾。

分析设计是以详尽的应力分析为依据，对各类应力根据其对压力容器失效的不同影响分别加以限定。分析设计是压力容器设计理论和方法上的一次飞跃，反映了近代压力容器设计的先进水平，但它对材料、制造、工艺、检验、计算程序（软件）、设计制造资格等的要求比较严格。例如，选用的材料为延性好、力学性能稳定的优质材料并需对各种缺陷进行严格的检验；在无损检测方面则要求一律进行100％的RT（射线）检测。因此，在进行压力容器设计时，人们总是根据经济核算，从规则设计和分析设计中选择一种较为经济的设计方法。

另外，由于计算机的应用及发展，大量的设计工作已经由计算机程序和一些优秀的软件系统来完成。它不但能完成对压力容器结构的设计、校核，而且能够通过优化设计得到符合优化目标的最优结果，而优秀的专家系统更是在设计决策、运行管理、故障分析等方面发挥着特殊的作用。

在国外，ASME锅炉及压力容器委员会于1955年设立了“评述规范应力基准特别委员会”，对当时设计规范的许用应力基准进行了研究。1965年，在ASME规范的第Ⅷ卷中提出了“应力分类”的设计新观点，即对压力容器各危险部位的应力先进行详细的分析，然后根据各类应力对压力容器失效的不同影响对应力进行分类，再根据不同的设计准则加以限制。这种设计方法就是“以应力分析为基础的”设计方法（即分析设计）。1968年，ASME规范第Ⅷ卷“压力容器”正式分为两册，一册为传统的规则设计规范，另一册为分析设计规范。英国1976年开始在BS 5500规范中列入了压力容器分析设计的内容。日本1983年正式实施JIS 8250规范（即“压力容器构造另一标准”）。此后，各国对其设计方法重新进行了调整编制。

1.1.3　规则设计与分析设计的结合

有时，压力容器采用分析设计在经济上不合算，但采用规则设计又不能满足某些零部件的设计要求或者采用规则设计的这些零部件造价太高。为了解决这一问题，又出现了以规则设计为基础，局部元件采用分析设计的设计方法。这种设计方法兼顾了规则设计与分析设计的特点，并基本能满足现代压力容器设计的一些要求，因此这种设计方法已引起人们的重视。尽管这样，规则设计与分析设计结合仍然存在许多问题，两者结合的深度也常为人们所争论。

1.1.4　压力容器设计未来的发展

随着压力容器的广泛使用，压力容器设计方法也在向前发展。目前，人们对压力容器失效的认识还不完全清楚，理论还不完善，随着人们在实践中加深了对压力容器失效的认识，并在理论上有新的突破，人们将会采用更为有效、经济合理的设计方法。而且新科技的发展，新材料的应用，也会为设计提供发展的基础。另外，计算机的发展和应用，各种软件的开发与应用，将使设计更加方便、准确；同时，计算机软件的成熟将会使模拟实际工况环境的实验更加快速、准确，而实验结果又会为设计提供可靠的指导。因此，可以想象，压力容器的设计将会与计算机（包括计算机软件）的发展紧密结合在一起，向更准确、更安全、更经济合理的方向发展。