應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用初探

尚英軍 王超悌 胡洋

摘要：隨著壓力容器的廣泛應(yīng)用，其設(shè)計工作的重要性也顯著提高。基于此，本文主要從一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力三方面入手，細化分析應(yīng)力分類概念，并從橢圓封頭開孔補強中封頭厚度設(shè)計方面、殼體開孔補強設(shè)計方面入手，深入分析應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計中的實踐應(yīng)用，以期提高壓力容器設(shè)計的規(guī)范性水平，改善壓力容器設(shè)計質(zhì)量，為壓力容器的廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力分類概念；壓力容器；一次局部薄膜應(yīng)力

前言：應(yīng)力分類設(shè)計是指在假定理想彈塑性材料的基礎(chǔ)上，精確區(qū)分應(yīng)力位置及載荷性質(zhì)，并根據(jù)區(qū)分結(jié)果對壓力容器進行彈性分析，運用不同強度條件限制不同應(yīng)力，最終得出符合相關(guān)標準的壓力容器設(shè)計方案。就壓力容器設(shè)計工作而言，應(yīng)力分類概念的應(yīng)用，可有效提高容器設(shè)計效率。因此，分析應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實意義。

一、 應(yīng)力分類

（一）一次應(yīng)力

一次應(yīng)力主要包含一次局部薄膜應(yīng)力、一次總體薄膜應(yīng)力及一次彎曲應(yīng)力3種類型。其中，后2種應(yīng)力主要與實現(xiàn)外載荷平衡有關(guān)。這種應(yīng)力是壓力容器的常見應(yīng)力。

（二）二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指，因結(jié)構(gòu)、溫度載荷的材料不連續(xù)或總體幾何不連續(xù)而產(chǎn)生的一種特殊應(yīng)力類型。與其他應(yīng)力相比，二次應(yīng)力主要具有以下幾種特征：第一，自限性特征。這種特征是指：當二次應(yīng)力參數(shù)達到屈服限值時，導致局部發(fā)生流動、變形協(xié)調(diào)后，變化位置局部的應(yīng)力值將不再繼續(xù)增加；第二，局部性。這種特性是指：二次應(yīng)力多因結(jié)構(gòu)不連續(xù)處需達到變形協(xié)調(diào)而出現(xiàn)。

（三）峰值應(yīng)力

這種應(yīng)力是因局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為實現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)、穩(wěn)定而產(chǎn)生的一種應(yīng)力類型。通常情況下，峰值應(yīng)力不會導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性破壞及變形，但當峰值應(yīng)力反復加載于某結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生疲勞破壞。

二、應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用

這里主要從以下幾方面入手，對應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用進行分析和研究：

（一）橢圓封頭開孔補強中封頭厚度設(shè)計方面

通過對壓力容器設(shè)計GB150-1998標準規(guī)程的分析可知，規(guī)程中對橢圓封頭開孔補強中封頭厚度設(shè)計規(guī)定了兩種不同的計算方法（以80%封頭內(nèi)徑范圍為界）。這種規(guī)定方法的原因在于：當開孔超出封頭中心80%封頭內(nèi)直徑范圍后，邊緣彎曲應(yīng)力會對橢圓封頭產(chǎn)生影響作用。

為了細化分析橢圓封頭開孔補強中封頭厚度的設(shè)計方法，參照GB150-1998標準，分別將橢圓封頭的基本計算數(shù)據(jù)設(shè)計為：材料選用16MnR，壓力：3.3MPa；內(nèi)表面高度：300mm；內(nèi)直徑：1200mm；橢圓封頭及筒體厚度均為：12mm，筒體長度參數(shù)：2000mm。運用有限元分析方法對上述參數(shù)進行應(yīng)力計算驗證后，結(jié)果顯示：橢圓封頭的一次薄膜應(yīng)力參數(shù)為177MPa（接近16MnR材料在計算溫度下的許用應(yīng)力參數(shù)）。因此可確認GB150標準符合實踐壓力容器設(shè)計要求。

（二）殼體開孔補強設(shè)計方面

殼體開孔補強設(shè)計的難度主要在于，殼體開孔接管區(qū)域的應(yīng)力類型難以確定。結(jié)合以往實踐設(shè)計經(jīng)驗可知，峰值應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力（一次應(yīng)力）是主流觀點公認的應(yīng)力類型。為了進一步確定殼體、接管連接區(qū)域的應(yīng)力類型，可以運用ASME VIII-2等標準規(guī)程中的規(guī)定進行驗證。ASME VIII-2標準中規(guī)定，殼體、接管連接區(qū)域?qū)倏傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)。此外，實驗驗證結(jié)果表明，當壓力容器的內(nèi)壓力參數(shù)增長到一定范圍時，殼體、接管連接區(qū)域會產(chǎn)生塑性變形，即壓力容器設(shè)計不合理。根據(jù)上述分析，可確認二者連接處的應(yīng)力類型屬于一次局部薄膜應(yīng)力[1]。

在實際設(shè)計過程中，可以選用有限元分析法完成局部薄膜應(yīng)力及壓力容器許用應(yīng)力強度的匹配設(shè)計。例如，以φ200X20（內(nèi)徑、壁厚）殼體壓力容器設(shè)計為例，當該容器接管壁厚參數(shù)及接管外徑參數(shù)分別為12mm、φ379時，有限元分析結(jié)果顯示，其一次局部薄膜應(yīng)力參數(shù)為257MPa，許用應(yīng)力強度為282MPa水平，這一參數(shù)匹配方式符合壓力容器設(shè)計要求；當接管壁厚參數(shù)及外徑參數(shù)分別為11mm、φ377時，其一次局部薄膜應(yīng)力參數(shù)增長至291MPa時，其許用應(yīng)力強度雖未發(fā)生變化，參數(shù)匹配方式卻不合格；當接管壁厚參數(shù)及外徑參數(shù)分別為12mm、φ424時，其一次局部薄膜應(yīng)力達到307MPa，許用應(yīng)力強度仍保持282MPa不變，設(shè)計成果仍然不合格。因此，在運用有限元分析法進行壓力容器設(shè)計時，應(yīng)注意殼體、接管區(qū)域的一次局部薄膜應(yīng)力不應(yīng)超過限值，以保障壓力容器的設(shè)計質(zhì)量。

除了有限元分析法外，等面積補強法也是壓力容器設(shè)計中的常用方法之一[2]。以壁厚為10mm，殼體內(nèi)徑參數(shù)為φ1000的壓力容器為例，當該容器的接管壁厚為5mm、接管外徑為φ219時，運用等面積補強法進行計算，理論需補強面積為1070mm2，而實際補強面積參數(shù)則為1160mm2，設(shè)計合格；當壓力容器的接管壁厚為5mm，接管外徑參數(shù)為φ259時，理論需補強面積與實際補強面積分別為1275mm2、1357mm2，設(shè)計合格；當壓力容器的接管壁厚為6mm，接管外徑1為φ412時，理論需補強面積、實際補強面積參數(shù)分別為2048mm2、2149mm2，設(shè)計合格。但通過對大量等面積補強法壓力容器設(shè)計經(jīng)驗的分析可知，這種設(shè)計方法在實踐設(shè)計中的應(yīng)用仍然存在一定的限制[3]。例如，當壓力容器開孔直徑與筒體直徑之比參數(shù)較大時，等面積補強法并不適用。對此，為了保障壓力容器設(shè)計的合理性，實際設(shè)計應(yīng)在遵循應(yīng)力分類概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓力容器設(shè)計條件及相關(guān)要求，選用適宜方法完成壓力容器設(shè)計。

結(jié)論：綜上所述，壓力容器設(shè)計質(zhì)量會隨著計算方法的變化而產(chǎn)生變化。有限元分析法、等面積補強法作為壓力容器設(shè)計中的常用方法，其在應(yīng)用條件方面均具有一定的要求。為了避免出現(xiàn)設(shè)計不合格問題，應(yīng)結(jié)合壓力容器結(jié)構(gòu)的載荷類型、幾何形狀等信息，綜合選用適宜的計算方法，以此規(guī)范開展壓力容器，促使壓力容器實現(xiàn)設(shè)計質(zhì)量、安全性及經(jīng)濟性的平衡。

參考文獻：

[1]黃勛. 壓力容器應(yīng)力分類分析設(shè)計方法改進研究[D].浙江理工大學，2017.

[2]萬興.壓力容器分析設(shè)計的安定性載荷計算方法[J].化工設(shè)備與管道，2015，52（03）：28-32.