壓力容器設(shè)計(jì)方法對(duì)比與應(yīng)力分類

王建成

摘 要：對(duì)于壓力容器來(lái)說(shuō)，主要就包括了兩類設(shè)計(jì)方式，即為常規(guī)設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析設(shè)計(jì)，文章就自相關(guān)的原理、方式等表述出了常規(guī)設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析設(shè)計(jì)間所具有的差別，加之容器中各類應(yīng)力的性質(zhì)及對(duì)失效模式所起的不同作用，同時(shí)，還說(shuō)明了兩種設(shè)計(jì)方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)及現(xiàn)階段的應(yīng)用，為在實(shí)際工作中選擇科學(xué)且高效的設(shè)計(jì)方式給予更多的參照與憑據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓力容器；應(yīng)力；設(shè)計(jì)效果；問(wèn)題；注意事項(xiàng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.046

1 前言

現(xiàn)階段，在我國(guó)，社會(huì)及經(jīng)濟(jì)都得到了十分迅速地進(jìn)步及提升，所以，為了持續(xù)增強(qiáng)我國(guó)在國(guó)際中所具有的競(jìng)爭(zhēng)能力，就應(yīng)提升所有產(chǎn)品本身的質(zhì)量與效果。壓力容器大多都會(huì)被運(yùn)用到原油、化工等相關(guān)的領(lǐng)域中，因?yàn)檫@類領(lǐng)域所需運(yùn)用的原材料大多毒性較高，且十分易燃，若對(duì)壓力容器開(kāi)展的設(shè)計(jì)不夠正確，就會(huì)使得產(chǎn)品最后的質(zhì)量無(wú)法達(dá)標(biāo)，甚至是引發(fā)各類安全意外。所以，設(shè)計(jì)相關(guān)人員在對(duì)壓力容器實(shí)施設(shè)計(jì)期間，應(yīng)更為細(xì)致及認(rèn)真。

2 設(shè)計(jì)方面的準(zhǔn)則

（1）設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)應(yīng)制訂出健全的質(zhì)量保證體制，以凸顯出更為良好的引導(dǎo)性及操作性，并貫徹至相應(yīng)的設(shè)計(jì)中；（2）在對(duì)壓力容器實(shí)施設(shè)計(jì)期間，應(yīng)與工藝生產(chǎn)所給予的規(guī)定相符，其各類參數(shù)也應(yīng)達(dá)標(biāo)，僅有如此，才可以保障這類產(chǎn)品在進(jìn)行運(yùn)用期間具有相應(yīng)的承壓能力；（3）在化工領(lǐng)域中，因?yàn)槠溥\(yùn)用的原材料較易引發(fā)腐蝕，且毒性較高，如此，就會(huì)引發(fā)十分不利的后果。所以，壓力容器在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)期間，應(yīng)更為安全且順暢；（4）在運(yùn)用壓力容器期間，應(yīng)保障其運(yùn)用年限，因?yàn)榛ゎ愒牧纤哂械母g性較強(qiáng)，所以，設(shè)計(jì)相關(guān)人員應(yīng)顧慮到運(yùn)用哪一方法來(lái)保障壓力容器本身的運(yùn)用年限，從而減少生產(chǎn)所需的成本；（5）壓力容器要具有制作更為簡(jiǎn)易、操作更為方便等相關(guān)特征，如此，就規(guī)定了設(shè)計(jì)相關(guān)人員要保障壓力容器的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)易、且較易進(jìn)行制造；另外，壓力容器還應(yīng)與各類特殊需要相符，比如，容器頂蓋要能夠隨意進(jìn)行拆解，以方便相關(guān)人員進(jìn)行運(yùn)用。

3 應(yīng)力的各種分類

應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是把壓力容器中所具有的所有應(yīng)力依據(jù)應(yīng)力本身的性質(zhì)及對(duì)失效模式所起的作用加以分類。各類應(yīng)力對(duì)容器安全性的影響程度不同分別規(guī)定不同的安全系數(shù)。應(yīng)力分類如下：

3.1 一次應(yīng)力

因?yàn)橥獠枯d荷所產(chǎn)生的作用，在容器元件中得到的正應(yīng)力或是剪應(yīng)力?；蚱胶馔獠繖C(jī)械載荷所必需的應(yīng)力[1]。其特點(diǎn)有兩個(gè)：一是滿足靜力平衡條件，即載荷增加，應(yīng)力相應(yīng)增加，應(yīng)變也增加；二是非自線性，應(yīng)力順壁厚平均地進(jìn)行分布。同時(shí)，一次應(yīng)力主要就包括了如下幾大類：

其一，一次總體薄膜應(yīng)力：指的就是對(duì)總體結(jié)構(gòu)都會(huì)帶來(lái)影響的薄膜應(yīng)力之一，比如，在各類應(yīng)力中，因?yàn)槠胶鈮毫蚴欠植驾d荷而引發(fā)的薄膜應(yīng)力。

其二，一次局部薄膜應(yīng)力：對(duì)于這一應(yīng)力而言，其水平多于一次總體薄膜應(yīng)力，不過(guò)，其僅會(huì)對(duì)部分區(qū)域結(jié)構(gòu)中所具有的一次薄膜應(yīng)力帶來(lái)影響。比如，處于殼體色固定支座或是接管位置，因?yàn)橥獠枯d荷與力矩而引發(fā)的薄膜應(yīng)力。

其三，一次彎曲應(yīng)力：這一應(yīng)力就是平衡壓力或是其余機(jī)械載荷需要的順截面厚度朝向體現(xiàn)為線性分布的一種彎曲應(yīng)力。比如，在平蓋中，因?yàn)閴毫Χl(fā)的彎曲應(yīng)力。

3.2 二次應(yīng)力

因?yàn)樵谌萜髦校黝愒哂屑s束或是其鄰近元件均具有約束，進(jìn)而得到了正應(yīng)力或是剪應(yīng)力?；蚴桥c變形、協(xié)調(diào)規(guī)定所需運(yùn)用的應(yīng)力相符。其特征主要就包括了：其一，與變形、協(xié)調(diào)所給予的規(guī)定相符；其二，具有一定程度的自限性，即為在局部產(chǎn)生屈服與較少的塑性、變形后，就能夠與約束條件或是變形條件相符，進(jìn)而防范變形不會(huì)持續(xù)提升，只要不重復(fù)進(jìn)行加載，結(jié)構(gòu)處于“安定”狀態(tài)，不會(huì)導(dǎo)致破壞，所以，二次應(yīng)力的許用值應(yīng)根據(jù)“安定性”的概念予以限制，如熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力。

3.3 峰值應(yīng)力

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不夠持續(xù)，而加至一次應(yīng)力與二次應(yīng)力中的總應(yīng)力增量。其特征為：一般同時(shí)有自限性和局部性，整體不變形，但往往是引起疲勞和脆性斷裂的根源。在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)峰值應(yīng)力進(jìn)行制約。

4 兩類設(shè)計(jì)所具有的優(yōu)點(diǎn)及缺陷

因?yàn)槌Ｒ?guī)的設(shè)計(jì)方式十分簡(jiǎn)易，且運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)十分充足，所以，許多國(guó)家依舊運(yùn)用這一方式對(duì)壓力容器實(shí)施設(shè)計(jì)[2]。但是，這類常規(guī)的設(shè)計(jì)方式也具有相應(yīng)的缺陷，即為并未區(qū)別薄膜應(yīng)力與其余應(yīng)力對(duì)于容器強(qiáng)度會(huì)帶來(lái)哪些方面的影響，在其中的部分應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了原材料所具有的屈服極限后，在容器的大多區(qū)域中，其應(yīng)力依舊小于這一數(shù)值，并處于彈性狀態(tài)之下。因此，在這時(shí)，容器不會(huì)進(jìn)至屈服，即使部分區(qū)域已變成了屈服，因?yàn)闀?huì)被周邊的各彈性區(qū)所制約，其變形量無(wú)法得到整長(zhǎng)，應(yīng)力的增多也會(huì)被阻礙，所以，無(wú)法使得整個(gè)容器產(chǎn)生失效。另外，對(duì)于比較苛刻的操作工況，常規(guī)設(shè)計(jì)便存在很大的局限性。

應(yīng)力分析設(shè)計(jì)運(yùn)用將安定載荷、極限載荷壽命等當(dāng)作界限的一種塑性失效準(zhǔn)則，其準(zhǔn)許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可以被控制的部分塑性區(qū)，還準(zhǔn)許對(duì)峰值應(yīng)力位置實(shí)施有限的壽命設(shè)計(jì)，在運(yùn)用這一準(zhǔn)則后，能夠更為良好地處理常規(guī)設(shè)計(jì)中所具有的缺陷，科學(xué)地減少對(duì)于計(jì)算應(yīng)力所給予的過(guò)嚴(yán)限制，因?yàn)閼?yīng)力分析設(shè)計(jì)運(yùn)用了塑性失效準(zhǔn)則，所以，其安全系數(shù)有所下降，許用應(yīng)力逐步提升。但是，鑒于應(yīng)力分析設(shè)計(jì)所具有的特征，對(duì)于容器的選材、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收都提出更加嚴(yán)格的要求。分析設(shè)計(jì)雖然科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，但卻需要進(jìn)行大量復(fù)雜的分析計(jì)算，增加了設(shè)計(jì)所需的花費(fèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，壓力容器能夠促進(jìn)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平最大限度地得到進(jìn)步與提升，所以，設(shè)計(jì)相關(guān)人員在對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，就應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)參照設(shè)計(jì)規(guī)定與國(guó)家所公布的各類法律、規(guī)定等，保障壓力容器能夠具有更為良好的安全性與可靠性，并通過(guò)持續(xù)地提升設(shè)計(jì)相關(guān)人員自身的各項(xiàng)專業(yè)技能，保障壓力容器能夠安全且穩(wěn)定地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳孫藝.壓力容器有限元分析建模中值得關(guān)注的幾個(gè)工程因素[J].壓力容器，2015（05）：50-58.

[2]華凱旋，余小魯，王柯智.大型壓力容器厚壁封頭成形工藝及質(zhì)量控制研究現(xiàn)狀分析[J].鍛壓技術(shù)，2015（02）：8-14.