鋼制壓力容器設計與其管道應力的比較研究

摘 要：現如今，很多工藝裝置積極朝著大型化方向進軍，壓力容器與其管道壓力、溫度水平逐漸提升，內徑與壁厚相應增加。分析壓力容器設計與其管道應力情況，是工業領域中的重大課題之一。文章首選闡述了鋼制壓力容器的設計概況，其次分析比較了壓力容器設計與其管道應力，最后對容器與管道應力類別作出劃分。

關鍵詞：鋼制壓力容器;壓力管道;應力;對比分析

很多人員在實踐中，對鋼制壓力容器設計、鋼制管道應力兩者持有較強的好奇心，兩者的確具有一定相似之處，其中部分是可以等同的，但是其間所存在的差異性也不應該被忽視，應拓展對其研究的深度，進而能更全面掌握其內、外部多方面存在的異同。鑒于此，本文作出如下分析內容。

一、鋼制壓力容器分析設計

和傳統設計作比較，鋼制壓力容器分析設計更具特色，將周密化的應力分析報告設為設計實踐憑據，材料選擇與工藝質量監測是基礎保障，并且還聯合了現代分析計算工具及實驗技術。分析設計快速、有效發展目標的實現，需要積極與數值分析法、板殼理論等相整合。壓力容器行業歷經數年實踐，對容器失效本質有更深入的認識，將此設為基礎，能更有效的處理性質存在區別的應力，并在降低安全系數方面也能提供一定參考[1]。鋼制壓力容器分析設計進程中，可能會與多種失效模式之間建設相關性。通過全面分析各要素的形式，針對其應力強度提出更科學的約束條件，這在很大程度上能規避失效模式。

二、對比壓力容器設計與其管道應力分析

在科學及時日新月異的大背景下，大型化逐漸演變成全球工業發展的主流方向，實質上就是踐行大規模、高壓、高溫的路線。將應力分析法用于大型化壓力容器中體現出良好效能，有益于提升相關企業的經濟效益。例如，一個加氫反應器單體對應的重量為1000 t，若能使用分析法進行設計，則和常規方法設計情況相比較，減重率能達到20.0%，能明顯減少資金數額的投入量，投入成本大概在1 000～1200萬元區間內取值。

最近幾年中，應力分析法在壓力容器及其管道內的應用范疇持續拓展，使用頻次也有增加。現階段，我國相關部門針對壓力容器擬定了相關標準，但壓力管道方面尚未形成相關規范，這在無形中對管道應力分析工作的開展形成一定約束，僅能分析局部應力，但是實現對管道應力的整體分析是有很大必要性的。在分析管道應力過程中，可以從如下兩個方面著手[2]：

（1） 靜力分析：其主要涵蓋三個部分：①計算管道一次應力，這是以壓力、重力等載荷作用為基礎而達成的，這在很大程度上能減少或規避塑性變形的情況;②在熱脹冷縮和端點附加位移載荷的雙重作用下，實現對二次應力對應指標的較精確計算，其有益于規避疲勞破壞的情況;③計算管道對機器與設備作用力，其在機器常態運轉目標的實現方面發揮重要的保障性作用。

（2）動力分析：同樣包括三個部分，①分析往復壓縮機管

道氣柱的固定頻率，其有益于降低氣柱共振情況的發生率;②分析往復壓縮機管道壓力脈動，這是有效調控壓力脈動指標的有效方法之一;③分析管道固有頻率，其有助于降低管道系統共振現象發生的風險。

三、鋼制壓力容器及其管道應力類型的規劃

在鋼制壓力容器分析設計與壓力管道應力分析進程中，采用的方法依次是厚壁與薄壁模型，薄壁假定不同應力順沿管壁均勻分布，而沒有給予彎曲應力指標一定重視，過往常規方法設計壓力容器時也是以該種假設為支撐進行的;厚壁假定不同應力伴隨容器壁厚度的改變會作出相應變化，存有彎曲應力。故而，若能采用厚壁假設去分析應力，則過程更具嚴謹性，還有益于提升分析結果的精確度。依照結合IASME B 31. 3中作出的相關規定[3]，若檢測到管道的公稱壓力>42MPa，薄壁模型已不具有適用性，建議應用高壓管道對應的分析校核準則。

因為不同應力對損傷破壞形成的影響存在一定差異，故而促進了應力分類校核方法的產出過程，鋼制壓力容器分析設計及壓力管道應力分析過程中，均嚴格秉持等安全裕度的規則進行。在壓力容器分析設計進程中，針對各種應力作出的定義有如下：

（1）一次應力：是平衡壓力與自體機械載荷，一次應力又可以被細化為一次整體應力（Pm）及局部薄膜應力（Pi）、一次彎曲應力（Pb）;

（2）二次應力（Q）：為迎合外界管束條件或結構自體性狀連續改變的需求，即所必需的

法向應力或剪應力。邊緣及溫度對應的應力等是二次應力的主要類型;

（3）峰值應力（F）：因為局部結構連貫性欠缺或在局部熱應力作用下而形成的附加于一與二次應力上的應力增加量。

在壓力容器分析設計進程中，可以將應力細化為如下五種類型：Pm、Pi、Pb、Q、F。在分析管道應力過程中，也有部分研究人員將其細化為一次應力、二次應力兩類，其對應的概念和壓力容器分析設計內的定義大體一致，但是沒有細分，是Pm、Pi、Pb，缺少F對應的概念。對其成因進行分析，可能是在壓力管道應力分析中使用了薄壁假設的緣故。

四、結束語

從理論層面上分析，和壓力管道應力分析標準做比較，壓力容器分析設計更具周密性，兩者側重點存在一定差異，前者重點是分析整個管系應力與柔性，后者分析重點集中在局部。壓力增大系數方法在以上分析領域中體現出良好的實用價值，體現出操作過程簡易、切合實況及運作效率高等優勢，不僅能保證裝置運行過程的安全性，還能將其應有的經濟效益發揮出來，這也是進一步優化設計質量的關鍵環節。

參考文獻：

[1]張孌.壓力容器設計階段風險評估存在的問題和建議[J].石油和化工設備，2019，22（07）：35-38.

[2]張偉娜.立式液壓端蓋自動啟閉壓力容器設計[J].現代制造技術與裝備，2019，14（04）：58-59.

[3]張東輝，吳肖涌，汪鈺，等.淺談空氣純化器的設計制造及相關標準[J].中國特種設備安全，2018，34（09）：85-89.

作者簡介：

白都都（1987-），性別：男，籍貫：河南省洛陽市人，民族：漢，職稱：助理工程師，學歷：本科研究方向：機械設計、鋼制壓力容器分析、設計、制造。