鋼制壓力容器分析設計及管道應力研究

張微

摘? 要：隨著我國科學技術以及社會經濟綜合水平的迅速發展，各類型工藝裝置不斷朝著大型化以及功能多樣化的方向發展。以鋼制壓力容器以及鋼制壓力管道為例，本文從應力分類、應力校核條件等方面對鋼制壓力容器的分析設計以及管道應力分別進行簡單的研究分析以及比較。

關鍵詞：鋼制壓力容器;壓力管道;應力校核;應力分析

為了保證鋼制壓力容器以及鋼制壓力管道能夠很好地滿足各類不同的需求，其相關的分析設計則至關重要。分析過程中發現，鋼制壓力容器的分析設計以及鋼制壓力管道的應力分析在某些方面存在著一定的相似性，而有些方面則具有差異性。在本文中，我們便對其進行簡單的研究分析，從而對其存在的相似性以及差異性進行了解。

一、鋼制壓力容器分析設計以及管道應力分析的比較

科學技術水平的不斷提高使得工藝裝置逐漸朝著大型化的方向發展，以鋼制壓力容器為例，大型化的鋼制壓力容器與普通鋼制壓力容器的設計并不相同。大型化的鋼制壓力容器設計需要重點依托詳細的應力分析報告，同時，需要借助相關的分析工具以及采用科學有效的實驗技術來切實保證應力分析的可行性。以加氫反應器為例，其單體重量高達一千多噸，基于應力分析設計法的設計可比普通設計方法減輕設備重量大約百分之二十，從而可以有效節省1000～1200萬的成本投資。基于此，應力分析設計方法在鋼制壓力容器以及壓力管道的應用過程中所涉及的范圍越來越廣泛。只是當前環境下，針對壓力容器具有相應的標準，而壓力管道則暫時還沒有相應的標準。但是壓力管道的應力分析在應用過程中具有重要的意義，管道應力分析過程中必須對整個管系進行應力的分析以及判定，從而可以決定相關設計的可行性高低以及是否具備優化升級的可能。

應力分析根據應力性質可以簡單分為動力分析以及靜力分析，其中動力分析主要包括管道的固有頻率分析、沖擊載荷作用下管道的應力分析、往復壓縮機（泵）管道氣（液）柱的固有頻率分析以及管道壓力脈動分析等，不同類型的動力分析具有不同的作用，例如管道固有頻率分析可以有效防止管道系統發生共振現象，而沖擊載荷作用下管道的應力分析則主要可以在一定程度上最大限度避免管道振動以及應力過大等情況的出現。除此之外，往復壓縮機（泵）管道的壓力脈動分析還可以在一定程度上控制壓力脈動值。

二、鋼制壓力容器以及管道應力分類

鋼制壓力容器分析設計采用了厚壁模型，而壓力管道應力分析則采用了薄壁模型。不同的模型內應力具有不同的特點，厚壁模型中應力沿壁厚可以變化，其存在彎曲應力。與厚壁模型不同，薄壁模型中應力均勻分布，且其忽略了彎曲應力。基于厚壁模型以及薄壁模型中應力的特點，在進行應力分析過程中應該采用厚壁模型，厚壁模型下的應力分析較薄壁模型而言精確度更高。但無論是鋼制壓力容器分析設計還是管道應力分析，皆需要遵循安全裕度原則。在鋼制壓力容器分析設計中，應力有著不同的分類，不同的應力具有不同的定義。

三、鋼制壓力容器以及管道應力校核條件的比較

在本節中，將分別對鋼制壓力容器以及鋼制壓力管道應力的校核條件進行分析比較。

首先我們對鋼制壓力容器的校核條件進行說明，其可以細分為五類，第一類為一次局部薄膜應力PL，PL≤1.5[σ];第二類為一次總體薄膜應力PM，PM≤1.5[σ];第三類為一次局部薄膜應力PL或者一次總體薄膜應力PM與一次彎曲應力Pb相加所得之和不大于1.5[σ]，用公式表達為PL（PM）+Pb≤1.5[σ];第四類為一次局部薄膜應力PL或者一次總體薄膜應力PM與一次彎曲應力Pb以及二次應力Q相加所得之和不大于3[σ]，用公式表達為PL（PM）+Pb+Q≤3[σ];第五類校核則為一次局部薄膜應力PL或者一次總體薄膜應力PM與一次彎曲應力Pb、二次應力Q以及峰值應力F相加所得之和不大于2S，用公式表達即為（PM）+Pb+Q+F≤2S。

在上述五類鋼制壓力容器的校核條件中，主要涉及到的參數有[σ]以及S，其中[σ]為許用應力，S為許用應力幅值，理論上二者皆可以通過疲勞曲線的設計來獲得，但在實際計算過程中，往往需要考慮不同載荷作用下的影響以及壓力試驗的具體情況。以上五類鋼制壓力容器的校核條件的適用條件各不相同，由于一次總體薄膜應力具有無自限性的特點，因此其具有非常高的危險性，所以第一類校核條件相對最為嚴格;而在第二類校核條件下的一次局部薄膜應力由于其自身具有的衰減性以及自限性而使得其相應的控制條件可以根據實際情況適當放寬;另外，由于第三類鋼制壓力容器的校核條件主要是根據矩形截面純彎梁的極限分析結果合理分析延伸而來，因此在充分考慮屈服作用下其應力可以再進行重新分布的情況下，其控制條件同樣可以根據實際情況適當放寬;第四類校核條件主要基于結構整體的穩定性來獲得，通常情況下，在循環次數較低時，只要保持結構整體的穩定性，便可以在一定程度上降低甚至避免疲勞破壞造成的影響;最后，第五類鋼制壓力容器的校核條件主要用于需要對疲勞破壞進行詳細分析的場合。

另外，與鋼制壓力容器分析設計相比，鋼制壓力管道的應力校核條件具有以下四個特點。鋼制壓力管道應力校核條件的第一個特點主要體現為一次應力校核條件只負責校核鋼制壓力管道縱向產生的組合應力，一次應力不需要遵循其他應力所需要遵循的強度理論，而二次應力校核條件在實際分析過程中則采用最大剪應力理論;在對鋼制壓力管道進行應力分析時，并不需要對一次彎曲應力以及一次局部薄膜應力進行計算，故鋼制壓力管道的一次應力便為一次總體薄膜應力;二次應力中，由于鋼制壓力管道二次應力的應力校核條件重點依據于穩定性條件，當其理論基礎與鋼制壓力容器中應力校核條件相對吻合時，可以有效避免低周疲勞破壞的產生;除了上述三個特點外，鋼制壓力管道應力校核條件的最后一個特點體現為由于鋼制壓力管道二次應力校核條件中涉及到應力范圍減少系數，此時如果循環次數較高，則許用應力變化范圍受限，從而可以有效避免高周疲勞破壞的產生。

基于以上所述的分析比較，鋼制壓力容器分析設計與壓力管道應力分析各自具有不同的特點，但是在實際應用過程中鋼制壓力管道的使用性質與鋼制壓力容器的原理性質基本相似。

總之，鋼制壓力容器分析設計較鋼制壓力管道應力分析標準而言更為嚴密，其側重點并不相同，鋼制壓力容器與鋼制壓力軌道二者相互配合使用，可以在一定程度上最大限度保證安全生產服務，從而保證滿足實現預期的經濟效益。

參考文獻：

[1]張平.鋼制壓力容器靜強度可靠性設計研究[J].化工設計通訊，2017，43（12）：107-108.

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