壓力容器應(yīng)力分析

鄒剛

【摘 要】隨著工業(yè)化社會(huì)的不斷發(fā)展，人類在生活和生產(chǎn)中對于產(chǎn)品的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全也提出了新的要求。壓力容器作為目前社會(huì)發(fā)展中應(yīng)用最多的容器之一，其應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)整體性也越來越受到人們的關(guān)注。本文就壓力容器基本概念、用途和設(shè)計(jì)要點(diǎn)入手進(jìn)行了分析，簡要探討了其回轉(zhuǎn)曲面與回轉(zhuǎn)殼體之間存在的關(guān)系，以供相關(guān)工作人員參考。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；應(yīng)力分析；回轉(zhuǎn)曲面

隨著國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)化技術(shù)和貿(mào)易交流的不斷加強(qiáng)，壓力容器的設(shè)計(jì)、制造以及使用管理策略也日漸趨于成熟。近幾年來，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)、管理概論的出現(xiàn)促使了壓力容器在設(shè)計(jì)中呈現(xiàn)出飛速發(fā)展態(tài)勢，其應(yīng)力分析策略也日漸成熟。壓力容器作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)專業(yè)多、學(xué)科復(fù)雜的綜合性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其在應(yīng)用中通過對先進(jìn)技術(shù)、管理策略應(yīng)用在目前的工作之中，為工作的順利持續(xù)進(jìn)行提供了合理的保證依據(jù)。

1.壓力容器概述

為了使壓力容器在確保安全的前提下達(dá)到設(shè)計(jì)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、易于制造、使用可靠和造價(jià)經(jīng)濟(jì)等目的，各國都根據(jù)本國具體情況制定了有關(guān)壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)條件，對壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和使用等提出具體和必須遵守的規(guī)定[1]。

1.1概念

所謂的壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備。貯運(yùn)容器、反應(yīng)容器、換熱器和分離器均屬壓力容器。

1.2用途

壓力容器的用途十分廣泛。它在石油化工學(xué)、能源工業(yè)、科研和軍工等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門都起著重要作用的設(shè)備。壓力容器一般由筒體、封頭、法蘭、密封元件、開孔和接管、支座等六大部分構(gòu)成容器本體。此外，還配有安全裝置、表計(jì)及完全不同生產(chǎn)工藝作用的內(nèi)件。壓力容器由于密封、承壓及介質(zhì)等原因，容易發(fā)生爆炸、燃燒起火而危及人員、設(shè)備和財(cái)產(chǎn)的安全及污染環(huán)境的事故。世界各國均將其列為重要的監(jiān)檢產(chǎn)品，由國家指定的專門機(jī)構(gòu)，按照國家規(guī)定的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督檢查和技術(shù)檢驗(yàn)。

1.3設(shè)計(jì)

壓力容器都是采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，它是從基本的薄膜應(yīng)力出發(fā)，同時(shí)將其他應(yīng)力對容器安全性的影響，包括在較大的安全系數(shù)之中，實(shí)際上，在壓力容器中，除了存在著介質(zhì)壓力引起的薄膜應(yīng)力外，還存在著由于邊界效應(yīng)（如開孔接管或其他曲率小連續(xù)部位）引起的局部應(yīng)力，以及由于熱脹冷縮變形受到限制而引起的溫差應(yīng)力等。

上述各類應(yīng)力的性質(zhì)及其對安全性的影響各不相同，但是，在以往的壓力容器設(shè)計(jì)中，由于對容器各部分的受力以及它們對容器強(qiáng)度的影響，缺乏全面、精確、深刻的了解，因而只能在設(shè)計(jì)中采用較高的安全系數(shù)，以保證壓力容器的運(yùn)行安全。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是由當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平?jīng)Q定的，在很長一段時(shí)間內(nèi)，這一設(shè)計(jì)方法對壓力容器設(shè)計(jì)起著積極的推動(dòng)作用。由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法簡單易行，具有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，各國依然采用它進(jìn)行一般壓力容器的設(shè)計(jì)，如美國的ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第一冊和日本標(biāo)準(zhǔn)J1SB8243等。我國壓力容器的國家標(biāo)準(zhǔn)GB150也是采用這一方法。但是，壓力容器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在著很大的局限性，其主要缺點(diǎn)是沒有區(qū)分薄膜應(yīng)力和其他應(yīng)力對容器強(qiáng)度的不同影響，片面地認(rèn)為不管是整體應(yīng)力還是局部應(yīng)力，只要達(dá)到材料的屈服極限.整個(gè)容器便失去正常的工作能力.亦即“失效”。實(shí)際上，當(dāng)局部應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，容器大部分區(qū)域的應(yīng)力尚低于這一數(shù)值，仍處于彈性狀態(tài)[2]。

2.壓力容器應(yīng)力分析

2.1邊緣效應(yīng)

以邊緣效應(yīng)為例說明，在目前壓力容器設(shè)計(jì)工作中，不同類型的應(yīng)力對于壓力容器造成的影響也不盡相同。尤其是在近年來的社會(huì)發(fā)展中，隨著壓力容器應(yīng)用的不斷增多，不同應(yīng)力造成的容器功能影響也不斷增加，局部應(yīng)力的影響下甚至?xí)斐扇萜髟谑褂玫臅r(shí)候出現(xiàn)變形以及結(jié)構(gòu)連續(xù)不合理等現(xiàn)象。

2.2應(yīng)力分類原則

以鍋爐壓力容器規(guī)則第三卷第一冊誕生為主，世界壓力容器的制造和設(shè)計(jì)發(fā)生了一次本質(zhì)的變革與轉(zhuǎn)折，是從傳統(tǒng)的按照規(guī)則設(shè)計(jì)為主的設(shè)計(jì)模式逐漸形成了以詳細(xì)的應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的評定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方式，這種設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用是一種更高層次的設(shè)計(jì)階段和設(shè)計(jì)流程。在容器應(yīng)力分析工作中，分析的方法通常都是將壓力容器中存在的各種應(yīng)力加以分類和總結(jié)，分清楚其中的主次關(guān)系，根據(jù)各種應(yīng)力的影響來設(shè)計(jì)出相關(guān)的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量體系，以保證容器設(shè)計(jì)工作的安全性、經(jīng)濟(jì)性。截至當(dāng)前，容器應(yīng)力分析中，其按照不同的性質(zhì)可以分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三種。

2.3應(yīng)力分類的標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)際上，我國現(xiàn)行的壓力容器應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)還存在著一定的不足，諸多部分的內(nèi)容已經(jīng)直接應(yīng)用在分類之中，但是其限制與影響較為嚴(yán)重。在目前的設(shè)計(jì)工作中，由于應(yīng)力的限制使得容器本身的體積、形狀經(jīng)常會(huì)發(fā)生一定的變形，必要的時(shí)候還會(huì)影響到應(yīng)力結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此在目前的工作中，我們需要以實(shí)際情況加以總結(jié)和分析，使得工作中的各項(xiàng)要素都能夠滿足預(yù)計(jì)需要，避免了壓力容器在應(yīng)用中存在的不足。

3.壓力容器回轉(zhuǎn)曲面與回轉(zhuǎn)殼體之間的關(guān)系

截至目前，壓力容器在社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用越來越廣泛，其不僅在石油化工業(yè)、科研、軍事等方面發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)在人類日常生活中也較為常見。而回轉(zhuǎn)曲面與回轉(zhuǎn)殼作為壓力容器的重要組成部分，對其進(jìn)行總結(jié)和研究也越來越重要，成為現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展中深受人們的重視和關(guān)注的環(huán)節(jié)。壓力容器作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)專業(yè)多、學(xué)科復(fù)雜的綜合性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其在應(yīng)用中通過對先進(jìn)技術(shù)、管理策略應(yīng)用在目前的工作之中，為工作的順利持續(xù)進(jìn)行提供了合理的保證依據(jù)。

3.1回轉(zhuǎn)曲面

回轉(zhuǎn)曲面是動(dòng)力學(xué)中的一種，也是機(jī)械制造工作中最為常見的一個(gè)環(huán)節(jié)。其在設(shè)計(jì)的過程中主要的工作在于確定回轉(zhuǎn)半徑的準(zhǔn)確、科學(xué)，而回轉(zhuǎn)半徑又被人們統(tǒng)稱為慣性半徑，是物體在運(yùn)轉(zhuǎn)的社會(huì)對于慣性的度量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量的一個(gè)集合體?；剞D(zhuǎn)曲面通常都是由回轉(zhuǎn)半徑與客體表面形成了一個(gè)綜合性的運(yùn)作體系。這種運(yùn)作模式的存在一方面從慣性運(yùn)動(dòng)中推力形成，另外也是將工作中的截面應(yīng)力合理處置。

3.2回轉(zhuǎn)殼體

所謂的回轉(zhuǎn)殼體主要指的是殼體中間面是由直線或者平面曲線相環(huán)繞一周而形成的一種曲面殼體，這種殼體結(jié)構(gòu)在目前的壓力容器中應(yīng)用十分的廣泛，也是壓力容器外殼設(shè)計(jì)工作的核心環(huán)節(jié)。其在應(yīng)用中通常都是由母線、經(jīng)線、中間面線、法線等諸多環(huán)節(jié)構(gòu)成的。其中母線是形成殼體的原始直線或者曲線，也是整個(gè)殼體應(yīng)用中最為關(guān)鍵的組成成分。

3.3兩者之間的應(yīng)力關(guān)系

容器的壁厚度與其最大截面之間的內(nèi)徑之比相差無幾，其容器兩之間的比值精確度要求極高。在容器的應(yīng)力設(shè)計(jì)和分析工作中，應(yīng)力強(qiáng)度是設(shè)計(jì)中首先需要解決的話題。由于在容器的設(shè)計(jì)工作中，回轉(zhuǎn)殼體之上除了存在應(yīng)有的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之外，還需要對于其中常見的彎曲應(yīng)力加以總結(jié)和分析，避免在設(shè)計(jì)工作中由于彎曲應(yīng)力過大而造成容器整體性出現(xiàn)變化。在實(shí)際工作中，理想的薄壁容器課題是不存在的，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)工作中及時(shí)殼壁再薄，殼壁之中還會(huì)多多少少的存在一些彎曲應(yīng)力，而這些彎曲應(yīng)力的存在使得其在理論上存在著一定的限制性要求，同時(shí)由于彎曲應(yīng)力較小而使得其工程計(jì)算量大、工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)復(fù)雜繁瑣。

4.結(jié)束語

綜上所述，截至目前的壓力容器設(shè)計(jì)中，壓力容器回轉(zhuǎn)面與回轉(zhuǎn)殼體之間的應(yīng)力設(shè)計(jì)方法得到了有效的完善與改進(jìn)，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展其設(shè)計(jì)精確度更高、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更為精確。因此，在工作中合理的分析兩者之間的應(yīng)力關(guān)系，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的容器對于整個(gè)社會(huì)發(fā)展有著極為關(guān)鍵的意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張宏.壓力容器的分析設(shè)計(jì)軟件[J].化工設(shè)備與管道，1998（06）.

[2]李建國.壓力容器分析設(shè)計(jì)的一些問題[J].化工設(shè)備與管道，2001（03）.