壓力容器應力分析

鄒剛

【摘 要】隨著工業(yè)化社會的不斷發(fā)展，人類在生活和生產中對于產品的質量、結構安全也提出了新的要求。壓力容器作為目前社會發(fā)展中應用最多的容器之一，其應力分析和結構整體性也越來越受到人們的關注。本文就壓力容器基本概念、用途和設計要點入手進行了分析，簡要探討了其回轉曲面與回轉殼體之間存在的關系，以供相關工作人員參考。

【關鍵詞】壓力容器；應力分析；回轉曲面

隨著國民經(jīng)濟、科學化技術和貿易交流的不斷加強，壓力容器的設計、制造以及使用管理策略也日漸趨于成熟。近幾年來，先進的科學技術、管理概論的出現(xiàn)促使了壓力容器在設計中呈現(xiàn)出飛速發(fā)展態(tài)勢，其應力分析策略也日漸成熟。壓力容器作為一項設計專業(yè)多、學科復雜的綜合性產品結構，其在應用中通過對先進技術、管理策略應用在目前的工作之中，為工作的順利持續(xù)進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到設計先進、結構合理、易于制造、使用可靠和造價經(jīng)濟等目的，各國都根據(jù)本國具體情況制定了有關壓力容器的標準、規(guī)范和技術條件，對壓力容器的設計、制造、檢驗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備。貯運容器、反應容器、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、能源工業(yè)、科研和軍工等國民經(jīng)濟的各個部門都起著重要作用的設備。壓力容器一般由筒體、封頭、法蘭、密封元件、開孔和接管、支座等六大部分構成容器本體。此外，還配有安全裝置、表計及完全不同生產工藝作用的內件。壓力容器由于密封、承壓及介質等原因，容易發(fā)生爆炸、燃燒起火而危及人員、設備和財產的安全及污染環(huán)境的事故。世界各國均將其列為重要的監(jiān)檢產品，由國家指定的專門機構，按照國家規(guī)定的法規(guī)和標準實施監(jiān)督檢查和技術檢驗。

1.3設計

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

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

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

2.壓力容器應力分析

2.1邊緣效應

以邊緣效應為例說明，在目前壓力容器設計工作中，不同類型的應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發(fā)展中，隨著壓力容器應用的不斷增多，不同應力造成的容器功能影響也不斷增加，局部應力的影響下甚至會造成容器在使用的時候出現(xiàn)變形以及結構連續(xù)不合理等現(xiàn)象。

2.2應力分類原則

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計發(fā)生了一次本質的變革與轉折，是從傳統(tǒng)的按照規(guī)則設計為主的設計模式逐漸形成了以詳細的應力分析為基礎的評定設計標準和設計方式，這種設計方法的應用是一種更高層次的設計階段和設計流程。在容器應力分析工作中，分析的方法通常都是將壓力容器中存在的各種應力加以分類和總結，分清楚其中的主次關系，根據(jù)各種應力的影響來設計出相關的應力標準和質量體系，以保證容器設計工作的安全性、經(jīng)濟性。截至當前，容器應力分析中，其按照不同的性質可以分為一次應力、二次應力和峰值應力三種。

2.3應力分類的標準

實際上，我國現(xiàn)行的壓力容器應用標準還存在著一定的不足，諸多部分的內容已經(jīng)直接應用在分類之中，但是其限制與影響較為嚴重。在目前的設計工作中，由于應力的限制使得容器本身的體積、形狀經(jīng)常會發(fā)生一定的變形，必要的時候還會影響到應力結構的使用壽命。因此在目前的工作中，我們需要以實際情況加以總結和分析，使得工作中的各項要素都能夠滿足預計需要，避免了壓力容器在應用中存在的不足。

3.壓力容器回轉曲面與回轉殼體之間的關系

截至目前，壓力容器在社會發(fā)展中的應用越來越廣泛，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，同時在人類日常生活中也較為常見。而回轉曲面與回轉殼作為壓力容器的重要組成部分，對其進行總結和研究也越來越重要，成為現(xiàn)代化社會發(fā)展中深受人們的重視和關注的環(huán)節(jié)。壓力容器作為一項設計專業(yè)多、學科復雜的綜合性產品結構，其在應用中通過對先進技術、管理策略應用在目前的工作之中，為工作的順利持續(xù)進行提供了合理的保證依據(jù)。

3.1回轉曲面

回轉曲面是動力學中的一種，也是機械制造工作中最為常見的一個環(huán)節(jié)。其在設計的過程中主要的工作在于確定回轉半徑的準確、科學，而回轉半徑又被人們統(tǒng)稱為慣性半徑，是物體在運轉的社會對于慣性的度量和轉動慣性量的一個集合體。回轉曲面通常都是由回轉半徑與客體表面形成了一個綜合性的運作體系。這種運作模式的存在一方面從慣性運動中推力形成，另外也是將工作中的截面應力合理處置。

3.2回轉殼體

所謂的回轉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，這種殼體結構在目前的壓力容器中應用十分的廣泛，也是壓力容器外殼設計工作的核心環(huán)節(jié)。其在應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)構成的。其中母線是形成殼體的原始直線或者曲線，也是整個殼體應用中最為關鍵的組成成分。

3.3兩者之間的應力關系

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

4.結束語

綜上所述，截至目前的壓力容器設計中，壓力容器回轉面與回轉殼體之間的應力設計方法得到了有效的完善與改進，同時隨著計算機的發(fā)展其設計精確度更高、設計標準更為精確。因此，在工作中合理的分析兩者之間的應力關系，設計出科學合理的容器對于整個社會發(fā)展有著極為關鍵的意義。

【參考文獻】

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

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