應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探

尚英軍 王超悌 胡洋

摘要：隨著壓力容器的廣泛應(yīng)用，其設(shè)計(jì)工作的重要性也顯著提高。基于此，本文主要從一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力三方面入手，細(xì)化分析應(yīng)力分類概念，并從橢圓封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)中封頭厚度設(shè)計(jì)方面、殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方面入手，深入分析應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用，以期提高壓力容器設(shè)計(jì)的規(guī)范性水平，改善壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量，為壓力容器的廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力分類概念；壓力容器；一次局部薄膜應(yīng)力

前言：應(yīng)力分類設(shè)計(jì)是指在假定理想彈塑性材料的基礎(chǔ)上，精確區(qū)分應(yīng)力位置及載荷性質(zhì)，并根據(jù)區(qū)分結(jié)果對壓力容器進(jìn)行彈性分析，運(yùn)用不同強(qiáng)度條件限制不同應(yīng)力，最終得出符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器設(shè)計(jì)方案。就壓力容器設(shè)計(jì)工作而言，應(yīng)力分類概念的應(yīng)用，可有效提高容器設(shè)計(jì)效率。因此，分析應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

一、 應(yīng)力分類

（一）一次應(yīng)力

一次應(yīng)力主要包含一次局部薄膜應(yīng)力、一次總體薄膜應(yīng)力及一次彎曲應(yīng)力3種類型。其中，后2種應(yīng)力主要與實(shí)現(xiàn)外載荷平衡有關(guān)。這種應(yīng)力是壓力容器的常見應(yīng)力。

（二）二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指，因結(jié)構(gòu)、溫度載荷的材料不連續(xù)或總體幾何不連續(xù)而產(chǎn)生的一種特殊應(yīng)力類型。與其他應(yīng)力相比，二次應(yīng)力主要具有以下幾種特征：第一，自限性特征。這種特征是指：當(dāng)二次應(yīng)力參數(shù)達(dá)到屈服限值時(shí)，導(dǎo)致局部發(fā)生流動(dòng)、變形協(xié)調(diào)后，變化位置局部的應(yīng)力值將不再繼續(xù)增加；第二，局部性。這種特性是指：二次應(yīng)力多因結(jié)構(gòu)不連續(xù)處需達(dá)到變形協(xié)調(diào)而出現(xiàn)。

（三）峰值應(yīng)力

這種應(yīng)力是因局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為實(shí)現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)、穩(wěn)定而產(chǎn)生的一種應(yīng)力類型。通常情況下，峰值應(yīng)力不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性破壞及變形，但當(dāng)峰值應(yīng)力反復(fù)加載于某結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生疲勞破壞。

二、應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

這里主要從以下幾方面入手，對應(yīng)力分類概念在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析和研究：

（一）橢圓封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)中封頭厚度設(shè)計(jì)方面

通過對壓力容器設(shè)計(jì)GB150-1998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程的分析可知，規(guī)程中對橢圓封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)中封頭厚度設(shè)計(jì)規(guī)定了兩種不同的計(jì)算方法（以80%封頭內(nèi)徑范圍為界）。這種規(guī)定方法的原因在于：當(dāng)開孔超出封頭中心80%封頭內(nèi)直徑范圍后，邊緣彎曲應(yīng)力會對橢圓封頭產(chǎn)生影響作用。

為了細(xì)化分析橢圓封頭開孔補(bǔ)強(qiáng)中封頭厚度的設(shè)計(jì)方法，參照GB150-1998標(biāo)準(zhǔn)，分別將橢圓封頭的基本計(jì)算數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為：材料選用16MnR，壓力：3.3MPa；內(nèi)表面高度：300mm；內(nèi)直徑：1200mm；橢圓封頭及筒體厚度均為：12mm，筒體長度參數(shù)：2000mm。運(yùn)用有限元分析方法對上述參數(shù)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算驗(yàn)證后，結(jié)果顯示：橢圓封頭的一次薄膜應(yīng)力參數(shù)為177MPa（接近16MnR材料在計(jì)算溫度下的許用應(yīng)力參數(shù)）。因此可確認(rèn)GB150標(biāo)準(zhǔn)符合實(shí)踐壓力容器設(shè)計(jì)要求。

（二）殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方面

殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的難度主要在于，殼體開孔接管區(qū)域的應(yīng)力類型難以確定。結(jié)合以往實(shí)踐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，峰值應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力（一次應(yīng)力）是主流觀點(diǎn)公認(rèn)的應(yīng)力類型。為了進(jìn)一步確定殼體、接管連接區(qū)域的應(yīng)力類型，可以運(yùn)用ASME VIII-2等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程中的規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)證。ASME VIII-2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，殼體、接管連接區(qū)域?qū)倏傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)。此外，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，當(dāng)壓力容器的內(nèi)壓力參數(shù)增長到一定范圍時(shí)，殼體、接管連接區(qū)域會產(chǎn)生塑性變形，即壓力容器設(shè)計(jì)不合理。根據(jù)上述分析，可確認(rèn)二者連接處的應(yīng)力類型屬于一次局部薄膜應(yīng)力[1]。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以選用有限元分析法完成局部薄膜應(yīng)力及壓力容器許用應(yīng)力強(qiáng)度的匹配設(shè)計(jì)。例如，以φ200X20（內(nèi)徑、壁厚）殼體壓力容器設(shè)計(jì)為例，當(dāng)該容器接管壁厚參數(shù)及接管外徑參數(shù)分別為12mm、φ379時(shí)，有限元分析結(jié)果顯示，其一次局部薄膜應(yīng)力參數(shù)為257MPa，許用應(yīng)力強(qiáng)度為282MPa水平，這一參數(shù)匹配方式符合壓力容器設(shè)計(jì)要求；當(dāng)接管壁厚參數(shù)及外徑參數(shù)分別為11mm、φ377時(shí)，其一次局部薄膜應(yīng)力參數(shù)增長至291MPa時(shí)，其許用應(yīng)力強(qiáng)度雖未發(fā)生變化，參數(shù)匹配方式卻不合格；當(dāng)接管壁厚參數(shù)及外徑參數(shù)分別為12mm、φ424時(shí)，其一次局部薄膜應(yīng)力達(dá)到307MPa，許用應(yīng)力強(qiáng)度仍保持282MPa不變，設(shè)計(jì)成果仍然不合格。因此，在運(yùn)用有限元分析法進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意殼體、接管區(qū)域的一次局部薄膜應(yīng)力不應(yīng)超過限值，以保障壓力容器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

除了有限元分析法外，等面積補(bǔ)強(qiáng)法也是壓力容器設(shè)計(jì)中的常用方法之一[2]。以壁厚為10mm，殼體內(nèi)徑參數(shù)為φ1000的壓力容器為例，當(dāng)該容器的接管壁厚為5mm、接管外徑為φ219時(shí)，運(yùn)用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行計(jì)算，理論需補(bǔ)強(qiáng)面積為1070mm2，而實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積參數(shù)則為1160mm2，設(shè)計(jì)合格；當(dāng)壓力容器的接管壁厚為5mm，接管外徑參數(shù)為φ259時(shí)，理論需補(bǔ)強(qiáng)面積與實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積分別為1275mm2、1357mm2，設(shè)計(jì)合格；當(dāng)壓力容器的接管壁厚為6mm，接管外徑1為φ412時(shí)，理論需補(bǔ)強(qiáng)面積、實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積參數(shù)分別為2048mm2、2149mm2，設(shè)計(jì)合格。但通過對大量等面積補(bǔ)強(qiáng)法壓力容器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的分析可知，這種設(shè)計(jì)方法在實(shí)踐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用仍然存在一定的限制[3]。例如，當(dāng)壓力容器開孔直徑與筒體直徑之比參數(shù)較大時(shí)，等面積補(bǔ)強(qiáng)法并不適用。對此，為了保障壓力容器設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)在遵循應(yīng)力分類概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓力容器設(shè)計(jì)條件及相關(guān)要求，選用適宜方法完成壓力容器設(shè)計(jì)。

結(jié)論：綜上所述，壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量會隨著計(jì)算方法的變化而產(chǎn)生變化。有限元分析法、等面積補(bǔ)強(qiáng)法作為壓力容器設(shè)計(jì)中的常用方法，其在應(yīng)用條件方面均具有一定的要求。為了避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合格問題，應(yīng)結(jié)合壓力容器結(jié)構(gòu)的載荷類型、幾何形狀等信息，綜合選用適宜的計(jì)算方法，以此規(guī)范開展壓力容器，促使壓力容器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量、安全性及經(jīng)濟(jì)性的平衡。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃勛. 壓力容器應(yīng)力分類分析設(shè)計(jì)方法改進(jìn)研究[D].浙江理工大學(xué)，2017.

[2]萬興.壓力容器分析設(shè)計(jì)的安定性載荷計(jì)算方法[J].化工設(shè)備與管道，2015，52（03）：28-32.