鋼制壓力容器分析設(shè)計及管道應(yīng)力分析研究

范連東

摘 要： 隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，鋼制壓力容器與管道等過程裝備的安全性與經(jīng)濟(jì)性越來越被人們所關(guān)注，鋼制壓力容器和管道應(yīng)力分析越來越被重視，兩者在理論基礎(chǔ)、應(yīng)力組成、校核條件以及分析目的等方面都存在一定的差異?；诖耍疚膹亩叩男袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)、理論基礎(chǔ)、應(yīng)力種類以及校核條件等方面進(jìn)行了對比分析，以期為鋼制壓力容器分析與設(shè)計和管道應(yīng)力分析提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞： 鋼制壓力容器；管道；應(yīng)力種類；校核標(biāo)準(zhǔn)；差異

1管道應(yīng)力分析與壓力容器設(shè)計設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與理論基礎(chǔ)

目前，國內(nèi)基于應(yīng)力的分析與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，在分析與設(shè)計的過程中可以借助ANSYS和VAS應(yīng)力分析軟件，較為方便。相對于壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)還沒有制定管道應(yīng)力分析與設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對管道應(yīng)力分析與設(shè)計仍是參考ASME B31中的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，分析與設(shè)計主要使用美國的CAESAE軟件，管道應(yīng)力分析與設(shè)計側(cè)重的不僅僅是局部應(yīng)力分析，而且還涉及到管道整個體系的應(yīng)力分析，所以在管道優(yōu)化設(shè)計的過程中應(yīng)用十分廣泛。對于壓力管道應(yīng)力分析，其目的在于保障壓力管道體系及附屬設(shè)備和附屬建筑結(jié)構(gòu)的安全；而對于壓力容器分析與設(shè)計，主要是科學(xué)合理的設(shè)計壓力容器以保障壓力容器的安全，并在此基礎(chǔ)上要注重節(jié)約設(shè)計和制造成本。壓力容器分析與設(shè)計和管道應(yīng)力分析二者采用的方法都為力學(xué)中最為常用的有限元分析法，因而二者在理論基礎(chǔ)以及實踐操作上都有很大的相似之處。

2鋼制壓力容器分析設(shè)計與管道應(yīng)力分析

鋼制壓力容器分析與設(shè)計以彈性應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，采用下限載荷理論的分析設(shè)計方法。根據(jù)材料力學(xué)中的極限載荷下限的定理可知任何靜力容許場所對應(yīng)的載荷都為極限載荷的下限，如果應(yīng)力的分布沿著厚度方向呈線性分布，那么就可以滿足應(yīng)力場分析方法的要求。為了不使應(yīng)力場中的任何一點超出材料屈服的極限，需要要求薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和小于材料屈服極限。對于不同的鋼制壓力容器，只要其應(yīng)力場分布滿足平衡屈服條件即可而不需要呈線性分布，在實際設(shè)計過程中需要滿足線性材料的模型，最小形變理論，Mises屈服準(zhǔn)則以及塑性流的相關(guān)理論，以下圖為例來具體說明鋼制壓力容器的分析設(shè)計過程：

首先以SCL相同的方式來對極限分析線進(jìn)行定義[ SCL：廣泛的安全檢查表法。]，并確定局部坐標(biāo)系下所分布的各應(yīng)力分量，其次分別計算作用在LAL上應(yīng)力分量的合力與合力矩，計算應(yīng)力的階梯式分布，沿著極限分析線來確定Mises應(yīng)力分布，確定極限應(yīng)力的最小值，計算屈服強度的壁厚，最后計算每條極限分析線的極限載荷。

管道應(yīng)力分析涉及的方面較多，分為靜力分析與動力分析。其中靜力分析的內(nèi)容主要包括對壓力載荷以及持續(xù)載荷下一次應(yīng)力的計算，可以有效防止塑性變形；管道中由于熱脹冷縮、斷點位移作用下的二次應(yīng)力計算可以防止金屬疲勞所產(chǎn)生的形變；管道對設(shè)備的應(yīng)力計算，可以有效控制作用力在設(shè)備可承受的范圍之內(nèi)。管道吊架的計算，可以為吊架的設(shè)計提供依據(jù)；管道法蘭受力計算可以防止法蘭泄漏。動力分析主要包括管道自振頻率分析，管道的強迫振動分析，往復(fù)式壓縮氣柱的頻率分析等。

3鋼制壓力容器設(shè)計與管道應(yīng)力種類

鋼制壓力容器與管道應(yīng)力分析二者所采用的分析模型分別為薄壁模型和厚壁模型。其中薄壁模型假設(shè)應(yīng)力壁厚是均勻分布的，在很大程度上忽略了彎曲所導(dǎo)致的應(yīng)力，這種方法經(jīng)常被用在鋼制壓力容器應(yīng)力分析與設(shè)計過程中。而厚壁模型則以應(yīng)力沿著壁厚是可以變化的認(rèn)識為基礎(chǔ)，考慮到彎曲所形成的應(yīng)力。所以從這個角度來看，厚壁模型相對于薄壁模型更加的準(zhǔn)確。并且在ASME B31對二者的適用情況進(jìn)行了規(guī)定，一般認(rèn)為當(dāng)管壁的壓力大于43MPa的時候薄壁模型已經(jīng)無法適用，而應(yīng)該采用厚壁模型來對管道的應(yīng)力進(jìn)行分析。在壓力容器與管道應(yīng)力分析的過程中涉及到的應(yīng)力種類較多，由于不同種類的應(yīng)力對設(shè)備的損壞和威脅程度不同，因而針對不同種類的應(yīng)力都有相應(yīng)的校核標(biāo)準(zhǔn)，以確保壓力容器與管道的安全。壓力容器設(shè)計過程中所涉及到的應(yīng)力主要包括一次應(yīng)力（主要是為了平衡壓力或者機械負(fù)荷所需要的法向力或者剪應(yīng)力）、二次應(yīng)力（主要是為了滿足局部約束條件或者是避免結(jié)構(gòu)形變所必須的法向的應(yīng)力或者剪應(yīng)力）、峰值應(yīng)力（主要是指由于局部的結(jié)構(gòu)不連續(xù)或者熱效應(yīng)所引起的附加在一次應(yīng)力上的增量），在這當(dāng)中一次應(yīng)力又包括總體的薄膜應(yīng)力、一次薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力；二次應(yīng)力主要包括邊緣應(yīng)力以及溫度應(yīng)力。在管道應(yīng)力分析過程中主要用到了應(yīng)力增大系數(shù)參數(shù)，而應(yīng)力增大系數(shù)主要是通過疲勞測試得到。并且在管道應(yīng)力分析的過程中一次應(yīng)力指的是應(yīng)力縱向組合的和，但并不是在所有情況下都能為最大的應(yīng)力。

4壓力容器與管道應(yīng)力校核條件

4.1壓力容器

鋼制壓力容器在分析與設(shè)計過程中前面所述的各種應(yīng)力條件在假設(shè)載荷組合的系數(shù)為1的時候各種校核條件分別為：（1）一次總體薄膜應(yīng)力小于許用應(yīng)力.（2）一次局部薄膜的應(yīng)力小于1.5倍的許用應(yīng)力.（3）一次總體薄膜應(yīng)力或者是一次局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲的應(yīng)力之和應(yīng)當(dāng)小于1.5倍的許用應(yīng)力。（4）一次總體薄膜的應(yīng)力或者一次薄膜局部的應(yīng)力與一次彎曲的應(yīng)力之和與二次應(yīng)力之和應(yīng)當(dāng)小于3倍的許用應(yīng)力。（5）一次總體薄膜的應(yīng)力或者是一次薄膜局部的應(yīng)力和一次彎曲的應(yīng)力以及峰值應(yīng)力之和應(yīng)當(dāng)小于2倍的許用應(yīng)力的幅值，許用應(yīng)力以及許用應(yīng)力的幅值可以通過測試過程中的疲勞曲線獲得。在上述校核條件中，由于一次薄膜總體應(yīng)力的影響范圍較大，涉及到容器的整個結(jié)構(gòu)因而最為危險，所以一次總體薄膜的應(yīng)力小于許用應(yīng)力該條件最為嚴(yán)格。另外一次局部薄膜的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于1.5許用應(yīng)力，考慮到一次局部薄膜應(yīng)力的自限性和衰減因而此控制條件可以在一定程度上放寬。校核條件3是根據(jù)矩形截面的彎梁極限分析而得到的結(jié)果，因而充分考慮到了屈服應(yīng)力充分分布的情況，所以可以適當(dāng)?shù)姆艑捯蟆Ｐ：藯l件4通過對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析而得到的，條件5是根據(jù)疲勞測試而得到的，但是在實際的情況通常循環(huán)次數(shù)較低，只要滿足校核條件4就一定能滿足校核條件5。而對應(yīng)的管道應(yīng)力分析的過程中各種條件分別為：一次應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于熱態(tài)許用應(yīng)力，二次應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于應(yīng)力范圍減小系數(shù)與1.25倍冷態(tài)許用應(yīng)力和0.25倍的熱態(tài)許用應(yīng)力之和的乘積，通常情況下應(yīng)力范圍減小系數(shù)的取值與循環(huán)次數(shù)有直接的關(guān)系，一般取值范圍為0.3到0.9之間。

4.2容器管道

管道應(yīng)力分析主要以ASME B31為標(biāo)準(zhǔn)，工藝管道的應(yīng)力校核條件主要包括以下幾個方面：（1）一次應(yīng)力的校核條件只是針對管道縱向的組合應(yīng)力，而與其他強度理論無關(guān)，二次應(yīng)力主要基于最大剪應(yīng)力理論。（2）在對管道進(jìn)行應(yīng)力分析的過程中沒有考慮局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力，因而一次應(yīng)力僅指總體薄膜應(yīng)力。（3）工藝管道的二次應(yīng)力校核條件主要針對安全性，理論基礎(chǔ)與壓力容器的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力完全相同，校核條件也一致，主要是為防止低周期的疲勞破壞。（4）在管道設(shè)計的校核條件中引入了應(yīng)力范圍系數(shù)，該系數(shù)與循環(huán)次數(shù)相關(guān)，如果循環(huán)次數(shù)較大那么對應(yīng)力變化的范圍需要進(jìn)行限制，進(jìn)而在一定程度上防止疲勞而造成對管道的損壞。

結(jié)語

通過對壓力容器應(yīng)力分析與管道應(yīng)力分析二者的對比分析發(fā)現(xiàn)，二者在分析的目的，分析過程中所依據(jù)的理論基礎(chǔ)以及應(yīng)力種類和校核條件方面都存在著一定的差異，因而在后續(xù)壓力容器與管道的分析設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)將二者區(qū)分開來，充分保障壓力容器和管道的設(shè)計安全與其經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

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