壓力容器設(shè)計方法對比與應(yīng)力分類

王建成

摘 要：對于壓力容器來說，主要就包括了兩類設(shè)計方式，即為常規(guī)設(shè)計、應(yīng)力分析設(shè)計，文章就自相關(guān)的原理、方式等表述出了常規(guī)設(shè)計、應(yīng)力分析設(shè)計間所具有的差別，加之容器中各類應(yīng)力的性質(zhì)及對失效模式所起的不同作用，同時，還說明了兩種設(shè)計方法各自的優(yōu)缺點及現(xiàn)階段的應(yīng)用，為在實際工作中選擇科學(xué)且高效的設(shè)計方式給予更多的參照與憑據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓力容器；應(yīng)力；設(shè)計效果；問題；注意事項

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.046

1 前言

現(xiàn)階段，在我國，社會及經(jīng)濟都得到了十分迅速地進步及提升，所以，為了持續(xù)增強我國在國際中所具有的競爭能力，就應(yīng)提升所有產(chǎn)品本身的質(zhì)量與效果。壓力容器大多都會被運用到原油、化工等相關(guān)的領(lǐng)域中，因為這類領(lǐng)域所需運用的原材料大多毒性較高，且十分易燃，若對壓力容器開展的設(shè)計不夠正確，就會使得產(chǎn)品最后的質(zhì)量無法達標(biāo)，甚至是引發(fā)各類安全意外。所以，設(shè)計相關(guān)人員在對壓力容器實施設(shè)計期間，應(yīng)更為細致及認真。

2 設(shè)計方面的準(zhǔn)則

（1）設(shè)計機構(gòu)應(yīng)制訂出健全的質(zhì)量保證體制，以凸顯出更為良好的引導(dǎo)性及操作性，并貫徹至相應(yīng)的設(shè)計中；（2）在對壓力容器實施設(shè)計期間，應(yīng)與工藝生產(chǎn)所給予的規(guī)定相符，其各類參數(shù)也應(yīng)達標(biāo)，僅有如此，才可以保障這類產(chǎn)品在進行運用期間具有相應(yīng)的承壓能力；（3）在化工領(lǐng)域中，因為其運用的原材料較易引發(fā)腐蝕，且毒性較高，如此，就會引發(fā)十分不利的后果。所以，壓力容器在進行運轉(zhuǎn)期間，應(yīng)更為安全且順暢；（4）在運用壓力容器期間，應(yīng)保障其運用年限，因為化工類原材料所具有的腐蝕性較強，所以，設(shè)計相關(guān)人員應(yīng)顧慮到運用哪一方法來保障壓力容器本身的運用年限，從而減少生產(chǎn)所需的成本；（5）壓力容器要具有制作更為簡易、操作更為方便等相關(guān)特征，如此，就規(guī)定了設(shè)計相關(guān)人員要保障壓力容器的設(shè)計十分簡易、且較易進行制造；另外，壓力容器還應(yīng)與各類特殊需要相符，比如，容器頂蓋要能夠隨意進行拆解，以方便相關(guān)人員進行運用。

3 應(yīng)力的各種分類

應(yīng)力分析設(shè)計的關(guān)鍵就是把壓力容器中所具有的所有應(yīng)力依據(jù)應(yīng)力本身的性質(zhì)及對失效模式所起的作用加以分類。各類應(yīng)力對容器安全性的影響程度不同分別規(guī)定不同的安全系數(shù)。應(yīng)力分類如下：

3.1 一次應(yīng)力

因為外部載荷所產(chǎn)生的作用，在容器元件中得到的正應(yīng)力或是剪應(yīng)力?；蚱胶馔獠繖C械載荷所必需的應(yīng)力[1]。其特點有兩個：一是滿足靜力平衡條件，即載荷增加，應(yīng)力相應(yīng)增加，應(yīng)變也增加；二是非自線性，應(yīng)力順壁厚平均地進行分布。同時，一次應(yīng)力主要就包括了如下幾大類：

其一，一次總體薄膜應(yīng)力：指的就是對總體結(jié)構(gòu)都會帶來影響的薄膜應(yīng)力之一，比如，在各類應(yīng)力中，因為平衡壓力或是分布載荷而引發(fā)的薄膜應(yīng)力。

其二，一次局部薄膜應(yīng)力：對于這一應(yīng)力而言，其水平多于一次總體薄膜應(yīng)力，不過，其僅會對部分區(qū)域結(jié)構(gòu)中所具有的一次薄膜應(yīng)力帶來影響。比如，處于殼體色固定支座或是接管位置，因為外部載荷與力矩而引發(fā)的薄膜應(yīng)力。

其三，一次彎曲應(yīng)力：這一應(yīng)力就是平衡壓力或是其余機械載荷需要的順截面厚度朝向體現(xiàn)為線性分布的一種彎曲應(yīng)力。比如，在平蓋中，因為壓力而引發(fā)的彎曲應(yīng)力。

3.2 二次應(yīng)力

因為在容器中，各類元件均具有約束或是其鄰近元件均具有約束，進而得到了正應(yīng)力或是剪應(yīng)力?；蚴桥c變形、協(xié)調(diào)規(guī)定所需運用的應(yīng)力相符。其特征主要就包括了：其一，與變形、協(xié)調(diào)所給予的規(guī)定相符；其二，具有一定程度的自限性，即為在局部產(chǎn)生屈服與較少的塑性、變形后，就能夠與約束條件或是變形條件相符，進而防范變形不會持續(xù)提升，只要不重復(fù)進行加載，結(jié)構(gòu)處于“安定”狀態(tài)，不會導(dǎo)致破壞，所以，二次應(yīng)力的許用值應(yīng)根據(jù)“安定性”的概念予以限制，如熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力。

3.3 峰值應(yīng)力

因為結(jié)構(gòu)不夠持續(xù)，而加至一次應(yīng)力與二次應(yīng)力中的總應(yīng)力增量。其特征為：一般同時有自限性和局部性，整體不變形，但往往是引起疲勞和脆性斷裂的根源。在疲勞設(shè)計時，需要對峰值應(yīng)力進行制約。

4 兩類設(shè)計所具有的優(yōu)點及缺陷

因為常規(guī)的設(shè)計方式十分簡易，且運用經(jīng)驗十分充足，所以，許多國家依舊運用這一方式對壓力容器實施設(shè)計[2]。但是，這類常規(guī)的設(shè)計方式也具有相應(yīng)的缺陷，即為并未區(qū)別薄膜應(yīng)力與其余應(yīng)力對于容器強度會帶來哪些方面的影響，在其中的部分應(yīng)力已經(jīng)達到了原材料所具有的屈服極限后，在容器的大多區(qū)域中，其應(yīng)力依舊小于這一數(shù)值，并處于彈性狀態(tài)之下。因此，在這時，容器不會進至屈服，即使部分區(qū)域已變成了屈服，因為會被周邊的各彈性區(qū)所制約，其變形量無法得到整長，應(yīng)力的增多也會被阻礙，所以，無法使得整個容器產(chǎn)生失效。另外，對于比較苛刻的操作工況，常規(guī)設(shè)計便存在很大的局限性。

應(yīng)力分析設(shè)計運用將安定載荷、極限載荷壽命等當(dāng)作界限的一種塑性失效準(zhǔn)則，其準(zhǔn)許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可以被控制的部分塑性區(qū)，還準(zhǔn)許對峰值應(yīng)力位置實施有限的壽命設(shè)計，在運用這一準(zhǔn)則后，能夠更為良好地處理常規(guī)設(shè)計中所具有的缺陷，科學(xué)地減少對于計算應(yīng)力所給予的過嚴(yán)限制，因為應(yīng)力分析設(shè)計運用了塑性失效準(zhǔn)則，所以，其安全系數(shù)有所下降，許用應(yīng)力逐步提升。但是，鑒于應(yīng)力分析設(shè)計所具有的特征，對于容器的選材、制造、檢驗和驗收都提出更加嚴(yán)格的要求。分析設(shè)計雖然科學(xué)嚴(yán)謹，但卻需要進行大量復(fù)雜的分析計算，增加了設(shè)計所需的花費。

5 結(jié)束語

總之，壓力容器能夠促進我國的經(jīng)濟水平最大限度地得到進步與提升，所以，設(shè)計相關(guān)人員在對壓力容器進行設(shè)計期間，就應(yīng)嚴(yán)謹參照設(shè)計規(guī)定與國家所公布的各類法律、規(guī)定等，保障壓力容器能夠具有更為良好的安全性與可靠性，并通過持續(xù)地提升設(shè)計相關(guān)人員自身的各項專業(yè)技能，保障壓力容器能夠安全且穩(wěn)定地運行。

參考文獻：

[1]陳孫藝.壓力容器有限元分析建模中值得關(guān)注的幾個工程因素[J].壓力容器，2015（05）：50-58.

[2]華凱旋，余小魯，王柯智.大型壓力容器厚壁封頭成形工藝及質(zhì)量控制研究現(xiàn)狀分析[J].鍛壓技術(shù)，2015（02）：8-14.