大開孔對壓力容器筒體上應(yīng)力分布的影響探究

沈石華

（寧夏化工設(shè)計研究院〈有限公司〉，寧夏銀川750002）

0 引言

壓力管道上開孔和接管是壓力管道中最典型的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)從力學(xué)模型上是一種圓柱殼開孔接管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)廣泛存在于現(xiàn)代石油化工、能源和核工業(yè)生產(chǎn)中，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模與生產(chǎn)裝置的日益大型化，圓柱殼開孔也逐漸向大開孔方向發(fā)展。

1 應(yīng)力分類

1.1 應(yīng)力分類原則

1）產(chǎn)生應(yīng)力的原因

應(yīng)力是由各種機械載荷，如介質(zhì)壓力、容器、附件及材料的自重、風(fēng)載荷、雪載荷或地震載荷等引起的，還是由溫差載荷，如同一元件不同部位的溫度差，厚壁容器壁厚各點的溫度差等引起的。

2）導(dǎo)出應(yīng)力的方法

壓力容器設(shè)計的力學(xué)基礎(chǔ)主要是板殼理論與殼體理論。而殼體理論又分為不考慮邊緣效應(yīng)的無力矩理論和考慮邊緣效應(yīng)的有力矩理論，后者主要用于邊緣應(yīng)力的求解。 兩個相互連接的零件當(dāng)存在幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)時，在介質(zhì)壓力作用下會引起兩類不同性質(zhì)的應(yīng)力，一類是，由介質(zhì)壓力和零件應(yīng)力之間相平衡的關(guān)系導(dǎo)出的應(yīng)力，如圓筒或錐殼上的環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力：另一類，是由兩連接件的邊緣連接處在介質(zhì)壓力作用下總變形的協(xié)調(diào)關(guān)系導(dǎo)出的邊緣應(yīng)力。

3）應(yīng)力存在的區(qū)域

應(yīng)力存在于容器的總體區(qū)域，還是局部區(qū)域。

4）應(yīng)力的性質(zhì)

沿容器壁厚方向是均勻的或是非均勻分布的拉、壓應(yīng)力，還是沿壁厚方一向成線性或非線性分布的，兩表面應(yīng)力最大、方向相反、中間面或靠近中間面處為中性面的彎曲應(yīng)力。 顯然，沿容器壁厚方向均勻分布的薄膜應(yīng)力一旦達(dá)到材料的屈服強度，則意味著全壁厚范圍的材料均已屈服，從而不能再繼續(xù)承受載荷；沿容器壁厚按線性或非線性規(guī)律分布的彎曲應(yīng)力即使達(dá)到材料的屈服強度，也僅能在器壁表面達(dá)到屈服、繼續(xù)增加載荷僅使材料屈服層由表面向內(nèi)層擴展，直至整個壁厚均達(dá)屈服才會導(dǎo)致容器失效。 所以，薄膜應(yīng)力對容器失效所構(gòu)成的危險比彎曲應(yīng)力更大。

1.2 應(yīng)力分類

1）一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指由于外加機械載荷的作用而在容器中產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它必須滿足外域和內(nèi)力的靜力平衡關(guān)系。所以，一次應(yīng)力不具有自限性。 具體包括下面三類:

A、一次總體薄膜應(yīng)力（Pm）——指遍及整個結(jié)構(gòu)，滿足壓力或其它機械載荷所產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力。

B、一次局部薄膜應(yīng)力（PL）——指應(yīng)力水平大于一次總體薄膜應(yīng)力，但僅存在于結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的一次薄膜應(yīng)力。

C、一次彎曲應(yīng)力（Pb）——指存在于結(jié)構(gòu)的總體范圍，滿足壓力或其它機械載荷平衡，沿截面厚度線性分布的彎曲應(yīng)力。

2）二次應(yīng)力（Q）

在外部載荷作用下， 由于相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)自身的約束，需要滿足變形連續(xù)條件所產(chǎn)生的法向應(yīng)力或切應(yīng)力統(tǒng)稱為二次應(yīng)力。其基本特征為具有自限性，即局部屈服和小量塑性變形就可使變形連續(xù)條件得到部分或全部滿足，從而塑性變形不再發(fā)展，由此緩解以至消除這種應(yīng)力所造成的后果。

3）峰值應(yīng)力（F）

由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力影響引起的，附加于一次加立次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量稱為峰值應(yīng)力。

1.3 殼體開孔接管附近的應(yīng)力分類

根據(jù)上文所述的應(yīng)力分類原則，對殼體開孔接管附近的應(yīng)力進(jìn)行分類。圓柱殼體開孔后，接管與殼體連接部位引起的應(yīng)力有：沿壁厚方向的平均應(yīng)力即一次局部薄膜應(yīng)力(無溫差作用時)或一次局部薄膜加二次溫差應(yīng)力(有溫差作用時)；由相貫殼體變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為二次彎曲應(yīng)力以及由應(yīng)力集中現(xiàn)象引起的峰值應(yīng)力等。

2 大開孔對筒體應(yīng)力的影響

當(dāng)壓力容器筒體上開孔且有接管時，其應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)比板材上開孔但無接管時更為復(fù)雜，它不僅包括薄膜應(yīng)力，而且包括由于接管和筒體相連接時所引起的邊緣應(yīng)力以及由于開孔接管過渡區(qū)引起的局部應(yīng)力集中，應(yīng)力梯度較大，極易成為設(shè)備的破壞源，因此對開孔接管部位作詳細(xì)的應(yīng)力分析和強度評定是確保壓力容器安全運行的重要環(huán)節(jié)之一。 容器開孔接管引起孔邊應(yīng)力集中，其原因在于：一方面，容器筒身因開孔削弱了承載面積造成容器高薄膜應(yīng)力；另一方面，容器整體的連續(xù)性被破壞，在開孔和接管處因變形不協(xié)調(diào)，連接處將產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力分量，影響最大的是附加彎曲應(yīng)力，因此，開孔和接管附近形成局部的高應(yīng)力區(qū)。 再者，接管上有時還承受其他載荷以及容器開孔本身的制造缺陷和殘余應(yīng)力的影響，開孔附近就往往成為容器的薄弱部位。 這種應(yīng)力集中現(xiàn)象在小開孔情況下具有局部性，可通過在一定范圍內(nèi)的補強使應(yīng)力集中大為緩解。根據(jù)壓力容器的設(shè)計理論可知，一對于壓力容器上的小開孔接管結(jié)構(gòu)，只在孔邊引起應(yīng)力集中，而在離孔邊較遠(yuǎn)處，圓筒的應(yīng)力狀態(tài)仍處于薄膜應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力分析與強度計算已有大量文獻(xiàn)做過論述。

關(guān)于受內(nèi)壓圓柱殼大開孔應(yīng)力分布的情況，目前尚無合適的資料可供參考，研究大開孔情況下內(nèi)壓圓筒的應(yīng)力分布規(guī)律與特征，特別是與小開孔情況相比有哪些主要區(qū)別， 以期為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)，具有十分重要的理論與實際意義。目前，可采用有限元方法模擬薄壁圓筒受內(nèi)壓大開孔的情況，可得到不同d/D，D/T 組合下筒體的應(yīng)力分布規(guī)律由分析結(jié)果可知，在d/D 較小時，開孔對筒體應(yīng)力的顯著影響只限于孔邊附近， 而離孔邊較遠(yuǎn)處仍然可以認(rèn)為是薄膜應(yīng)力狀態(tài)。這恰好與壓力容器設(shè)計理論中小開孔對筒體應(yīng)力的影響具有局部性的論點是一致的。但隨著d/D 和D/T 的增加，不僅僅在孔邊，而且在離孔邊較遠(yuǎn)處的一定范圍內(nèi)，均不是單純的薄膜應(yīng)力狀態(tài)，同時，內(nèi)外表面的應(yīng)力差也越來越大，這就是大開孔情況下的應(yīng)力分布特點。 這表明大開孔情況下，特別是在D/T 較大時，開孔對應(yīng)力的影響己不僅僅局限于孔邊，而小開孔對筒體應(yīng)力影響的局部性在大開孔情況下己不適用。

這一點對壓力容器的設(shè)計具有重要的實際價值。 由分析可知，大開孔情況下，即使是在離孔邊較遠(yuǎn)處也不能用薄膜應(yīng)力描述其應(yīng)力狀態(tài)。 這是因為當(dāng)d/D 較大，比如說超過0.5 時，離孔邊較遠(yuǎn)處的筒體受力后其幾何形狀的軸對稱性會遭到破壞，而對這種破壞的抵抗能力又會隨著D/T 的上升而下降。 因此，開孔以前，薄壁圓筒對薄膜理論的適應(yīng)性隨D/T 的上升而提高，即筒體越薄，越能形成薄膜應(yīng)力狀態(tài)；開孔以后，這種適應(yīng)性反而隨D/T 的上升而下降，即筒體越薄，開孔后對薄膜應(yīng)力狀態(tài)的破壞越嚴(yán)重。 開孔前后，筒體對薄膜應(yīng)力狀態(tài)的適應(yīng)性隨D/T 的上升向相反的方向變化。

3 結(jié)束語

總之，由于在圓柱殼上開孔并安裝了圓柱殼接管，主體圓柱殼的結(jié)構(gòu)連續(xù)性就遭到了破壞，在圓柱殼與接管的相貫區(qū)將產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，而大開孔接管結(jié)構(gòu)的相貫區(qū)局部存在著比主體區(qū)高數(shù)倍的集中峰值應(yīng)力，因而它是疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕破壞的根源，是壓力管道中比較薄弱的部分，無論國內(nèi)還是國外的著名壓力容器規(guī)范，都特別強調(diào)對此進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。 因此，對壓力管道大開孔接管區(qū)的應(yīng)力進(jìn)行分析是十分必要的。

［1］陸明萬.關(guān)于應(yīng)力分類問題的幾點認(rèn)識[J].壓力容器，2005，22(8):18-23.

［2］高炳軍，王洪海，子俊寶.球殼大開孔接管結(jié)構(gòu)參數(shù)對連接處應(yīng)力分布的影響[J].機械與電子，2003，1:65-67.

［3］龔曙光，謝桂蘭.壓力容器分析設(shè)計中的應(yīng)力分類方法[J].化工裝備技術(shù)，2000，21(3):27-31.