基于制冷壓力容器中應(yīng)力集中及改善方法分析

郝正橋 葛永峰

摘要：本文對應(yīng)力集中現(xiàn)象以及概念進(jìn)行闡述，對制冷壓力容器設(shè)計(jì)以及制造階段會產(chǎn)生的應(yīng)力要素進(jìn)行分析，總結(jié)改善應(yīng)力集中的措施。

關(guān)鍵詞：制冷壓力容器;應(yīng)力集中;改善方法

制冷壓力容器在設(shè)計(jì)過程中要對強(qiáng)度理論進(jìn)行分析，選取穩(wěn)定性失效以及彈性失效基本原則，在平板理論以及薄殼理論中獲取相應(yīng)結(jié)果。通過對制冷壓力容器合理進(jìn)行應(yīng)力分析，能獲取相應(yīng)結(jié)論。制冷壓力容器在設(shè)計(jì)與制造中，參照相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)規(guī)范要求，對相關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)定以及制造要求進(jìn)行分析，能有效優(yōu)化應(yīng)力分布，降低應(yīng)力集中導(dǎo)致承壓安全性以及提高應(yīng)用壽命。不僅要注重提升壓力容器安全性，還要對制冷壓力容器各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，對應(yīng)力集中現(xiàn)象合理控制。

1、應(yīng)力集中相關(guān)概念

應(yīng)用材料受到截面尺寸變化將會導(dǎo)致應(yīng)力增大，此類現(xiàn)象屬于應(yīng)力集中。承受軸向拉伸、壓縮構(gòu)件，離加力區(qū)域稍遠(yuǎn)以及橫截面尺寸沒有全面變化，橫截面中應(yīng)力能均勻分布。在各個(gè)構(gòu)件中，有部分兩件存有切口、開孔、切槽、螺紋、油孔等，加上此類位置截面尺寸具有較大變化。比如帶有切口以及存有圓孔的板條，當(dāng)其受到軸向拉伸問題影響，在切口與圓孔中應(yīng)力數(shù)據(jù)不斷增加，應(yīng)力迅速降低且處于均勻發(fā)展?fàn)顟B(tài)。此時(shí)橫截面上應(yīng)力狀態(tài)不能均勻性分析，在靜荷載作用中，各類材料對于應(yīng)力集中敏感度具有較大差異[1]。比如塑性材料具有相應(yīng)屈服力，截面中最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限，此時(shí)應(yīng)力不會增大。加上外力持續(xù)性增加，增大的應(yīng)力由截面上尚未屈服的材料進(jìn)行擔(dān)負(fù)。

2、制冷壓力容器在設(shè)計(jì)與制造中存在的應(yīng)力集中

應(yīng)力集中是受到壓力容器幾何形狀突變問題影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存有不連續(xù)性，會導(dǎo)致彈性變形產(chǎn)生不連續(xù)性。在應(yīng)力集中位置兩端的殼體位置彈性變形互相約束會產(chǎn)生邊緣彎矩、邊緣力，會產(chǎn)生應(yīng)力集中問題。在制冷壓力容器在設(shè)計(jì)階段，受到各項(xiàng)工藝以及應(yīng)用要求進(jìn)行分析，將會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變不連續(xù)性問題。在制造過程中，由于制造以及加工中存有多項(xiàng)限制性要素將會導(dǎo)致機(jī)械損傷問題，均會產(chǎn)生應(yīng)力集中。在制冷壓力容器設(shè)計(jì)過程中，大多是選取成型封頭以及回轉(zhuǎn)筒體，封頭以及筒體連接過程中結(jié)構(gòu)突變以及不連續(xù)性突出，是應(yīng)力較為集中的部位。正常情況下，制冷壓力容器在應(yīng)用中要拼裝成相應(yīng)機(jī)組，受到安裝場地限制性影響要求制冷壓力容器結(jié)構(gòu)更為緊湊[2]。

受到工作介質(zhì)差異性，在制冷壓力容器設(shè)計(jì)中，各個(gè)部件材料存有較大差異。受到功能以及工藝要求，在制冷壓力容器封頭以及筒體中要在其他各個(gè)部位開孔，要對接管合理焊接。在接管與筒體在連接中結(jié)構(gòu)突變以及不連續(xù)性突出，存有較高應(yīng)力集中。長頸對焊法蘭是標(biāo)準(zhǔn)件，筒體以及接管厚度由于設(shè)計(jì)條件差異具有可變性，長頸對筒體以及焊法蘭會產(chǎn)生局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，在對接部位存有應(yīng)力集中問題。制冷壓力容器制造中焊接操作是重要工序，焊接接頭存有較大不均勻性。焊接接頭熱影響區(qū)域在不同位置在焊接中受到熱作用力影響，具有多項(xiàng)性能。焊接缺陷中會導(dǎo)致截面受力均勻性降低，應(yīng)力較為集中。制冷壓力容器加工中，諸多大部件在加工中會產(chǎn)生多項(xiàng)劃痕、碰撞、機(jī)械損傷等。做好管板加工、筒體卷制吊裝、封頭筒體組裝等，此類損傷應(yīng)力較為集中[3]。

3、制冷壓力容器改善應(yīng)力集中的措施探析

（一）選取適合的封頭型式

從應(yīng)力分布具體現(xiàn)狀中能得出，封頭在排列順序劃分中主要能分為半球型、橢圓形、蝶形、無折邊球型、平封頭等。從受力情況、材料消耗、制造現(xiàn)狀等進(jìn)行多方面分析，其中壓力容器封頭形式主要是選取橢圓封頭。所以當(dāng)前在設(shè)計(jì)中要注重選取橢圓型封頭，能有效優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力集中狀態(tài)。

（二）選擇性能相近的材料

從全面降低應(yīng)力集中角度，要對連接件剛度差合理分析，對連接構(gòu)件內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的自由變形不協(xié)調(diào)性進(jìn)行控制。在均勻荷載作用中，降低兩個(gè)連接件的剛度差，能有效降低連接件產(chǎn)生的不連續(xù)應(yīng)力狀態(tài)。所以當(dāng)前在制冷壓力容器設(shè)計(jì)選材中，要確保材料性能較為接近，對應(yīng)力集中現(xiàn)狀進(jìn)行優(yōu)化。

（三）減小各個(gè)類型的棱角

在制冷壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要選取針對性控制措施，對各個(gè)類型圓弧圓角半徑合理擴(kuò)大。其中在尖銳度較高的拐角位置，要做好倒角以及倒圓設(shè)計(jì)，此項(xiàng)措施能有效規(guī)避壓力容器應(yīng)用中受到外力作用狀態(tài)影響，避免應(yīng)力過于集中。比如在接管位置以及筒體設(shè)計(jì)連接中選取倒圓角設(shè)計(jì)，能保障連接位置應(yīng)力值全面降低，降低30%左右[4]。

（四）不等厚連接部位削薄過渡

多數(shù)應(yīng)力集中存有局部性，在制冷壓力容器設(shè)計(jì)以及制造中要針對性做好局部處理操作，對邊緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，比如選取長頸對焊法蘭接管以及筒體不等厚對接操作。在相同內(nèi)壓作用中，受到結(jié)構(gòu)不連續(xù)性影響，將會導(dǎo)致自由變形不協(xié)調(diào)，在連接位置中會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中問題。為了對應(yīng)力集中進(jìn)行控制，要將長頸對焊法蘭和筒體連接一段在一定范圍中做成削薄過渡。

（五）打磨焊縫余高，修復(fù)機(jī)械損傷

在焊接操作中，焊縫余高較高，將會導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性產(chǎn)生應(yīng)力集中。加上余高存有缺陷，此類缺陷將會產(chǎn)生疲勞裂紋核，此缺陷在荷載作用中將會產(chǎn)生疲勞擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂問題發(fā)生。相關(guān)研究部門在試驗(yàn)中提出，存有焊縫余高的設(shè)備對比打磨之后沒有余高的設(shè)備應(yīng)用壽命要縮短2.0至2.5倍，因此要結(jié)合對應(yīng)條件對焊縫余高針對性打磨處理操作[5]。

結(jié)語：

綜合上述，在制冷壓力容器設(shè)計(jì)制造過程中，開孔、支撐此類附件容器幾何結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞等問題突出，在焊接以及吊裝過程中會產(chǎn)生焊接以及損傷缺陷。上述各項(xiàng)問題均會產(chǎn)生應(yīng)力集中問題，應(yīng)力集中將會導(dǎo)致壓力容器產(chǎn)生諸多脆性裂口以及疲勞破壞問題。所以當(dāng)前要選取規(guī)范化措施對應(yīng)力集中以及應(yīng)力降低問題進(jìn)行控制，優(yōu)化壓力容器設(shè)計(jì)和制造操作。

參考文獻(xiàn)

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[5]薛波.氨制冷壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂原因及其對策[J].化工管理，2015（14）：34.

作者簡介：出生年月：1991.9.10 1981.10;性別：男;民族：漢;籍貫：山東省菏澤市單縣，山東省，安丘市;學(xué)歷：?？?職稱：助理工程師;研究方向：制冷壓力容器。