壓力容器應(yīng)力分類及其在邊界效應(yīng)中的應(yīng)用

閆巍

摘 要：壓力容器是我國化工行業(yè)廣泛應(yīng)用的特種設(shè)備，對于化工行業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)和持續(xù)經(jīng)營有著至關(guān)重要的作用。一般情況下，壓力容器尺寸越大，操作壓力和溫度越高，相應(yīng)的形狀和結(jié)構(gòu)會越來越復(fù)雜，對于壓力容器的安全可靠性能的要求也相對比較嚴(yán)格。本文主要針對壓力容器應(yīng)力分類以及在邊界效應(yīng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，希望能為壓力容器的合理應(yīng)用提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器;應(yīng)力分類;邊界效應(yīng)

一、引言

科學(xué)在不斷的進(jìn)步，工業(yè)技術(shù)也在不斷的發(fā)展，壓力容器在工業(yè)生產(chǎn)中也逐漸進(jìn)步，使得工業(yè)生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)出產(chǎn)品的質(zhì)量都有了很大的提升，同時(shí)相關(guān)學(xué)者也開始針對壓力容器的應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)研究，使得壓力容器更加科學(xué)，用起來更加安全，為提升工業(yè)化生產(chǎn)的效率提供一定程度的技術(shù)支持。

二、壓力容器的應(yīng)力分類

（一）一次應(yīng)力與二次應(yīng)力

由于外部荷載產(chǎn)生的影響，一次應(yīng)力主要是指在壓力容器內(nèi)部所出現(xiàn)的剪切應(yīng)力或者是正向應(yīng)力。通常條件下，如果一次應(yīng)力可能會使材料出現(xiàn)一定程度的變形。這種應(yīng)力主要可以分為以下三種：總體薄膜應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力及一次彎曲應(yīng)力?？傮w薄膜應(yīng)力主要是指由于內(nèi)部壓力導(dǎo)致的圓筒形或者是在球形殼體中所出現(xiàn)的薄膜應(yīng)力，如果應(yīng)力能夠在殼體中呈現(xiàn)出均勻分布的狀態(tài)，會使得體壁厚的材料只出現(xiàn)屈服的現(xiàn)象。局部薄膜應(yīng)力主要是指機(jī)械壓力在一定的范圍內(nèi)，由于機(jī)械荷載而產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力。一次彎曲應(yīng)力的產(chǎn)生原因是內(nèi)部壓力作用造成的，二次應(yīng)力本身具有一定的限制性，主要是指壓力容器的零件本身在受到一定程度的約束時(shí)，所產(chǎn)生的正向應(yīng)力或者是剪切應(yīng)力。當(dāng)在一定范圍之內(nèi)，材料出現(xiàn)了一定程度的屈服，或者是出現(xiàn)了不同程度的變形時(shí)，相鄰部位之間所產(chǎn)生的相互作用會逐漸降低。另外所產(chǎn)生的變形也會漸漸的在一定范圍內(nèi)波動，并且逐漸趨于協(xié)調(diào)，不會繼續(xù)向下發(fā)展。二次應(yīng)力需要滿足協(xié)調(diào)變形的條件，半球形封頭以及薄壁圓筒相互連接的地方會受到內(nèi)部壓力的作用，并且向不同的部位出現(xiàn)徑向位移。由于這二者之間相互連接得到一定的約束，會產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)連接部位，出現(xiàn)附加的剪力進(jìn)而產(chǎn)生二次應(yīng)力[1]。

（二）彈性補(bǔ)償法

所謂的彈性補(bǔ)償法是指高臺應(yīng)力單元的彈性模量發(fā)生了降低，但是增加應(yīng)力單元彈性模量，彈性補(bǔ)償法管道系統(tǒng)應(yīng)力分類中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在壓力容器的分類中具有非常重要的作用。通過模擬一次結(jié)構(gòu)的非彈性響應(yīng)能夠使用彈性補(bǔ)償法來計(jì)算有關(guān)于彈性有限元的應(yīng)力。在實(shí)際應(yīng)用壓力容器的過程中，在一個(gè)迭代的有限元分析程序當(dāng)中，材料的無伸縮性能夠被模擬，并且能夠使應(yīng)力出現(xiàn)重新分布。在彈性補(bǔ)償法之中，如果計(jì)算得出的最大應(yīng)力能夠使得屈服極限得到滿足，下界限載荷理論也會受到相應(yīng)地應(yīng)力場的滿足。如果一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之間應(yīng)力值的總和比較大，值得需要保持的殘余應(yīng)力能夠被剔除，并且充分考慮到一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力的最大許可值，這對于壓力容器的結(jié)構(gòu)的安全性有著很大的關(guān)系。因此，如果不考慮峰值壓力，可以采用一次應(yīng)力以及二次應(yīng)力來計(jì)算應(yīng)力場[2]。

三、壓力容器在邊界效應(yīng)中的應(yīng)用

（一）壓力容器設(shè)計(jì)概述

壓力容器主要是指在容器的內(nèi)部，以及外承受著一定程度的氣體或者是液體的壓力，這樣對于容器的安全性也具有很高的要求。在使用的過程之中，如果壓力容器出現(xiàn)了爆炸的現(xiàn)象，很有可能會產(chǎn)生十分嚴(yán)重的災(zāi)難，這對于人們生命財(cái)產(chǎn)安全造成了很嚴(yán)重的威脅。所以在設(shè)計(jì)壓力容器的時(shí)候，需要對壓力容器使用的安全性加以重視，使得在生產(chǎn)的過程之中能夠保證順利安全。對于壓力容器的邊緣問題主要是指，針對連接邊緣區(qū)域部分的應(yīng)力以及變形問題進(jìn)行的分析，連接的邊緣部分對于容器殼體上不同部位之間的連接，這一部分上對變形采用無力矩理論進(jìn)行分析，會導(dǎo)致連接邊界出現(xiàn)一定程度的分離。但是事實(shí)上，所有的邊界都是具有十分牢固的連接點(diǎn)的，連接處之間產(chǎn)生的變形也不是自由變形。但實(shí)際上工程項(xiàng)目的建設(shè)及化工企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的過程之中，壓力容器的邊緣問題是受到關(guān)注的。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須要盡可能的減少兩個(gè)元件連接的高度差，避免邊界效應(yīng)的作用而影響壓力容器的正常使用，提高壓力容器使用的穩(wěn)定性和安全性[3]。

（二）應(yīng)力分類在邊界效應(yīng)中的應(yīng)用

在探索應(yīng)力分類在邊界效應(yīng)中的應(yīng)用的過程中，首先需要明確應(yīng)力分類的具體方式以及壓力容器工作過程中可能受到的載荷，本文以橢圓封頭以及圓筒的組成容器作為例子，針對壓力作用下應(yīng)力的分類，及不同類別應(yīng)力的作用方式進(jìn)行了相對系統(tǒng)的分析。首先，如果結(jié)構(gòu)以及壓力載荷能夠保持平衡，所產(chǎn)生的一次動力強(qiáng)度就相當(dāng)于一次應(yīng)力，為了使得在內(nèi)壓作用下橢圓封頭的平衡力，多數(shù)都是應(yīng)用薄膜應(yīng)力來使得其能夠承載相關(guān)的結(jié)構(gòu)，這樣就會產(chǎn)生分布不均的應(yīng)力，這時(shí)就需要與封頭的力相互結(jié)合，使得薄膜應(yīng)力控制在一倍以內(nèi)。這樣一來，封頭便能夠使壓力作用的應(yīng)力強(qiáng)度得到平衡，使封頭的厚度的確定工作更加合理。同時(shí)還要充分考慮圓筒以及壓力之間的平衡，防止圓筒路線變形的情況。其次，對于圓筒變形協(xié)調(diào)的控制也要繼續(xù)加強(qiáng)，在圓筒以及封頭之間的連接點(diǎn)上會產(chǎn)生一對邊界彎矩和邊界力矩，這一力矩能夠使這兩者之間產(chǎn)生的形變連續(xù)，使得變形的協(xié)調(diào)性控制在一定范圍內(nèi)。在整個(gè)項(xiàng)目協(xié)調(diào)的過程之中，能夠發(fā)生的變化不在一定的限度，這種變形協(xié)調(diào)可以稱作邊界效應(yīng)。由于兩者邊界上所形成的彎矩以及力矩是能夠成對存在的，方向相反，數(shù)值相等的，也稱之為自平衡力系。

四、結(jié)語

綜上所述，加強(qiáng)壓力容器應(yīng)力分類及其在邊界效應(yīng)中的應(yīng)用的研究，對于壓力容器的設(shè)計(jì)與制造有著至關(guān)重要的作用。可以結(jié)合壓力容器的分類特征以及邊界效應(yīng)的理論知識，合理探究壓力容器結(jié)構(gòu)邊界以及材料對壓力容器使用質(zhì)量的影響，保證壓力容器應(yīng)用的安全性和可靠性，為化工行業(yè)以及工程項(xiàng)目建設(shè)行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。

參考文獻(xiàn)

[1]陳學(xué)東，范志超，陳永東，崔軍，章小滸，王冰，艾志斌.我國壓力容器設(shè)計(jì)制造與維護(hù)的綠色化與智能化[J].壓力容器，2017，34（11）：12-27+11.

[2]李新.開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析[J].石化技術(shù)，2017，24（05）：30+44.