压力容器的疲劳分析设计的研究

郑 伟

（温州市工业设计院，浙江温州 325003）

压力容器的疲劳分析设计的研究

郑 伟

（温州市工业设计院，浙江温州 325003）

随着社会不断的发展，我国经济发展水平逐渐提高，工业发展迅速，压力容器承受循环载荷的情况越来越多，压力容器的交变载荷主要来自于一些压力容器的压力波动、外加载荷的交变以及强迫振动。压力容器中的结构、格局会出现连续性的集中应力，尤其一些局部塑性区域就会出现疲劳裂纹的现象，从而导致压力容器出现疲劳破坏的现象发生。随着压力容器具有越来越高的耐热性、耐疲劳性、耐腐蚀性要求，这使压力容器疲劳分析设计地位日益突出。在对其设计工作时应该保证所制定的设计方案具有一定的针对性与综合性因素。基于此，对压力容器的疲劳分析设计进行了简单的研究。

压力容器；疲劳分析；设计

压力容器广泛应用在石油、化工、动力、冶金、交通等各个领域中，起着非常重要的作用。在其工程实践过程中，常常会因为开、停车产生的压力波动，同时压力容器中也存在着大量的温度波动、流体的震动，严重的话还会导致整个压力容器出现疲劳腐蚀，容器之间的构件连接出现疲劳失效的现象产生。如果这些问题不能及时解决就会影响压力容器的安全使用寿命。现阶段在对压力容器开展疲劳分析设计工作时，可以通过基于实验的疲劳分析设计、以断裂力学为基础的疲劳分析设计和设计疲劳曲线的疲劳设计等方法进行操作，只有通过这样才能找出压力容器在运行期间存在的不足，并为其制定有效的解决对策，从而保证压力容器可以安全可靠运行下去。

1 压力容器疲劳设计概述

压力容器在常规设计过程中所受应力不随时间而变化，而实际上压力容器由于受到载荷条件的影响导致其在工作中应力会随着时间的变化而变化。在工业中压力容器在交变载荷作用下进行运行是普遍存在的。比如说，其在运行过程中频繁的间歇操作和开、停车都会造成工作压力和载荷的变化；在运行时会出现压力波动；其在运行期间还会出现周期性温度变化；如果在受到温度变化压力容器的内部构件就会发生膨胀现象；外加的交变载荷也会使压力容器应力随着时间呈现周期性的变化[1]。在交变载荷作用下压力容器的受压部件中的焊接接头附近、结构不连续以及开孔接管等区域，会增加局部峰值的应力。而往往压力容器这些区域中的峰值力较大，比常规的压力容器的总体薄膜应力可以增加到2～6倍。这些区域对于压力容器的能否可靠安全运行来说起着非常重要的作用。如果压力容器运行期间在交变载荷反复作用下，那么压力容器这些区域的材料晶粒会发生转移和错位的现象，严重的话还会导致压力容器发生疲劳断裂，发生严重安全生产事故[2]。

2 压力容器疲劳设计规范

ASME规范在压力容器疲劳分析设计过程中，主要对载荷和结构、应力计算、交变应力幅度的求取、设计疲劳曲线的应用等方面进行分析设计来保证压力容器可以满足疲劳分析的要求。

在对压力容器开疲劳分析设计工作时，如果没有按照相应制定的标准进行，那么就会对整个压力容器疲劳情况就会出现判断错误的现象，影响其设备使用安全性。要想保证其分析工作科学、合理，目前一般采用通过ASME规范化的形式来开展疲劳分析设计工作。ASME设计方法是以Langer研究基础而来。通过多个母材制成的光滑小试件进行疲劳实验，同时还要在恒应变单轴控制的形式下开展疲劳测试，只有这样才能得到属于材料疲劳失效的平均寿命曲线，并将压力容器缺口平均应力的最大值体现出来[3]。在疲劳分析设计过程中，可以将试件中的平均应力对材料的疲劳失效寿命曲线进行调整，并通过设计虚拟应力和循环次数的形式修正疲劳寿命曲线。为了保证所开展疲劳设计工作得到准确的应力强度计算结果，还应对其中应力强度进行弹性分析，减小压力容器中焊缝局部疲劳强度系数[4]。

3 压力容器分析设计

压力容器及有关部件在运行过程中，在不同应力作用之下需要承受各方面的压力，开展分析设计前需要确定所受载荷作用范围、强度等条件以此为设计计算条件，再根据计算方法、结构形式做好载荷分析后才能开展其他后续分析。

3.1 压力容器结构分析

在实际运行期间载荷分析完成后，根据计算条件应对压力容器整体进行结构定位、分析。在对其做结构分析过程中，还应将其中不连续点和承受局部的载荷元件中的应力部位体现出来，再根据对不同部位的分析以及结构形式和载荷形式建立相对应的力学模型，在设计过程中还应该按照以下几点开展应力模型的设计工作：①力学模型是压力容器中重要组成部分，其中的结构尺寸、参数在实际设计过程中要尽量满足实际结构的需求；②做好力学模型边界条件和位移约束条件的分析工作，并将其中的条件尽量用简化方式体现出来；③在弹性范围内，将力学模型中的多种载荷通过叠加的形式进行简单处理[5]。

3.2 压力容器应力分析

应力分析主要用于确定与零件和构件失效有关的危险点的应力集中、应变集中部位的峰值应力和应变。零件和构件的应力分布和大小与其承受的载荷和温度有关，也与零件的形状、尺寸和材料性质等有关。对于压力容器来说应力分析可以有效的对其局部危险点在确定载荷、结构分析的基础上进行更加详细的分析，通过应力分析把分析区域中的应力的最大值与最小值体现出来，并分析局部区域应力随着时间的变化而变化。随着压力容器设备不断发展，计算机科学的不断发展，应力分析方法也在不断的发展，目前常见的应力分析方法有：板壳理论分析法、数值分析法以及疲劳实验法等[6]。

要想保证所开展的分析工作结果可以比较科学、准确，就应该保证计算结果具有完整性和可靠性的特点，减少不必要的工作量，应根据相关数值制定出一个模型。建立模型时应该把压力容器分为几个部分进行计算分析，比如接管与封头的连接工作、裙座与封头的连接工作、接管与筒体的连接工作等。

3.3 压力容器的强度评定分析

在对压力容器的应力分析完成之后，可以将所分析出的结果进行全方面评定，了解其中的评定点与截面，并根据载荷的性质和应力分类准则进行分类，只有这样才能完成压力容器疲劳分析工作。

对于压力容器疲劳部位的确定来说，可以以应力分析为基础进行分析，保证所开展的分析结构可以满足应力和二次应力条件的要求，求取交变应力强度幅[7]。同时，还可以利用设计疲劳曲线对其中的疲劳强度进行校对，得出一个科学、合理的评定结果。

4 结束语

随着现代工业不断的发展，压力容器在工业应用条件越来越复杂，压力容器的疲劳分析设计在各个领域中越来越受到重视。在现代工业中已经有越来越多的新技术、新材料不断的涌现。可以将现有的分析设计方案不断创新、完善，只有这样才能保证分析设计跟上产品发展的脚步，使分析设计更加吻合压力容器实际情况。

[1] 李欢，魏业清，施杰，梁峰.压力容器壁厚的有限元分析[J].云南农业大学学报（自然科学版），2014，（4）：549-552.

[2] 刘旭.基于Ansys软件对压力容器的应力及疲劳分析[A].中共沈阳市委员会、沈阳市人民政府、中国科学院沈阳分院.第十届沈阳科学学术年会论文集（信息科学与工程技术分册）[C].中共沈阳市委员会、沈阳市人民政府、中国科学院沈阳分院，2013：5.

[3] 陈志平，马跃，方舟，等.球墨铸铁制压力容器国内外法规标准比较[J].压力容器，2010，（11）：34-38+44.

[4] 郑连纲，谢海，苏东川，等.基于ANSYS程序的反应堆压力容器疲劳裂纹扩展分析方法研究[J].核动力工程，2015，（6）：67-69.

[5] 郜愿锋，张旭，夏金辉，等.JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》与GB150.1～150.4-2011《压力容器》的分析及比较[J].锅炉制造，2016，（6）：51-54.

[6] 赵鹏，张雪铭，李强.大开孔疲劳容器应力强度评定与疲劳分析[J].中国特种设备安全，2015，（9）：70-74.

[7] 丁培丽，董金善，何慧慧，等.齿啮式快开压力容器参数化系统开发与应用[J].机械设计与制造，2013，（4）：98-100.

Study on Fatigue Design of Pressure Vessel

Zheng Wei

with the continuous development of society，the level of China’s economic development has gradually increased，the rapid development of industry，the pressure vessel subjected to cyclic loading increasing pressure vessel alternating load mainly from the pressure fluctuation，pressure vessel with forced vibration and alternating load.In the structure and pattern of the pressure vessel，there will be continuous concentrated stress，especially in some local plastic regions，which will lead to the phenomenon of fatigue failure. With the increasing of heat resistance，fatigue resistance and corrosion resistance of pressure vessels，the fatigue analysis and design of pressure vessels are becoming more and more important.In the design of the work should ensure that the design of the program has a certain pertinence and comprehensive factors.Based on this，the fatigue analysis and design of pressure vessel is studied in this paper.

pressure vessel；fatigue analysis；design

TH49

A

1003-6490（2017）01-0086-02

2017-01-11

郑伟（1989—），男，浙江瑞安人，助理工程师，主要研究方向为压力容器设计。