钢制压力容器分析设计及管道应力研究

张微

摘  要：随着我国科学技术以及社会经济综合水平的迅速发展，各类型工艺装置不断朝着大型化以及功能多样化的方向发展。以钢制压力容器以及钢制压力管道为例，本文从应力分类、应力校核条件等方面对钢制压力容器的分析设计以及管道应力分别进行简单的研究分析以及比较。

关键词：钢制压力容器;压力管道;应力校核;应力分析

为了保证钢制压力容器以及钢制压力管道能够很好地满足各类不同的需求，其相关的分析设计则至关重要。分析过程中发现，钢制压力容器的分析设计以及钢制压力管道的应力分析在某些方面存在着一定的相似性，而有些方面则具有差异性。在本文中，我们便对其进行简单的研究分析，从而对其存在的相似性以及差异性进行了解。

一、钢制压力容器分析设计以及管道应力分析的比较

科学技术水平的不断提高使得工艺装置逐渐朝着大型化的方向发展，以钢制压力容器为例，大型化的钢制压力容器与普通钢制压力容器的设计并不相同。大型化的钢制压力容器设计需要重点依托详细的应力分析报告，同时，需要借助相关的分析工具以及采用科学有效的实验技术来切实保证应力分析的可行性。以加氢反应器为例，其单体重量高达一千多吨，基于应力分析设计法的设计可比普通设计方法减轻设备重量大约百分之二十，从而可以有效节省1000～1200万的成本投资。基于此，应力分析设计方法在钢制压力容器以及压力管道的应用过程中所涉及的范围越来越广泛。只是当前环境下，针对压力容器具有相应的标准，而压力管道则暂时还没有相应的标准。但是压力管道的应力分析在应用过程中具有重要的意义，管道应力分析过程中必须对整个管系进行应力的分析以及判定，从而可以决定相关设计的可行性高低以及是否具备优化升级的可能。

应力分析根据应力性质可以简单分为动力分析以及静力分析，其中动力分析主要包括管道的固有频率分析、冲击载荷作用下管道的应力分析、往复压缩机（泵）管道气（液）柱的固有频率分析以及管道压力脉动分析等，不同类型的动力分析具有不同的作用，例如管道固有频率分析可以有效防止管道系统发生共振现象，而冲击载荷作用下管道的应力分析则主要可以在一定程度上最大限度避免管道振动以及应力过大等情况的出现。除此之外，往复压缩机（泵）管道的压力脉动分析还可以在一定程度上控制压力脉动值。

二、钢制压力容器以及管道应力分类

钢制压力容器分析设计采用了厚壁模型，而压力管道应力分析则采用了薄壁模型。不同的模型内应力具有不同的特点，厚壁模型中应力沿壁厚可以变化，其存在弯曲应力。与厚壁模型不同，薄壁模型中应力均匀分布，且其忽略了弯曲应力。基于厚壁模型以及薄壁模型中应力的特点，在进行应力分析过程中应该采用厚壁模型，厚壁模型下的应力分析较薄壁模型而言精确度更高。但无论是钢制压力容器分析设计还是管道应力分析，皆需要遵循安全裕度原则。在钢制压力容器分析设计中，应力有着不同的分类，不同的应力具有不同的定义。

三、钢制压力容器以及管道应力校核条件的比较

在本节中，将分别对钢制压力容器以及钢制压力管道应力的校核条件进行分析比较。

首先我们对钢制压力容器的校核条件进行说明，其可以细分为五类，第一类为一次局部薄膜应力PL，PL≤1.5[σ];第二类为一次总体薄膜应力PM，PM≤1.5[σ];第三类为一次局部薄膜应力PL或者一次总体薄膜应力PM与一次弯曲应力Pb相加所得之和不大于1.5[σ]，用公式表达为PL（PM）+Pb≤1.5[σ];第四类为一次局部薄膜应力PL或者一次总体薄膜应力PM与一次弯曲应力Pb以及二次应力Q相加所得之和不大于3[σ]，用公式表达为PL（PM）+Pb+Q≤3[σ];第五类校核则为一次局部薄膜应力PL或者一次总体薄膜应力PM与一次弯曲应力Pb、二次应力Q以及峰值应力F相加所得之和不大于2S，用公式表达即为（PM）+Pb+Q+F≤2S。

在上述五类钢制压力容器的校核条件中，主要涉及到的参数有[σ]以及S，其中[σ]为许用应力，S为许用应力幅值，理论上二者皆可以通过疲劳曲线的设计来获得，但在实际计算过程中，往往需要考虑不同载荷作用下的影响以及压力试验的具体情况。以上五类钢制压力容器的校核条件的适用条件各不相同，由于一次总体薄膜应力具有无自限性的特点，因此其具有非常高的危险性，所以第一类校核条件相对最为严格;而在第二类校核条件下的一次局部薄膜应力由于其自身具有的衰减性以及自限性而使得其相应的控制条件可以根据实际情况适当放宽;另外，由于第三类钢制压力容器的校核条件主要是根据矩形截面纯弯梁的极限分析结果合理分析延伸而来，因此在充分考虑屈服作用下其应力可以再进行重新分布的情况下，其控制条件同样可以根据实际情况适当放宽;第四类校核条件主要基于结构整体的稳定性来获得，通常情况下，在循环次数较低时，只要保持结构整体的稳定性，便可以在一定程度上降低甚至避免疲勞破坏造成的影响;最后，第五类钢制压力容器的校核条件主要用于需要对疲劳破坏进行详细分析的场合。

另外，与钢制压力容器分析设计相比，钢制压力管道的应力校核条件具有以下四个特点。钢制压力管道应力校核条件的第一个特点主要体现为一次应力校核条件只负责校核钢制压力管道纵向产生的组合应力，一次应力不需要遵循其他应力所需要遵循的强度理论，而二次应力校核条件在实际分析过程中则采用最大剪应力理论;在对钢制压力管道进行应力分析时，并不需要对一次弯曲应力以及一次局部薄膜应力进行计算，故钢制压力管道的一次应力便为一次总体薄膜应力;二次应力中，由于钢制压力管道二次应力的应力校核条件重点依据于稳定性条件，当其理论基础与钢制压力容器中应力校核条件相对吻合时，可以有效避免低周疲劳破坏的产生;除了上述三个特点外，钢制压力管道应力校核条件的最后一个特点体现为由于钢制压力管道二次应力校核条件中涉及到应力范围减少系数，此时如果循环次数较高，则许用应力变化范围受限，从而可以有效避免高周疲劳破坏的产生。

基于以上所述的分析比较，钢制压力容器分析设计与压力管道应力分析各自具有不同的特点，但是在实际应用过程中钢制压力管道的使用性质与钢制压力容器的原理性质基本相似。

总之，钢制压力容器分析设计较钢制压力管道应力分析标准而言更为严密，其侧重点并不相同，钢制压力容器与钢制压力轨道二者相互配合使用，可以在一定程度上最大限度保证安全生产服务，从而保证满足实现预期的经济效益。

参考文献：

[1]张平.钢制压力容器静强度可靠性设计研究[J].化工设计通讯，2017，43（12）：107-108.

1796500520231