压力容器应力分析

邹刚

【摘 要】随着工业化社会的不断发展，人类在生活和生产中对于产品的质量、结构安全也提出了新的要求。压力容器作为目前社会发展中应用最多的容器之一，其应力分析和结构整体性也越来越受到人们的关注。本文就压力容器基本概念、用途和设计要点入手进行了分析，简要探讨了其回转曲面与回转壳体之间存在的关系，以供相关工作人员参考。

【关键词】压力容器；应力分析；回转曲面

随着国民经济、科学化技术和贸易交流的不断加强，压力容器的设计、制造以及使用管理策略也日渐趋于成熟。近几年来，先进的科学技术、管理概论的出现促使了压力容器在设计中呈现出飞速发展态势，其应力分析策略也日渐成熟。压力容器作为一项设计专业多、学科复杂的综合性产品结构，其在应用中通过对先进技术、管理策略应用在目前的工作之中，为工作的顺利持续进行提供了合理的保证依据。

1.压力容器概述

为了使压力容器在确保安全的前提下达到设计先进、结构合理、易于制造、使用可靠和造价经济等目的，各国都根据本国具体情况制定了有关压力容器的标准、规范和技术条件，对压力容器的设计、制造、检验和使用等提出具体和必须遵守的规定[1]。

1.1概念

所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。

1.2用途

压力容器的用途十分广泛。它在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。

1.3设计

压力容器都是采用传统的方法进行设计，它是从基本的薄膜应力出发，同时将其他应力对容器安全性的影响，包括在较大的安全系数之中，实际上，在压力容器中，除了存在着介质压力引起的薄膜应力外，还存在着由于边界效应（如开孔接管或其他曲率小连续部位）引起的局部应力，以及由于热胀冷缩变形受到限制而引起的温差应力等。

上述各类应力的性质及其对安全性的影响各不相同，但是，在以往的压力容器设计中，由于对容器各部分的受力以及它们对容器强度的影响，缺乏全面、精确、深刻的了解，因而只能在设计中采用较高的安全系数，以保证压力容器的运行安全。

传统设计方法是由当时的科学技术水平决定的，在很长一段时间内，这一设计方法对压力容器设计起着积极的推动作用。由于传统设计方法简单易行，具有丰富的使用经验，各国依然采用它进行一般压力容器的设计，如美国的ASME锅炉与压力容器规范第Ⅷ卷第一册和日本标准J1SB8243等。我国压力容器的国家标准GB150也是采用这一方法。但是，压力容器的传统设计方法存在着很大的局限性，其主要缺点是没有区分薄膜应力和其他应力对容器强度的不同影响，片面地认为不管是整体应力还是局部应力，只要达到材料的屈服极限.整个容器便失去正常的工作能力.亦即“失效”。实际上，当局部应力达到材料的屈服极限时，容器大部分区域的应力尚低于这一数值，仍处于弹性状态[2]。

2.压力容器应力分析

2.1边缘效应

以边缘效应为例说明，在目前压力容器设计工作中，不同类型的应力对于压力容器造成的影响也不尽相同。尤其是在近年来的社会发展中，随着压力容器应用的不断增多，不同应力造成的容器功能影响也不断增加，局部应力的影响下甚至会造成容器在使用的时候出现变形以及结构连续不合理等现象。

2.2应力分类原则

以锅炉压力容器规则第三卷第一册诞生为主，世界压力容器的制造和设计发生了一次本质的变革与转折，是从传统的按照规则设计为主的设计模式逐渐形成了以详细的应力分析为基础的评定设计标准和设计方式，这种设计方法的应用是一种更高层次的设计阶段和设计流程。在容器应力分析工作中，分析的方法通常都是将压力容器中存在的各种应力加以分类和总结，分清楚其中的主次关系，根据各种应力的影响来设计出相关的应力标准和质量体系，以保证容器设计工作的安全性、经济性。截至当前，容器应力分析中，其按照不同的性质可以分为一次应力、二次应力和峰值应力三种。

2.3应力分类的标准

实际上，我国现行的压力容器应用标准还存在着一定的不足，诸多部分的内容已经直接应用在分类之中，但是其限制与影响较为严重。在目前的设计工作中，由于应力的限制使得容器本身的体积、形状经常会发生一定的变形，必要的时候还会影响到应力结构的使用寿命。因此在目前的工作中，我们需要以实际情况加以总结和分析，使得工作中的各项要素都能够满足预计需要，避免了压力容器在应用中存在的不足。

3.压力容器回转曲面与回转壳体之间的关系

截至目前，压力容器在社会发展中的应用越来越广泛，其不仅在石油化工业、科研、军事等方面发挥着重要的作用，同时在人类日常生活中也较为常见。而回转曲面与回转壳作为压力容器的重要组成部分，对其进行总结和研究也越来越重要，成为现代化社会发展中深受人们的重视和关注的环节。压力容器作为一项设计专业多、学科复杂的综合性产品结构，其在应用中通过对先进技术、管理策略应用在目前的工作之中，为工作的顺利持续进行提供了合理的保证依据。

3.1回转曲面

回转曲面是动力学中的一种，也是机械制造工作中最为常见的一个环节。其在设计的过程中主要的工作在于确定回转半径的准确、科学，而回转半径又被人们统称为惯性半径，是物体在运转的社会对于惯性的度量和转动惯性量的一个集合体。回转曲面通常都是由回转半径与客体表面形成了一个综合性的运作体系。这种运作模式的存在一方面从惯性运动中推力形成，另外也是将工作中的截面应力合理处置。

3.2回转壳体

所谓的回转壳体主要指的是壳体中间面是由直线或者平面曲线相环绕一周而形成的一种曲面壳体，这种壳体结构在目前的压力容器中应用十分的广泛，也是压力容器外壳设计工作的核心环节。其在应用中通常都是由母线、经线、中间面线、法线等诸多环节构成的。其中母线是形成壳体的原始直线或者曲线，也是整个壳体应用中最为关键的组成成分。

3.3两者之间的应力关系

容器的壁厚度与其最大截面之间的内径之比相差无几，其容器两之间的比值精确度要求极高。在容器的应力设计和分析工作中，应力强度是设计中首先需要解决的话题。由于在容器的设计工作中，回转壳体之上除了存在应有的拉应力和压应力之外，还需要对于其中常见的弯曲应力加以总结和分析，避免在设计工作中由于弯曲应力过大而造成容器整体性出现变化。在实际工作中，理想的薄壁容器课题是不存在的，因为在设计工作中及时壳壁再薄，壳壁之中还会多多少少的存在一些弯曲应力，而这些弯曲应力的存在使得其在理论上存在着一定的限制性要求，同时由于弯曲应力较小而使得其工程计算量大、工程设计环节复杂繁琐。

4.结束语

综上所述，截至目前的压力容器设计中，压力容器回转面与回转壳体之间的应力设计方法得到了有效的完善与改进，同时随着计算机的发展其设计精确度更高、设计标准更为精确。因此，在工作中合理的分析两者之间的应力关系，设计出科学合理的容器对于整个社会发展有着极为关键的意义。

【参考文献】

[1]张宏.压力容器的分析设计软件[J].化工设备与管道，1998（06）.

[2]李建国.压力容器分析设计的一些问题[J].化工设备与管道，2001（03）.