应力分类概念在压力容器设计中的应用初探

尚英军 王超悌 胡洋

摘要：随着压力容器的广泛应用，其设计工作的重要性也显著提高。基于此，本文主要从一次应力、二次应力、峰值应力三方面入手，细化分析应力分类概念，并从椭圆封头开孔补强中封头厚度设计方面、壳体开孔补强设计方面入手，深入分析应力分类概念在压力容器设计中的实践应用，以期提高压力容器设计的规范性水平，改善压力容器设计质量，为压力容器的广泛应用奠定理论基础。

关键词：应力分类概念；压力容器；一次局部薄膜应力

前言：应力分类设计是指在假定理想弹塑性材料的基础上，精确区分应力位置及载荷性质，并根据区分结果对压力容器进行弹性分析，运用不同强度条件限制不同应力，最终得出符合相关标准的压力容器设计方案。就压力容器设计工作而言，应力分类概念的应用，可有效提高容器设计效率。因此，分析应力分类概念在压力容器设计中的应用具有一定的现实意义。

一、 应力分类

（一）一次应力

一次应力主要包含一次局部薄膜应力、一次总体薄膜应力及一次弯曲应力3种类型。其中，后2种应力主要与实现外载荷平衡有关。这种应力是压力容器的常见应力。

（二）二次应力

二次应力是指，因结构、温度载荷的材料不连续或总体几何不连续而产生的一种特殊应力类型。与其他应力相比，二次应力主要具有以下几种特征：第一，自限性特征。这种特征是指：当二次应力参数达到屈服限值时，导致局部发生流动、变形协调后，变化位置局部的应力值将不再继续增加；第二，局部性。这种特性是指：二次应力多因结构不连续处需达到变形协调而出现。

（三）峰值应力

这种应力是因局部结构不连续，为实现局部结构变形协调、稳定而产生的一种应力类型。通常情况下，峰值应力不会导致结构出现塑性破坏及变形，但当峰值应力反复加载于某结构时，结构可能会产生疲劳破坏。

二、应力分类概念在压力容器设计中的应用

这里主要从以下几方面入手，对应力分类概念在压力容器设计中的应用进行分析和研究：

（一）椭圆封头开孔补强中封头厚度设计方面

通过对压力容器设计GB150-1998标准规程的分析可知，规程中对椭圆封头开孔补强中封头厚度设计规定了两种不同的计算方法（以80%封头内径范围为界）。这种规定方法的原因在于：当开孔超出封头中心80%封头内直径范围后，边缘弯曲应力会对椭圆封头产生影响作用。

为了细化分析椭圆封头开孔补强中封头厚度的设计方法，参照GB150-1998标准，分别将椭圆封头的基本计算数据设计为：材料选用16MnR，压力：3.3MPa；内表面高度：300mm；内直径：1200mm；椭圆封头及筒体厚度均为：12mm，筒体长度参数：2000mm。运用有限元分析方法对上述参数进行应力计算验证后，结果显示：椭圆封头的一次薄膜应力参数为177MPa（接近16MnR材料在计算温度下的许用应力参数）。因此可确认GB150标准符合实践压力容器设计要求。

（二）壳体开孔补强设计方面

壳体开孔补强设计的难度主要在于，壳体开孔接管区域的应力类型难以确定。结合以往实践设计经验可知，峰值应力、一次局部薄膜应力（一次应力）是主流观点公认的应力类型。为了进一步确定壳体、接管连接区域的应力类型，可以运用ASME VIII-2等标准规程中的规定进行验证。ASME VIII-2标准中规定，壳体、接管连接区域属总体结构不连续。此外，实验验证结果表明，当压力容器的内压力参数增长到一定范围时，壳体、接管连接区域会产生塑性变形，即压力容器设计不合理。根据上述分析，可确认二者连接处的应力类型属于一次局部薄膜应力[1]。

在实际设计过程中，可以选用有限元分析法完成局部薄膜应力及压力容器许用应力强度的匹配设计。例如，以φ200X20（内径、壁厚）壳体压力容器设计为例，当该容器接管壁厚参数及接管外径参数分别为12mm、φ379时，有限元分析结果显示，其一次局部薄膜应力参数为257MPa，许用应力强度为282MPa水平，这一参数匹配方式符合压力容器设计要求；当接管壁厚参数及外径参数分别为11mm、φ377时，其一次局部薄膜应力参数增长至291MPa时，其许用应力强度虽未发生变化，参数匹配方式却不合格；当接管壁厚参数及外径参数分别为12mm、φ424时，其一次局部薄膜应力达到307MPa，许用应力强度仍保持282MPa不变，设计成果仍然不合格。因此，在运用有限元分析法进行压力容器设计时，应注意壳体、接管区域的一次局部薄膜应力不应超过限值，以保障压力容器的设计质量。

除了有限元分析法外，等面积补强法也是压力容器设计中的常用方法之一[2]。以壁厚为10mm，壳体内径参数为φ1000的压力容器为例，当该容器的接管壁厚为5mm、接管外径为φ219时，运用等面积补强法进行计算，理论需补强面积为1070mm2，而實际补强面积参数则为1160mm2，设计合格；当压力容器的接管壁厚为5mm，接管外径参数为φ259时，理论需补强面积与实际补强面积分别为1275mm2、1357mm2，设计合格；当压力容器的接管壁厚为6mm，接管外径1为φ412时，理论需补强面积、实际补强面积参数分别为2048mm2、2149mm2，设计合格。但通过对大量等面积补强法压力容器设计经验的分析可知，这种设计方法在实践设计中的应用仍然存在一定的限制[3]。例如，当压力容器开孔直径与筒体直径之比参数较大时，等面积补强法并不适用。对此，为了保障压力容器设计的合理性，实际设计应在遵循应力分类概念的基础上，结合压力容器设计条件及相关要求，选用适宜方法完成压力容器设计。

结论：综上所述，压力容器设计质量会随着计算方法的变化而产生变化。有限元分析法、等面积补强法作为压力容器设计中的常用方法，其在应用条件方面均具有一定的要求。为了避免出现设计不合格问题，应结合压力容器结构的载荷类型、几何形状等信息，综合选用适宜的计算方法，以此规范开展压力容器，促使压力容器实现设计质量、安全性及经济性的平衡。

参考文献：

[1]黄勋. 压力容器应力分类分析设计方法改进研究[D].浙江理工大学，2017.

[2]万兴.压力容器分析设计的安定性载荷计算方法[J].化工设备与管道，2015，52（03）：28-32.