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应力分类和压力容器设计的发展

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摘要:压力容器是在石油化工行业中应用广泛的特种设备。本文主要探讨了应力分类及压力容器设计的发展,以期可以为实现压力容器应用前景的扩大提供良好的参考依据,进一步推动压力容器在石油化工行业中的有效应用,使压力容器为促进石油化工行业的发展做出更好的贡献。

关键词:压力容器;应力分类;压力容器

设计近年来,诸多研究学者纷纷对压力容器的工作原理、性能提高措施等展开了一系列的研究,并取得了良好的研究成果。以往的压力容器设计中,均采用传统方法,也就是基于基本薄膜应力,并统一将其他应力的影响包括在安全系数之中。但是,压力容器及承压部件中,除介质压力导致的薄膜应力之外,还存在因热胀冷缩变形受限而导致的温差应力以及因边界效应而导致的局部应力等[1]。因此,有必要加强对应力分类的研究,以明确不同应力对压力容器安全性的影响,提高压力容器设计的科学性、合理性。

1应力分类

1.1一次应力

一次应力指的是,因外载荷影响,在压力容器部件之中出现的剪应力或者是正应力。一次应力超过材料屈服极限的时候,就会出现变形破坏。其可以分为以下几种:第一,总体薄膜应力。包括因内压而在球形壳体或圆筒形中出现的薄膜应力,总体薄膜应力在整个壳体上均有分布,应力超过材料屈服极限的时候,沿壳体壁厚的材料一起屈服。第二,局部薄膜应力。其指的是在局部范围之中,因机械载荷、压力所导致的薄膜应力。包括压力容器支座处因力和力矩引起的薄膜应力。第三,一次弯曲应力。因内压作用的影响,于平板盖中央位置出现的弯曲应力。为直线分布,内压较大的时候,上、下表面位置屈服,其他部位为弹性状态,载荷继续增加,沿板厚的分布,应力将进行重新调整。

1.2二次应力

二次应力指的是,因压力容器部件自身受到约束而出现的剪应力或者是正应力。二次应力满足变形协调条件。如,在半球形封头、薄壁圆筒的连接位置,由于受到内压的作用,两者出现不同的径向位移,因此,连接部位两者是互相约束的关系,出现变形协调,这样的情况下,连接部位出现了附加的剪力、弯矩,进而引起二次应力。二次应力具有自限性,也就是局部范围之中的材料出现小量变形或者是屈服的时候,相邻部位间的约束缓和,变形也逐渐趋于协调,不会继续发展,将应力限制在一定范围之内[2]。基于此,二次应力叠加其他应力之后,若是应力不高于规定值,则不会导致压力容器的损坏。1.3峰值应力小孔边缘、小圆角半径以及接管根部等局部区域,因结构形状突变或者是载荷,导致局部压力集中,便出现了峰值应力,其应力值最高。峰值应力是脆性断裂、疲劳破坏的可能根源,不会导致整个结构出现明显变形。局部热应力属于峰值应力,因为其不会导致整个结构出现明显变形。

2压力容器设计的发展

随着压力容器应用范围的不断扩大,研究领域中不断加强了对压力容器的研究,从而推动着压力容器设计的不断发展与进步。针对压力容器设计问题,我国已经建立了多种标准,例如,“JB4732-95”,其是以分析设计为主要内容的钢制压力容器的设计标准,其中提出了以弹塑性失效准则、塑性失效准则、弹性应力分析为基础的设计手段。再如,“GB150-89”“GB713-2014”“GB3531-2014”“NB/T47014-2011”“NB/T47015-2011”“GB/T18182-2012”等标准中,对于压力容器的选材、制造、质量检验以及验收等提出了十分严格的要求。“JB4732-95”中提出的应力分析设计方式,具有一定的先进性与合理性,但需要复杂的、大量的分析计算,必须应用电子计算机,设计十分复杂,成本较高,因此,应力分析设计的应用范围并不广泛,只有对重要的、高参数的压力容器进行设计的时候,才会使用应力分析设计方法。对常规压力容器来说,通常采取传统设计方法,不仅可以满足安全需求,且简便易行,因此,一直以来在压力容器设计中占据着主流地位[3]。但若是详细进行应力分析,可以在一定程度上减少钢材的使用,但在很大程度上提高了压力容器设计、压力容器制造的成本,经济性较差。针对这样的情况,ASME规范对传统设计方式与应力分析方式两种设计准则的适用范围进行了规定。计算机技术的不断发展以及计算机硬件、软件的不断完善,使压力容器分析设计方法获得了越来越多的认可与应用,且在实际工程项目中发挥出了良好的作用。我国建立了“JB4732-95”行业标准与“GB150-89”国家标准,以便于用户可以根据不同需求进行合理选择。

3结语

综上所述,压力容器有着十分广泛的应用范围,为提高压力容器设计的经济性、合理性、安全性及可靠性,应详细地对作用于压力容器上的应力进行分类,针对不同应力,限制范围也要有所不同,同时,也要根据实际情况,合理选择压力容器设计方法,才能确保压力容器的运行安全,使压力容器为推动我国工业化建设进程的加快提供更好的帮助。

参考文献:

[1]陈学东,范志超,陈永东,崔军,章小浒,王冰,艾志斌.我国压力容器设计制造与维护的绿色化与智能化[J].压力容器,2017,34(11):12-27+11.

[2]李新.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].石化技术,2017,24(05):30+44.

[3]张学力.试论压力容器设计中开孔补强设计的应用[J].石化技术,2016,23(09):68+59.

作者:胡艳兴 单位:中油辽河工程有限公司

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