張微

摘? 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合水平的迅速發(fā)展，各類型工藝裝置不斷朝著大型化以及功能多樣化的方向發(fā)展。以鋼制壓力容器以及鋼制壓力管道為例，本文從應(yīng)力分類、應(yīng)力校核條件等方面對(duì)鋼制壓力容器的分析設(shè)計(jì)以及管道應(yīng)力分別進(jìn)行簡(jiǎn)單的研究分析以及比較。

關(guān)鍵詞：鋼制壓力容器;壓力管道;應(yīng)力校核;應(yīng)力分析

為了保證鋼制壓力容器以及鋼制壓力管道能夠很好地滿足各類不同的需求，其相關(guān)的分析設(shè)計(jì)則至關(guān)重要。分析過程中發(fā)現(xiàn)，鋼制壓力容器的分析設(shè)計(jì)以及鋼制壓力管道的應(yīng)力分析在某些方面存在著一定的相似性，而有些方面則具有差異性。在本文中，我們便對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的研究分析，從而對(duì)其存在的相似性以及差異性進(jìn)行了解。

一、鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)以及管道應(yīng)力分析的比較

科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高使得工藝裝置逐漸朝著大型化的方向發(fā)展，以鋼制壓力容器為例，大型化的鋼制壓力容器與普通鋼制壓力容器的設(shè)計(jì)并不相同。大型化的鋼制壓力容器設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)依托詳細(xì)的應(yīng)力分析報(bào)告，同時(shí)，需要借助相關(guān)的分析工具以及采用科學(xué)有效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)切實(shí)保證應(yīng)力分析的可行性。以加氫反應(yīng)器為例，其單體重量高達(dá)一千多噸，基于應(yīng)力分析設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)可比普通設(shè)計(jì)方法減輕設(shè)備重量大約百分之二十，從而可以有效節(jié)省1000～1200萬(wàn)的成本投資?；诖?，應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法在鋼制壓力容器以及壓力管道的應(yīng)用過程中所涉及的范圍越來(lái)越廣泛。只是當(dāng)前環(huán)境下，針對(duì)壓力容器具有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而壓力管道則暫時(shí)還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。但是壓力管道的應(yīng)力分析在應(yīng)用過程中具有重要的意義，管道應(yīng)力分析過程中必須對(duì)整個(gè)管系進(jìn)行應(yīng)力的分析以及判定，從而可以決定相關(guān)設(shè)計(jì)的可行性高低以及是否具備優(yōu)化升級(jí)的可能。

應(yīng)力分析根據(jù)應(yīng)力性質(zhì)可以簡(jiǎn)單分為動(dòng)力分析以及靜力分析，其中動(dòng)力分析主要包括管道的固有頻率分析、沖擊載荷作用下管道的應(yīng)力分析、往復(fù)壓縮機(jī)（泵）管道氣（液）柱的固有頻率分析以及管道壓力脈動(dòng)分析等，不同類型的動(dòng)力分析具有不同的作用，例如管道固有頻率分析可以有效防止管道系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象，而沖擊載荷作用下管道的應(yīng)力分析則主要可以在一定程度上最大限度避免管道振動(dòng)以及應(yīng)力過大等情況的出現(xiàn)。除此之外，往復(fù)壓縮機(jī)（泵）管道的壓力脈動(dòng)分析還可以在一定程度上控制壓力脈動(dòng)值。

二、鋼制壓力容器以及管道應(yīng)力分類

鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)采用了厚壁模型，而壓力管道應(yīng)力分析則采用了薄壁模型。不同的模型內(nèi)應(yīng)力具有不同的特點(diǎn)，厚壁模型中應(yīng)力沿壁厚可以變化，其存在彎曲應(yīng)力。與厚壁模型不同，薄壁模型中應(yīng)力均勻分布，且其忽略了彎曲應(yīng)力?；诤癖谀Ｐ鸵约氨”谀Ｐ椭袘?yīng)力的特點(diǎn)，在進(jìn)行應(yīng)力分析過程中應(yīng)該采用厚壁模型，厚壁模型下的應(yīng)力分析較薄壁模型而言精確度更高。但無(wú)論是鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)還是管道應(yīng)力分析，皆需要遵循安全裕度原則。在鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)中，應(yīng)力有著不同的分類，不同的應(yīng)力具有不同的定義。

三、鋼制壓力容器以及管道應(yīng)力校核條件的比較

在本節(jié)中，將分別對(duì)鋼制壓力容器以及鋼制壓力管道應(yīng)力的校核條件進(jìn)行分析比較。

首先我們對(duì)鋼制壓力容器的校核條件進(jìn)行說明，其可以細(xì)分為五類，第一類為一次局部薄膜應(yīng)力PL，PL≤1.5[σ];第二類為一次總體薄膜應(yīng)力PM，PM≤1.5[σ];第三類為一次局部薄膜應(yīng)力PL或者一次總體薄膜應(yīng)力PM與一次彎曲應(yīng)力Pb相加所得之和不大于1.5[σ]，用公式表達(dá)為PL（PM）+Pb≤1.5[σ];第四類為一次局部薄膜應(yīng)力PL或者一次總體薄膜應(yīng)力PM與一次彎曲應(yīng)力Pb以及二次應(yīng)力Q相加所得之和不大于3[σ]，用公式表達(dá)為PL（PM）+Pb+Q≤3[σ];第五類校核則為一次局部薄膜應(yīng)力PL或者一次總體薄膜應(yīng)力PM與一次彎曲應(yīng)力Pb、二次應(yīng)力Q以及峰值應(yīng)力F相加所得之和不大于2S，用公式表達(dá)即為（PM）+Pb+Q+F≤2S。

在上述五類鋼制壓力容器的校核條件中，主要涉及到的參數(shù)有[σ]以及S，其中[σ]為許用應(yīng)力，S為許用應(yīng)力幅值，理論上二者皆可以通過疲勞曲線的設(shè)計(jì)來(lái)獲得，但在實(shí)際計(jì)算過程中，往往需要考慮不同載荷作用下的影響以及壓力試驗(yàn)的具體情況。以上五類鋼制壓力容器的校核條件的適用條件各不相同，由于一次總體薄膜應(yīng)力具有無(wú)自限性的特點(diǎn)，因此其具有非常高的危險(xiǎn)性，所以第一類校核條件相對(duì)最為嚴(yán)格;而在第二類校核條件下的一次局部薄膜應(yīng)力由于其自身具有的衰減性以及自限性而使得其相應(yīng)的控制條件可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)放寬;另外，由于第三類鋼制壓力容器的校核條件主要是根據(jù)矩形截面純彎梁的極限分析結(jié)果合理分析延伸而來(lái)，因此在充分考慮屈服作用下其應(yīng)力可以再進(jìn)行重新分布的情況下，其控制條件同樣可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)放寬;第四類校核條件主要基于結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性來(lái)獲得，通常情況下，在循環(huán)次數(shù)較低時(shí)，只要保持結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，便可以在一定程度上降低甚至避免疲勞破壞造成的影響;最后，第五類鋼制壓力容器的校核條件主要用于需要對(duì)疲勞破壞進(jìn)行詳細(xì)分析的場(chǎng)合。

另外，與鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)相比，鋼制壓力管道的應(yīng)力校核條件具有以下四個(gè)特點(diǎn)。鋼制壓力管道應(yīng)力校核條件的第一個(gè)特點(diǎn)主要體現(xiàn)為一次應(yīng)力校核條件只負(fù)責(zé)校核鋼制壓力管道縱向產(chǎn)生的組合應(yīng)力，一次應(yīng)力不需要遵循其他應(yīng)力所需要遵循的強(qiáng)度理論，而二次應(yīng)力校核條件在實(shí)際分析過程中則采用最大剪應(yīng)力理論;在對(duì)鋼制壓力管道進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，并不需要對(duì)一次彎曲應(yīng)力以及一次局部薄膜應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，故鋼制壓力管道的一次應(yīng)力便為一次總體薄膜應(yīng)力;二次應(yīng)力中，由于鋼制壓力管道二次應(yīng)力的應(yīng)力校核條件重點(diǎn)依據(jù)于穩(wěn)定性條件，當(dāng)其理論基礎(chǔ)與鋼制壓力容器中應(yīng)力校核條件相對(duì)吻合時(shí)，可以有效避免低周疲勞破壞的產(chǎn)生;除了上述三個(gè)特點(diǎn)外，鋼制壓力管道應(yīng)力校核條件的最后一個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)為由于鋼制壓力管道二次應(yīng)力校核條件中涉及到應(yīng)力范圍減少系數(shù)，此時(shí)如果循環(huán)次數(shù)較高，則許用應(yīng)力變化范圍受限，從而可以有效避免高周疲勞破壞的產(chǎn)生。

基于以上所述的分析比較，鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)與壓力管道應(yīng)力分析各自具有不同的特點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中鋼制壓力管道的使用性質(zhì)與鋼制壓力容器的原理性質(zhì)基本相似。

總之，鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)較鋼制壓力管道應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)而言更為嚴(yán)密，其側(cè)重點(diǎn)并不相同，鋼制壓力容器與鋼制壓力軌道二者相互配合使用，可以在一定程度上最大限度保證安全生產(chǎn)服務(wù)，從而保證滿足實(shí)現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]張平.鋼制壓力容器靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)研究[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2017，43（12）：107-108.

1796500520231