制冷壓力容器中應(yīng)力集中及改善措施探討

龔　本，李　軍，金國(guó)民

(武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，湖北 武漢430023)

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制冷壓力容器中應(yīng)力集中及改善措施探討

龔本，李軍，金國(guó)民

(武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，湖北 武漢430023)

摘要:對(duì)應(yīng)力集中現(xiàn)象及概念進(jìn)行了闡述，同時(shí)對(duì)制冷壓力容器設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中可能導(dǎo)致應(yīng)力集中的因素進(jìn)行歸納總結(jié)，并提出了具體的改善應(yīng)力集中的措施，方便大家探討。

關(guān)鍵詞:制冷壓力容器；應(yīng)力集中；改善措施

制冷壓力容器的設(shè)計(jì)計(jì)算大多是建立在強(qiáng)度理論基礎(chǔ)上，采用彈性失效和穩(wěn)定性失效準(zhǔn)則，應(yīng)用薄殼理論和平板理論來(lái)求解結(jié)果[1]。通過(guò)對(duì)制冷壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析，我們可以得到一些啟示，即制冷壓力容器設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的某些結(jié)構(gòu)規(guī)定和制造要求，都是基于改善其應(yīng)力分布，降低應(yīng)力集中而達(dá)到提高其承壓的安全性和使用壽命的目的。為了提高制冷壓力容器的安全性，除了對(duì)制冷壓力容器設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了完善外，在其設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中也要注意應(yīng)力集中現(xiàn)象并使之盡量減小。

1應(yīng)力集中概念

材料會(huì)由于截面尺寸的突然改變而引起應(yīng)力的局部增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力集中。承受軸向拉伸、壓縮的構(gòu)件，只有在離加力區(qū)域稍遠(yuǎn)且橫截面尺寸又無(wú)劇烈變化的區(qū)域內(nèi)，橫截面上的應(yīng)力才是均勻分布的。然而在實(shí)際構(gòu)件中，有些零件常存在開(kāi)孔、切口、切槽、油孔、螺紋等，致使這些部位上的截面尺寸發(fā)生突然變化。如開(kāi)有圓孔和帶有切口的板條，當(dāng)其受軸向拉伸時(shí)，在圓孔和切口附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力的數(shù)值劇烈增加，而在離開(kāi)這一區(qū)域稍遠(yuǎn)的地方，應(yīng)力迅速降低而趨于均勻。這時(shí)，橫截面上的應(yīng)力不再均勻分布，這已為理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)[2]。截面尺寸突變部位的最大應(yīng)力σmax與同一截面上的平均應(yīng)力σ之比，用α表示：

稱(chēng)為理論應(yīng)力集中系數(shù)，它反映了應(yīng)力集中的程度，是一個(gè)大于1的系數(shù)，而且試驗(yàn)結(jié)果還表明：截面尺寸改變?cè)絼×遥瑧?yīng)力集中系數(shù)就越大[3]。

在靜荷載作用下，各種材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度是不同的。塑性材料，比如低碳鋼，具有屈服階段，當(dāng)截面上的最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，該處材料首先屈服，應(yīng)力暫時(shí)不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應(yīng)力就由截面上尚未屈服的材料承擔(dān)，使截面上其他點(diǎn)的應(yīng)力相繼增大到屈服極限，該截面上的應(yīng)力逐漸趨于平均；而脆性材料，則沒(méi)有屈服階段。

2制冷壓力容器在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中存在的應(yīng)力集中

應(yīng)力集中是由于壓力容器幾何形狀的突變，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，而引起彈性變形的不連續(xù)，當(dāng)應(yīng)力集中部位兩側(cè)殼體的彈性變形相互約束必然產(chǎn)生邊緣力和邊緣彎矩，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，制冷壓力容器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于使用要求及工藝需要，會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變不連續(xù)的情況；在制造過(guò)程中，因?yàn)榧庸ず椭圃齑嬖诓豢茖W(xué)的情況，會(huì)出現(xiàn)機(jī)械損傷，以上都有可能造成應(yīng)力集中。

2.1結(jié)構(gòu)不連續(xù)處

在制冷壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，在結(jié)構(gòu)突變尺寸不連續(xù)的部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，詳見(jiàn)下文。

2.1.1封頭與筒體的連接

在制冷壓力容器設(shè)計(jì)中，一般采用回轉(zhuǎn)筒體和成型封頭，在筒體和封頭的連接處存在結(jié)構(gòu)突變和不連續(xù)，是應(yīng)力集中的部位。通常制冷壓力容器在使用時(shí)要拼裝成機(jī)組或撬塊在室內(nèi)安裝，安裝場(chǎng)地的限制要求制冷壓力容器結(jié)構(gòu)需緊湊。因平蓋封頭可縮小設(shè)備體積，減小占地面積，故在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中使用較為頻繁。通過(guò)應(yīng)力分析可知，平蓋封頭與筒體的連接部位存在很高的應(yīng)力集中。

2.1.2 性能不同的材料連接

由于工作介質(zhì)不同，在制冷壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)部件的材料可能會(huì)有所差異，比如用于石油化工行業(yè)的管殼式冷凝器中，通常會(huì)要求換熱管使用不銹鋼材料，而管板使用碳鋼材料，這樣換熱管和管板因是不同性能的材料焊接在一起，就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

2.1.3 插入式接管與筒體連接

因功能需要和工藝要求，通常會(huì)在制冷壓力容器的筒體或封頭或其他需要的部位上開(kāi)孔，并焊接接管，比如工作介質(zhì)的進(jìn)出口、排氣口、排污口等。在接管與筒體的連接部位有結(jié)構(gòu)突變和不連續(xù)，存在很高的應(yīng)力集中。

2.1.4 長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭與筒體或接管的不等厚連接

長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭通常是標(biāo)準(zhǔn)件，其連接小端的厚度是固定的，而筒體或接管的厚度由于設(shè)計(jì)條件的不同是可變的，當(dāng)長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭與筒體或接管不等厚對(duì)接時(shí)會(huì)造成局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，在對(duì)接部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2焊接缺陷部位

焊接是制冷壓力容器制造的重要工序。焊接接頭具有十分明顯的不均勻性。焊接接頭熱影響區(qū)的不同部位在焊接過(guò)程中經(jīng)受不同的熱作用，因而具有不同的組織與性能；焊接的缺陷(咬邊、夾渣、氣孔、裂紋、余高過(guò)高等)又會(huì)造成截面上受力不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中。

2.3機(jī)械損傷部位

制冷壓力容器在加工制造過(guò)程中，大的部件在加工組裝過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)不同程度的碰撞、劃痕、磕傷等機(jī)械損傷，比如，筒體的卷制吊裝、管板的加工、封頭與筒體的組裝、管箱管束的安裝等，而這些損傷的部位存在應(yīng)力集中。

3改善應(yīng)力集中的措施

3.1選擇合適封頭型式

從應(yīng)力分布情況分析，封頭從最好到最差的排列順序依次為：半球型封頭、橢圓型封頭、蝶形封頭、無(wú)折邊球型封頭和平封頭，從受力、制造和材料消耗等方面綜合考慮，壓力容器封頭形式采用橢圓型封頭最為合適。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量選擇橢圓型封頭，可改善受力結(jié)構(gòu)和應(yīng)力集中。

3.2選擇性能相同或相近的材料

從減小應(yīng)力集中出發(fā)，減少兩連接件的剛度差，即減少兩連接件在內(nèi)壓作用下所引起的自由變形不協(xié)調(diào)量。因而，在均勻載荷作用下，減小兩連接件的剛度差，就能減少兩連接件上的不連續(xù)應(yīng)力。因此，在制冷壓力容器設(shè)計(jì)選材過(guò)程中，兩連接件的材料性能盡量相同或相近，使之剛度相近，可改善應(yīng)力集中。

3.3減小各種類(lèi)型的棱角

在制冷壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)采取有效措施，使不同類(lèi)型的圓弧圓角半徑得到合理的擴(kuò)大，在尖銳的拐角處，可以進(jìn)行倒圓或倒角設(shè)計(jì)，這一系列措施可以避免壓力容器在使用過(guò)程中，因?yàn)槎啻纬惺芡饬ψ饔枚l(fā)生應(yīng)力集中，例如，在接管與筒體的連接處采用倒圓角設(shè)計(jì)可以使連接部位的應(yīng)力值降低30%。

3.4不等厚連接部位削薄過(guò)渡

由于應(yīng)力集中具有局部性，在制冷壓力容器的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中只能做局部處理，改善邊緣結(jié)構(gòu)。

【】【】例如長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭與筒體或接管不等厚對(duì)接時(shí)，在同一內(nèi)壓作用下由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致自由變形的不協(xié)調(diào)，會(huì)在連接部位的一定范圍內(nèi)引起較大的應(yīng)力集中。為減小應(yīng)力集中，宜將長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭與筒體或接管連接一端在一定范圍內(nèi)做成削薄過(guò)渡。

3.5打磨焊縫余高

在焊接過(guò)程中，焊縫余高過(guò)高，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)造成應(yīng)力集中。另外余高肯定有缺陷，這種缺陷很可能是產(chǎn)生疲勞裂紋的核，這些缺陷在外載荷作用下會(huì)形成疲勞擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致斷裂。中國(guó)和日本曾經(jīng)聯(lián)合做過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有焊縫余高的設(shè)備比打磨后沒(méi)有余高的設(shè)備使用壽命短2.0～2.5倍[3]。因此，若有條件，建議對(duì)焊縫余高進(jìn)行打磨處理。

3.6修復(fù)機(jī)械損傷

對(duì)制冷壓力容器制造過(guò)程中無(wú)意造成的劃痕、損傷等應(yīng)盡量修復(fù)，磨平，減小結(jié)構(gòu)突變，可以改善應(yīng)力集中。

4結(jié)論

制冷壓力容器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可避免的需要開(kāi)孔和支承等附件，這些附件容器幾何結(jié)構(gòu)的連續(xù)性破壞，在吊裝和焊接的過(guò)程中也不可避免的會(huì)出現(xiàn)損傷和焊接缺陷，以上均會(huì)造成局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中易引起壓力容器的疲勞破壞和脆性裂口，因此采取合適的措施使應(yīng)力集中降至最低的程度，是壓力容器設(shè)計(jì)和制造中必須引起足夠重視的關(guān)鍵問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李世玉.壓力容器工程師設(shè)計(jì)指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.

[2] 彼德遜 R E.設(shè)計(jì)中的應(yīng)力集中系數(shù)[M].劉純仆，譯.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1965.

[3] 米谷茂.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[4] NB/T 47012—2010制冷裝置用壓力容器[S].

Study on Stress Concentration and Improvement Measures in Refrigeration Pressure Vessel

GONG Ben, LI Jun, JIN Guomin

(Wuhan New World Refrigeration Industrial Co.，Ltd.，Wuhan 430023, China)

Abstract:The stress concentration phenomenon and concepts are described, and refrigerating pressure vessel design and manufacturing process can cause stress concentration factors were summarized, and put forward the concrete improvement stress focused on measures to facilitate discussion.

Key words:refrigeration pressure vessel；stress concentration；improvement measures

收稿日期：2016-03-11

中圖分類(lèi)號(hào)：TB657

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7804(2016)03-0014-03

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.004

作者簡(jiǎn)介：

龔本(1981)，工程師，就職于武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域：壓力容器設(shè)計(jì)及制造。E-mail：gongbenwh@163.com