壓力容器的疲勞分析設計的研究

鄭 偉

（溫州市工業設計院，浙江溫州 325003）

壓力容器的疲勞分析設計的研究

鄭 偉

（溫州市工業設計院，浙江溫州 325003）

隨著社會不斷的發展，我國經濟發展水平逐漸提高，工業發展迅速，壓力容器承受循環載荷的情況越來越多，壓力容器的交變載荷主要來自于一些壓力容器的壓力波動、外加載荷的交變以及強迫振動。壓力容器中的結構、格局會出現連續性的集中應力，尤其一些局部塑性區域就會出現疲勞裂紋的現象，從而導致壓力容器出現疲勞破壞的現象發生。隨著壓力容器具有越來越高的耐熱性、耐疲勞性、耐腐蝕性要求，這使壓力容器疲勞分析設計地位日益突出。在對其設計工作時應該保證所制定的設計方案具有一定的針對性與綜合性因素。基于此，對壓力容器的疲勞分析設計進行了簡單的研究。

壓力容器；疲勞分析；設計

壓力容器廣泛應用在石油、化工、動力、冶金、交通等各個領域中，起著非常重要的作用。在其工程實踐過程中，常常會因為開、停車產生的壓力波動，同時壓力容器中也存在著大量的溫度波動、流體的震動，嚴重的話還會導致整個壓力容器出現疲勞腐蝕，容器之間的構件連接出現疲勞失效的現象產生。如果這些問題不能及時解決就會影響壓力容器的安全使用壽命。現階段在對壓力容器開展疲勞分析設計工作時，可以通過基于實驗的疲勞分析設計、以斷裂力學為基礎的疲勞分析設計和設計疲勞曲線的疲勞設計等方法進行操作，只有通過這樣才能找出壓力容器在運行期間存在的不足，并為其制定有效的解決對策，從而保證壓力容器可以安全可靠運行下去。

1 壓力容器疲勞設計概述

壓力容器在常規設計過程中所受應力不隨時間而變化，而實際上壓力容器由于受到載荷條件的影響導致其在工作中應力會隨著時間的變化而變化。在工業中壓力容器在交變載荷作用下進行運行是普遍存在的。比如說，其在運行過程中頻繁的間歇操作和開、停車都會造成工作壓力和載荷的變化；在運行時會出現壓力波動；其在運行期間還會出現周期性溫度變化；如果在受到溫度變化壓力容器的內部構件就會發生膨脹現象；外加的交變載荷也會使壓力容器應力隨著時間呈現周期性的變化[1]。在交變載荷作用下壓力容器的受壓部件中的焊接接頭附近、結構不連續以及開孔接管等區域，會增加局部峰值的應力。而往往壓力容器這些區域中的峰值力較大，比常規的壓力容器的總體薄膜應力可以增加到2～6倍。這些區域對于壓力容器的能否可靠安全運行來說起著非常重要的作用。如果壓力容器運行期間在交變載荷反復作用下，那么壓力容器這些區域的材料晶粒會發生轉移和錯位的現象，嚴重的話還會導致壓力容器發生疲勞斷裂，發生嚴重安全生產事故[2]。

2 壓力容器疲勞設計規范

ASME規范在壓力容器疲勞分析設計過程中，主要對載荷和結構、應力計算、交變應力幅度的求取、設計疲勞曲線的應用等方面進行分析設計來保證壓力容器可以滿足疲勞分析的要求。

在對壓力容器開疲勞分析設計工作時，如果沒有按照相應制定的標準進行，那么就會對整個壓力容器疲勞情況就會出現判斷錯誤的現象，影響其設備使用安全性。要想保證其分析工作科學、合理，目前一般采用通過ASME規范化的形式來開展疲勞分析設計工作。ASME設計方法是以Langer研究基礎而來。通過多個母材制成的光滑小試件進行疲勞實驗，同時還要在恒應變單軸控制的形式下開展疲勞測試，只有這樣才能得到屬于材料疲勞失效的平均壽命曲線，并將壓力容器缺口平均應力的最大值體現出來[3]。在疲勞分析設計過程中，可以將試件中的平均應力對材料的疲勞失效壽命曲線進行調整，并通過設計虛擬應力和循環次數的形式修正疲勞壽命曲線。為了保證所開展疲勞設計工作得到準確的應力強度計算結果，還應對其中應力強度進行彈性分析，減小壓力容器中焊縫局部疲勞強度系數[4]。

3 壓力容器分析設計

壓力容器及有關部件在運行過程中，在不同應力作用之下需要承受各方面的壓力，開展分析設計前需要確定所受載荷作用范圍、強度等條件以此為設計計算條件，再根據計算方法、結構形式做好載荷分析后才能開展其他后續分析。

3.1 壓力容器結構分析

在實際運行期間載荷分析完成后，根據計算條件應對壓力容器整體進行結構定位、分析。在對其做結構分析過程中，還應將其中不連續點和承受局部的載荷元件中的應力部位體現出來，再根據對不同部位的分析以及結構形式和載荷形式建立相對應的力學模型，在設計過程中還應該按照以下幾點開展應力模型的設計工作：①力學模型是壓力容器中重要組成部分，其中的結構尺寸、參數在實際設計過程中要盡量滿足實際結構的需求；②做好力學模型邊界條件和位移約束條件的分析工作，并將其中的條件盡量用簡化方式體現出來；③在彈性范圍內，將力學模型中的多種載荷通過疊加的形式進行簡單處理[5]。

3.2 壓力容器應力分析

應力分析主要用于確定與零件和構件失效有關的危險點的應力集中、應變集中部位的峰值應力和應變。零件和構件的應力分布和大小與其承受的載荷和溫度有關，也與零件的形狀、尺寸和材料性質等有關。對于壓力容器來說應力分析可以有效的對其局部危險點在確定載荷、結構分析的基礎上進行更加詳細的分析，通過應力分析把分析區域中的應力的最大值與最小值體現出來，并分析局部區域應力隨著時間的變化而變化。隨著壓力容器設備不斷發展，計算機科學的不斷發展，應力分析方法也在不斷的發展，目前常見的應力分析方法有：板殼理論分析法、數值分析法以及疲勞實驗法等[6]。

要想保證所開展的分析工作結果可以比較科學、準確，就應該保證計算結果具有完整性和可靠性的特點，減少不必要的工作量，應根據相關數值制定出一個模型。建立模型時應該把壓力容器分為幾個部分進行計算分析，比如接管與封頭的連接工作、裙座與封頭的連接工作、接管與筒體的連接工作等。

3.3 壓力容器的強度評定分析

在對壓力容器的應力分析完成之后，可以將所分析出的結果進行全方面評定，了解其中的評定點與截面，并根據載荷的性質和應力分類準則進行分類，只有這樣才能完成壓力容器疲勞分析工作。

對于壓力容器疲勞部位的確定來說，可以以應力分析為基礎進行分析，保證所開展的分析結構可以滿足應力和二次應力條件的要求，求取交變應力強度幅[7]。同時，還可以利用設計疲勞曲線對其中的疲勞強度進行校對，得出一個科學、合理的評定結果。

4 結束語

隨著現代工業不斷的發展，壓力容器在工業應用條件越來越復雜，壓力容器的疲勞分析設計在各個領域中越來越受到重視。在現代工業中已經有越來越多的新技術、新材料不斷的涌現。可以將現有的分析設計方案不斷創新、完善，只有這樣才能保證分析設計跟上產品發展的腳步，使分析設計更加吻合壓力容器實際情況。

[1] 李歡，魏業清，施杰，梁峰.壓力容器壁厚的有限元分析[J].云南農業大學學報（自然科學版），2014，（4）：549-552.

[2] 劉旭.基于Ansys軟件對壓力容器的應力及疲勞分析[A].中共沈陽市委員會、沈陽市人民政府、中國科學院沈陽分院.第十屆沈陽科學學術年會論文集（信息科學與工程技術分冊）[C].中共沈陽市委員會、沈陽市人民政府、中國科學院沈陽分院，2013：5.

[3] 陳志平，馬躍，方舟，等.球墨鑄鐵制壓力容器國內外法規標準比較[J].壓力容器，2010，（11）：34-38+44.

[4] 鄭連綱，謝海，蘇東川，等.基于ANSYS程序的反應堆壓力容器疲勞裂紋擴展分析方法研究[J].核動力工程，2015，（6）：67-69.

[5] 郜愿鋒，張旭，夏金輝，等.JB4732-1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》與GB150.1～150.4-2011《壓力容器》的分析及比較[J].鍋爐制造，2016，（6）：51-54.

[6] 趙鵬，張雪銘，李強.大開孔疲勞容器應力強度評定與疲勞分析[J].中國特種設備安全，2015，（9）：70-74.

[7] 丁培麗，董金善，何慧慧，等.齒嚙式快開壓力容器參數化系統開發與應用[J].機械設計與制造，2013，（4）：98-100.

Study on Fatigue Design of Pressure Vessel

Zheng Wei

with the continuous development of society，the level of China’s economic development has gradually increased，the rapid development of industry，the pressure vessel subjected to cyclic loading increasing pressure vessel alternating load mainly from the pressure fluctuation，pressure vessel with forced vibration and alternating load.In the structure and pattern of the pressure vessel，there will be continuous concentrated stress，especially in some local plastic regions，which will lead to the phenomenon of fatigue failure. With the increasing of heat resistance，fatigue resistance and corrosion resistance of pressure vessels，the fatigue analysis and design of pressure vessels are becoming more and more important.In the design of the work should ensure that the design of the program has a certain pertinence and comprehensive factors.Based on this，the fatigue analysis and design of pressure vessel is studied in this paper.

pressure vessel；fatigue analysis；design

TH49

A

1003-6490（2017）01-0086-02

2017-01-11

鄭偉（1989—），男，浙江瑞安人，助理工程師，主要研究方向為壓力容器設計。