鋼制壓力容器分析設計及管道應力分析研究

范連東

摘 要： 隨著社會經濟發展及科學技術進步，鋼制壓力容器與管道等過程裝備的安全性與經濟性越來越被人們所關注，鋼制壓力容器和管道應力分析越來越被重視，兩者在理論基礎、應力組成、校核條件以及分析目的等方面都存在一定的差異。基于此，本文從二者的行業標準、理論基礎、應力種類以及校核條件等方面進行了對比分析，以期為鋼制壓力容器分析與設計和管道應力分析提供一定的借鑒。

關鍵詞： 鋼制壓力容器；管道；應力種類；校核標準；差異

1管道應力分析與壓力容器設計設計標準與理論基礎

目前，國內基于應力的分析與設計標準為JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》，在分析與設計的過程中可以借助ANSYS和VAS應力分析軟件，較為方便。相對于壓力容器設計標準，國內還沒有制定管道應力分析與設計相關標準，針對管道應力分析與設計仍是參考ASME B31中的設計標準，分析與設計主要使用美國的CAESAE軟件，管道應力分析與設計側重的不僅僅是局部應力分析，而且還涉及到管道整個體系的應力分析，所以在管道優化設計的過程中應用十分廣泛。對于壓力管道應力分析，其目的在于保障壓力管道體系及附屬設備和附屬建筑結構的安全；而對于壓力容器分析與設計，主要是科學合理的設計壓力容器以保障壓力容器的安全，并在此基礎上要注重節約設計和制造成本。壓力容器分析與設計和管道應力分析二者采用的方法都為力學中最為常用的有限元分析法，因而二者在理論基礎以及實踐操作上都有很大的相似之處。

2鋼制壓力容器分析設計與管道應力分析

鋼制壓力容器分析與設計以彈性應力分析為基礎，采用下限載荷理論的分析設計方法。根據材料力學中的極限載荷下限的定理可知任何靜力容許場所對應的載荷都為極限載荷的下限，如果應力的分布沿著厚度方向呈線性分布，那么就可以滿足應力場分析方法的要求。為了不使應力場中的任何一點超出材料屈服的極限，需要要求薄膜應力與彎曲應力之和小于材料屈服極限。對于不同的鋼制壓力容器，只要其應力場分布滿足平衡屈服條件即可而不需要呈線性分布，在實際設計過程中需要滿足線性材料的模型，最小形變理論，Mises屈服準則以及塑性流的相關理論，以下圖為例來具體說明鋼制壓力容器的分析設計過程：

首先以SCL相同的方式來對極限分析線進行定義[ SCL：廣泛的安全檢查表法。]，并確定局部坐標系下所分布的各應力分量，其次分別計算作用在LAL上應力分量的合力與合力矩，計算應力的階梯式分布，沿著極限分析線來確定Mises應力分布，確定極限應力的最小值，計算屈服強度的壁厚，最后計算每條極限分析線的極限載荷。

管道應力分析涉及的方面較多，分為靜力分析與動力分析。其中靜力分析的內容主要包括對壓力載荷以及持續載荷下一次應力的計算，可以有效防止塑性變形；管道中由于熱脹冷縮、斷點位移作用下的二次應力計算可以防止金屬疲勞所產生的形變；管道對設備的應力計算，可以有效控制作用力在設備可承受的范圍之內。管道吊架的計算，可以為吊架的設計提供依據；管道法蘭受力計算可以防止法蘭泄漏。動力分析主要包括管道自振頻率分析，管道的強迫振動分析，往復式壓縮氣柱的頻率分析等。

3鋼制壓力容器設計與管道應力種類

鋼制壓力容器與管道應力分析二者所采用的分析模型分別為薄壁模型和厚壁模型。其中薄壁模型假設應力壁厚是均勻分布的，在很大程度上忽略了彎曲所導致的應力，這種方法經常被用在鋼制壓力容器應力分析與設計過程中。而厚壁模型則以應力沿著壁厚是可以變化的認識為基礎，考慮到彎曲所形成的應力。所以從這個角度來看，厚壁模型相對于薄壁模型更加的準確。并且在ASME B31對二者的適用情況進行了規定，一般認為當管壁的壓力大于43MPa的時候薄壁模型已經無法適用，而應該采用厚壁模型來對管道的應力進行分析。在壓力容器與管道應力分析的過程中涉及到的應力種類較多，由于不同種類的應力對設備的損壞和威脅程度不同，因而針對不同種類的應力都有相應的校核標準，以確保壓力容器與管道的安全。壓力容器設計過程中所涉及到的應力主要包括一次應力（主要是為了平衡壓力或者機械負荷所需要的法向力或者剪應力）、二次應力（主要是為了滿足局部約束條件或者是避免結構形變所必須的法向的應力或者剪應力）、峰值應力（主要是指由于局部的結構不連續或者熱效應所引起的附加在一次應力上的增量），在這當中一次應力又包括總體的薄膜應力、一次薄膜應力和一次彎曲應力；二次應力主要包括邊緣應力以及溫度應力。在管道應力分析過程中主要用到了應力增大系數參數，而應力增大系數主要是通過疲勞測試得到。并且在管道應力分析的過程中一次應力指的是應力縱向組合的和，但并不是在所有情況下都能為最大的應力。

4壓力容器與管道應力校核條件

4.1壓力容器

鋼制壓力容器在分析與設計過程中前面所述的各種應力條件在假設載荷組合的系數為1的時候各種校核條件分別為：（1）一次總體薄膜應力小于許用應力.（2）一次局部薄膜的應力小于1.5倍的許用應力.（3）一次總體薄膜應力或者是一次局部薄膜應力和一次彎曲的應力之和應當小于1.5倍的許用應力。（4）一次總體薄膜的應力或者一次薄膜局部的應力與一次彎曲的應力之和與二次應力之和應當小于3倍的許用應力。（5）一次總體薄膜的應力或者是一次薄膜局部的應力和一次彎曲的應力以及峰值應力之和應當小于2倍的許用應力的幅值，許用應力以及許用應力的幅值可以通過測試過程中的疲勞曲線獲得。在上述校核條件中，由于一次薄膜總體應力的影響范圍較大，涉及到容器的整個結構因而最為危險，所以一次總體薄膜的應力小于許用應力該條件最為嚴格。另外一次局部薄膜的應力應當小于1.5許用應力，考慮到一次局部薄膜應力的自限性和衰減因而此控制條件可以在一定程度上放寬。校核條件3是根據矩形截面的彎梁極限分析而得到的結果，因而充分考慮到了屈服應力充分分布的情況，所以可以適當的放寬要求。校核條件4通過對結構的應力分析而得到的，條件5是根據疲勞測試而得到的，但是在實際的情況通常循環次數較低，只要滿足校核條件4就一定能滿足校核條件5。而對應的管道應力分析的過程中各種條件分別為：一次應力應當小于熱態許用應力，二次應力應當小于應力范圍減小系數與1.25倍冷態許用應力和0.25倍的熱態許用應力之和的乘積，通常情況下應力范圍減小系數的取值與循環次數有直接的關系，一般取值范圍為0.3到0.9之間。

4.2容器管道

管道應力分析主要以ASME B31為標準，工藝管道的應力校核條件主要包括以下幾個方面：（1）一次應力的校核條件只是針對管道縱向的組合應力，而與其他強度理論無關，二次應力主要基于最大剪應力理論。（2）在對管道進行應力分析的過程中沒有考慮局部薄膜應力和一次彎曲應力，因而一次應力僅指總體薄膜應力。（3）工藝管道的二次應力校核條件主要針對安全性，理論基礎與壓力容器的一次應力和二次應力完全相同，校核條件也一致，主要是為防止低周期的疲勞破壞。（4）在管道設計的校核條件中引入了應力范圍系數，該系數與循環次數相關，如果循環次數較大那么對應力變化的范圍需要進行限制，進而在一定程度上防止疲勞而造成對管道的損壞。

結語

通過對壓力容器應力分析與管道應力分析二者的對比分析發現，二者在分析的目的，分析過程中所依據的理論基礎以及應力種類和校核條件方面都存在著一定的差異，因而在后續壓力容器與管道的分析設計過程中應當將二者區分開來，充分保障壓力容器和管道的設計安全與其經濟性。

參考文獻

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