壓力容器應力分類及其在邊界效應中的應用

閆巍

摘 要：壓力容器是我國化工行業廣泛應用的特種設備，對于化工行業的穩定生產和持續經營有著至關重要的作用。一般情況下，壓力容器尺寸越大，操作壓力和溫度越高，相應的形狀和結構會越來越復雜，對于壓力容器的安全可靠性能的要求也相對比較嚴格。本文主要針對壓力容器應力分類以及在邊界效應中的應用進行探討，希望能為壓力容器的合理應用提供一定的參考。

關鍵詞：壓力容器;應力分類;邊界效應

一、引言

科學在不斷的進步，工業技術也在不斷的發展，壓力容器在工業生產中也逐漸進步，使得工業生產效率以及生產出產品的質量都有了很大的提升，同時相關學者也開始針對壓力容器的應力進行科學研究，使得壓力容器更加科學，用起來更加安全，為提升工業化生產的效率提供一定程度的技術支持。

二、壓力容器的應力分類

（一）一次應力與二次應力

由于外部荷載產生的影響，一次應力主要是指在壓力容器內部所出現的剪切應力或者是正向應力。通常條件下，如果一次應力可能會使材料出現一定程度的變形。這種應力主要可以分為以下三種：總體薄膜應力、局部薄膜應力及一次彎曲應力。總體薄膜應力主要是指由于內部壓力導致的圓筒形或者是在球形殼體中所出現的薄膜應力，如果應力能夠在殼體中呈現出均勻分布的狀態，會使得體壁厚的材料只出現屈服的現象。局部薄膜應力主要是指機械壓力在一定的范圍內，由于機械荷載而產生的薄膜應力。一次彎曲應力的產生原因是內部壓力作用造成的，二次應力本身具有一定的限制性，主要是指壓力容器的零件本身在受到一定程度的約束時，所產生的正向應力或者是剪切應力。當在一定范圍之內，材料出現了一定程度的屈服，或者是出現了不同程度的變形時，相鄰部位之間所產生的相互作用會逐漸降低。另外所產生的變形也會漸漸的在一定范圍內波動，并且逐漸趨于協調，不會繼續向下發展。二次應力需要滿足協調變形的條件，半球形封頭以及薄壁圓筒相互連接的地方會受到內部壓力的作用，并且向不同的部位出現徑向位移。由于這二者之間相互連接得到一定的約束，會產生變形協調連接部位，出現附加的剪力進而產生二次應力[1]。

（二）彈性補償法

所謂的彈性補償法是指高臺應力單元的彈性模量發生了降低，但是增加應力單元彈性模量，彈性補償法管道系統應力分類中得到了廣泛的應用，并且在壓力容器的分類中具有非常重要的作用。通過模擬一次結構的非彈性響應能夠使用彈性補償法來計算有關于彈性有限元的應力。在實際應用壓力容器的過程中，在一個迭代的有限元分析程序當中，材料的無伸縮性能夠被模擬，并且能夠使應力出現重新分布。在彈性補償法之中，如果計算得出的最大應力能夠使得屈服極限得到滿足，下界限載荷理論也會受到相應地應力場的滿足。如果一次應力和二次應力之間應力值的總和比較大，值得需要保持的殘余應力能夠被剔除，并且充分考慮到一次應力以及二次應力的最大許可值，這對于壓力容器的結構的安全性有著很大的關系。因此，如果不考慮峰值壓力，可以采用一次應力以及二次應力來計算應力場[2]。

三、壓力容器在邊界效應中的應用

（一）壓力容器設計概述

壓力容器主要是指在容器的內部，以及外承受著一定程度的氣體或者是液體的壓力，這樣對于容器的安全性也具有很高的要求。在使用的過程之中，如果壓力容器出現了爆炸的現象，很有可能會產生十分嚴重的災難，這對于人們生命財產安全造成了很嚴重的威脅。所以在設計壓力容器的時候，需要對壓力容器使用的安全性加以重視，使得在生產的過程之中能夠保證順利安全。對于壓力容器的邊緣問題主要是指，針對連接邊緣區域部分的應力以及變形問題進行的分析，連接的邊緣部分對于容器殼體上不同部位之間的連接，這一部分上對變形采用無力矩理論進行分析，會導致連接邊界出現一定程度的分離。但是事實上，所有的邊界都是具有十分牢固的連接點的，連接處之間產生的變形也不是自由變形。但實際上工程項目的建設及化工企業進行生產的過程之中，壓力容器的邊緣問題是受到關注的。因此，在結構設計過程中，必須要盡可能的減少兩個元件連接的高度差，避免邊界效應的作用而影響壓力容器的正常使用，提高壓力容器使用的穩定性和安全性[3]。

（二）應力分類在邊界效應中的應用

在探索應力分類在邊界效應中的應用的過程中，首先需要明確應力分類的具體方式以及壓力容器工作過程中可能受到的載荷，本文以橢圓封頭以及圓筒的組成容器作為例子，針對壓力作用下應力的分類，及不同類別應力的作用方式進行了相對系統的分析。首先，如果結構以及壓力載荷能夠保持平衡，所產生的一次動力強度就相當于一次應力，為了使得在內壓作用下橢圓封頭的平衡力，多數都是應用薄膜應力來使得其能夠承載相關的結構，這樣就會產生分布不均的應力，這時就需要與封頭的力相互結合，使得薄膜應力控制在一倍以內。這樣一來，封頭便能夠使壓力作用的應力強度得到平衡，使封頭的厚度的確定工作更加合理。同時還要充分考慮圓筒以及壓力之間的平衡，防止圓筒路線變形的情況。其次，對于圓筒變形協調的控制也要繼續加強，在圓筒以及封頭之間的連接點上會產生一對邊界彎矩和邊界力矩，這一力矩能夠使這兩者之間產生的形變連續，使得變形的協調性控制在一定范圍內。在整個項目協調的過程之中，能夠發生的變化不在一定的限度，這種變形協調可以稱作邊界效應。由于兩者邊界上所形成的彎矩以及力矩是能夠成對存在的，方向相反，數值相等的，也稱之為自平衡力系。

四、結語

綜上所述，加強壓力容器應力分類及其在邊界效應中的應用的研究，對于壓力容器的設計與制造有著至關重要的作用。可以結合壓力容器的分類特征以及邊界效應的理論知識，合理探究壓力容器結構邊界以及材料對壓力容器使用質量的影響，保證壓力容器應用的安全性和可靠性，為化工行業以及工程項目建設行業的持續穩定發展創造良好的條件。

參考文獻

[1]陳學東，范志超，陳永東，崔軍，章小滸，王冰，艾志斌.我國壓力容器設計制造與維護的綠色化與智能化[J].壓力容器，2017，34（11）：12-27+11.

[2]李新.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J].石化技術，2017，24（05）：30+44.