压力容器应力分类分析设计探析

　　　（杭州容瑞机械技术有限公司，浙江 杭州 311121）

       摘 要：近年来承压设备呈现出日益大型化趋势，内部构造也更加复杂，从应力分类方面也存在很多不足与缺陷，需要深入分析与比较，采取可靠性改造方案，保证压力容器使用性能提升。本文先对压力容器应力分类进行概述，并提出了压力容器改造与设计要点。

　　关键词：压力容器；应力分类；设计

　　压力容器主要装入气体和液体，有明确的承载压力，对密闭性要求很高。从应力分类上看，主要包括一次应力、二次应力和峰值应力等，这些比较常见。我们要掌握压力容器应力分类情况，有针对性进行分析与设计，这样压力容器使用时才更加稳定，避免发生危险事故。

　　1.压力容器压力分类分析设计概述

　　1.1 压力分类

　　在应力分类的过程中，通常分析应力为设备失效带来的作用情况，从而将各种限制范围确定下来。在设计规范方面，由于所用准则不一样，应力限值范围也有差异，要想在最大应力值条件下不改变设备的安全裕度，这就要结合具体定义保证应力分类的合理性与科学性。由此可见，在压力容器设计过程中，就应该提高对应力分析的重视程度。

　　近年来电子计算技术在应力分析中应用日益增多，设计人员对实际工况条件进行模拟，深入分析压力容器不同部位的受力和变形状况[1] 。这

　　样能够保证应力解更加精准，并从物理试验与实际使用时得到的经验出发，从而有效把握不同类型的应力为容器强度造成的影响。要想保证容器钢材使用的科学性，必须合理使用一些价格较高的材料，让各种应力有具体的分类，确定其主次。结合应力带来的影响情况，确定许用应力类型与安全系数，这样在不同应力作用下压力容器运行才更加可靠。

　　1.2 分析设计内容

　　对压力容器设计来说，由于掌握了丰富的试验数据，且测试水平也不断提升，这让可靠性分析有了良好条件

　　[2] 。压力容器的强度、工作

　　环境、几何尺寸等指标参数，均基于随机变量形式存在，从而为压力容器使用寿命带来了较大影响。在常规设计与分析设计过程中，主要考虑安全系数进行分析技术，且压力容器产品种类较多，工作环境复杂多变，对传统总结实际经验的方式来说显得过于落后，难以满足压力容器安全分析的要求。因为工况不同，制造水平也有差异，在压力容器安全系数规定上难以保持统一。针对这种情况，应该进行可靠性设计，才能让压力容器使用寿命延长，在工作中发挥出应用作用。

　　2.压力容器改造与设计要点

　　2.1 设计流程与参数确定

　　如图 1 所示，引入了 ANSYS 的 PSD 有限元概率设计方法，并结合APDL 命令流设置分析文件。其中数据方面包括分为输入、输出等内容，在概率、确定性等方面来说，不同点是随机因素处理与计算结果影响等

　　[3] 。概率设计将输入参数作为随机变量，分析其为输出结果造成的影响，而确定性设计主要参考输入的内容，通过经验确定的安全因素分析随机因素为计算结果带来的影响。分析概率设计模型可知，能够让多个输入内容用于随机变量，且相互之间独立存在，有一定的联系。

　　随机变量不同，输出结果也显示出差异。在掌握输入变量分布形式的基础上，能够保证输出结果计算的可靠性。通过 NASYS 进行概率设计后，采取多种反复操作后，达到设计要求的情况下，且每次输入不同变量组合，能够准确计算输入变量。输入变量取值中，主要根据取样方式进行，常用的方式包括蒙特卡洛取样与响应面取样等。

　　图 1 压力容器设计流程

　　2.2 压力容器设计方法

　　压力容器在设计上方法较多，且不同方法均有相应的理论基础，但要结合可靠性设计要求，确定最终的设计方法，如图 2 所示。

　　图 2 压力容器设计方法

　　某球形容器试验装置，设计为轴对称结构，并根据容器截面 1/4进行建模。杨氏模量 E 为 212000MPa，屈服强度 Sy 为 344.75MPa，泊松比 v 为 0.3，容器壁厚 t 为 10mm，球内径 Ri 为 100mm。通过将 10MPa压力施加到压力容器内表面中，同时将对称约束施加在有限元模型截面，采用 ANSYS SOLID186 单元。

　　图 3 模型及分网

　　2.3 确定性设计

　　若是压力容器设计为球状，结合 ASME 相关要求，薄膜在壁厚方向的应力为一次薄膜应总和，二次应力则为弯曲应力[4]。由于其不进行塑性垮塌失效的核校，因此要将结果列出来，若是采取极限荷载法，许用荷载为其 2/3。如表 1 所示，为应力线性化、许用应力和荷载等情况，许用荷载将达到 83.57MPa。通过弹性下限极限方法得到相应结果，许用荷载较 ASME 计算值更加保守，达到了 75.71MPa，极限荷载法结果是 83.63MPa。在表中三种方法安全系数均为 1.5，结果差异不明显，计算过程中要关注多项因素，可靠性也存在差异。

　　表 1 应力线性化结果、许用应力与荷载（MPa）方法  应力类型  应力分类  当量应力  许用应力  许用荷载ASME  薄膜应力  总体一次薄膜应力  52.38  Sm  83.57ASME

　　薄膜+弯

　　曲应力

　　一次薄膜+一次完全

　　应力

　　59.86  1.5Sm  232.3

　　DBA-L  —  —  60.29  Sm  75.71

　　LIMIT  —  —  —  —  83.63

　　3.结语

　　总之，由压力容器分析设计要求可知，需要充分掌握不同应力分类方法及原理，准确计算应力分类，才能保证改造与设计的可靠性，提升压力容器的使用效果。在今后研究中我们要结合实际使用情况，进一步对压力容器作出有针对性改进，确保其在军工、工业以及民用等领域发挥更大作用。

　　参考文献

　　[1]王建成.压力容器设计方法对比与应力分类[J].山东工业技术，2019(12)：52.

　　[2]胡艳兴.简析应力分类和压力容器设计的发展[J].化工管理，2018(16)：

　　154.

　　[3]许守龙.压力容器应力分类分析设计方法[J].一重技术，2018(02)：

　　16-18.

　　[4]赵春晓.压力容器中应力分类方法的几点讨论与思考[J].化工与医药工程，2017，38(04)：42-45.