宋誠

摘要：壓力容器在石油化工行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，通過分析壓力容器分析設(shè)計的應(yīng)力分類法與塑性分析法的發(fā)展，可以實現(xiàn)壓力容器應(yīng)用前景的擴大，并為其良好運行提供參考意見。進一步推動壓力容器在石油化工行業(yè)的應(yīng)用，有效提高壓力容器的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：壓力容器;應(yīng)力分類法;塑性分析法

近年來很多研究學者對壓力容器的工作原理、性能等方面進行研究，并取得了顯著效果。以往的壓力容器在設(shè)計過程中，都是采用薄膜應(yīng)力的方式進行設(shè)計，將其他應(yīng)力影響包括在安全系數(shù)之中。但是在實際應(yīng)用過程中，壓力容器及承壓部件中，除去介質(zhì)壓力所形成的薄膜應(yīng)力之外，還會受到熱脹冷縮變形而導致的溫差應(yīng)力以及局部應(yīng)力，因此，在進行壓力分析設(shè)計時，需要利用應(yīng)力分類法和塑性分析法，才能夠明確不同應(yīng)力對壓力容器安全性的影響，從而有效提高壓力容器的科學性和合理性。

1應(yīng)力分類法

1.1一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指壓力容器因為受到外載荷的影響，壓力容器部件出現(xiàn)剪應(yīng)力。一次應(yīng)力超過材料屈服極限時壓力容器就會發(fā)生變形破壞。主要可以分為以下幾種情況：第一，總體薄膜應(yīng)力。因壓力容器受到內(nèi)壓的影響在殼體上出現(xiàn)薄膜應(yīng)力，總體薄膜應(yīng)力會在整個殼體上均勻分布，當應(yīng)力超過材料屈服極限時，殼體壁厚的材料會發(fā)生變形。第二，局部薄膜應(yīng)力。是指壓力容器的局部范圍內(nèi)，應(yīng)受到機械載荷或者壓力所導致的薄膜應(yīng)力，其中主要包括支座應(yīng)力以及力距所形成的薄膜應(yīng)力。第三，一次彎曲應(yīng)力。由于壓力容器受到內(nèi)壓作用的影響，在平板蓋中央位置會出現(xiàn)彎曲引力，隨著載荷的不斷增加，應(yīng)力會進行重新調(diào)整。

1.2二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指壓力容器部件受到約束而出現(xiàn)的剪應(yīng)力。二次應(yīng)力滿足變形條件。例如，在壓力容器的半球形封頭以及薄壁圓筒的連接位置，由于受到壓力容器內(nèi)壓的作用，兩者會出現(xiàn)不同的徑向位移，因此兩者的連接部位會形成相互約束關(guān)系，出現(xiàn)變形協(xié)調(diào)情況。在這種情況下，連接部位會附加剪力應(yīng)力，從而形成二次應(yīng)力。二次應(yīng)力的出現(xiàn)，也是由于局部范圍之內(nèi)材料出現(xiàn)少量變形，相連部位之間約束緩和，變形協(xié)調(diào)化，變形不會繼續(xù)發(fā)展，將應(yīng)力值限制在一定范圍之內(nèi)。二次應(yīng)力與其他應(yīng)力疊加之后，如果不超過規(guī)定值，就不會導致壓力容器出現(xiàn)損壞。

1.3峰值應(yīng)力

壓力容器的小孔邊緣、小圓角半徑以及接管根部等區(qū)域，由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化或者是因為載荷變化，而導致局部壓力集中，則壓力容器就會產(chǎn)生峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)力就是壓力容器最高應(yīng)力值。峰值應(yīng)力的出現(xiàn)會導致壓力容器出現(xiàn)斷裂、疲勞破壞的情況。并不會導致整個壓力容器的變形，局部熱應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力，因為局部熱應(yīng)力不會導致壓力容器整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變形。

2塑性分析法

2.1非線性分析

（1）材料模型。壓力容器的選鋼一般具有良好的延展性，在一定范圍內(nèi)的壓力變化始終服從胡可定律，當超過彈性極限以后壓力容器的材料應(yīng)力變化不再是線性關(guān)系。因此在設(shè)計時需要使用應(yīng)力分類法進行分析設(shè)計，假設(shè)材料始終屬于彈性形變，在進行彈塑性分析時需要考慮材料的非線性。

在計算極限載荷過程中，可以忽略彈性應(yīng)變，僅考慮塑性應(yīng)變，將材料簡化為剛塑性模型。在剛塑性模型基礎(chǔ)上，需要準確的考慮壓力容器彈性階段的特性，即理想塑性模型，考慮塑性變形后對材料的強化作用，使其應(yīng)力應(yīng)變曲線在塑性階段近似直線可以表示出塑性強化特性。

（2）屈服準則。對壓力容器進行單向拉伸實驗中所得出的應(yīng)力應(yīng)變曲線，能夠有效判斷壓力容器材料是否達到屈服值，然而，結(jié)合一般應(yīng)力狀態(tài)需要結(jié)合屈服準則，判斷壓力容器是否發(fā)生塑性變形，在分析設(shè)計過程中，應(yīng)當合理利用屈服準則。

（3）流動準則。流動準則主要是對壓力容器材料屈服過程中塑性應(yīng)變方向進行充分描述，在進行壓力容器分析設(shè)計過程中，對于金屬材料可以選擇關(guān)聯(lián)流動準則。

2.2幾何非線性分析

在進行壓力容器分析設(shè)計的過程中，壓力容器結(jié)構(gòu)的總剛度取決于每個單元方向以及單剛，壓力容器結(jié)構(gòu)變形會導致單元形狀發(fā)生改變，從而影響壓力容器的總剛度。小變形對于總高度不會產(chǎn)生過大影響，這主要是由于在最初期幾何形狀的結(jié)構(gòu)剛度中可以計算出小變形所發(fā)生的位移情況。利用有限元分析法計算出通過激活大應(yīng)變效應(yīng)以及幾何非線性的影響，大應(yīng)變分析是根據(jù)當前結(jié)構(gòu)形狀而發(fā)生的剛度矩陣更新，因此為了確保壓力容器分析設(shè)計，需要對幾何非線性進行詳細分析，并將其分析結(jié)果進行合理應(yīng)用。

2.3塑性失效分析

壓力容器在進行分析設(shè)計的過程中，塑性失效是最為常見的問題之一，因此需要對其進行控制。塑性失效具有多種模式，塑性失效主要與加載歷史有關(guān)。一次加載情況下導致的塑性失效模式是屬性垮塌，就是產(chǎn)生過量的塑性變形，并使壓力容器喪失承載能力。一次加載是指載荷由零開始遞增逐漸增加到最大值的加載情況。在進行加載過程中，隨著載荷的不斷增加，壓力容器結(jié)構(gòu)會發(fā)生彈性失效，塑性區(qū)不斷擴張進而發(fā)生塑性失效。假如采用理想塑性材料，復興區(qū)真的應(yīng)力，只能限于壓力容器的屈服值。當壓力容器結(jié)構(gòu)承載能力的各個界面上所有應(yīng)力分布達到屈服極限時，結(jié)構(gòu)將變成幾何變形從而喪失整個承載能力。因此在進行分析設(shè)計過程中，為了確保壓力容器的設(shè)計效果，就需要對塑性失效問題進行研究，確保壓力容器的穩(wěn)定性和安全性。

3結(jié)束語

壓力容器的應(yīng)用非常廣泛，為了提高壓力容器設(shè)計的經(jīng)濟性、合理性、安全性等方面，需要對作用于壓力容器的應(yīng)力進行分類，針對壓力容器所承受的不同應(yīng)力，應(yīng)力限制范圍也會有所不同。因此，在實際應(yīng)用過程中，需要選擇合適的壓力容器設(shè)計方法，才能夠確保壓力容器的正常運行，提高壓力容器的工作效率能夠有效推動我國工業(yè)化建設(shè)的加快。

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