浅谈压力容器非径向接管的应力分析与补强

张懂懂 赵 娅

（1.山东海吉雅环保设备有限公司，枣庄 277500；2.山东能源重装集团 鲁南装备制造有限公司，枣庄 277000）

由于实际工作的需要，非径向的压力容器开孔结构对于容器的设计提出了更高的要求。在压力容器的结构设计过程中，设计者需要考虑多方面的因素，例如，开孔边缘的应力集中、容器在工作应用中可能存在的载荷等，这些都需要通过对压力容器模拟分析、研究进行解决。对压力容器非径向接管的应力作进一步的分析，并对开口补强进行相关研究，可以有效避免压力容器工作中容易出现的问题。

1 压力容器结构设计方法

1.1 常规设计法

它指的是通过薄膜理论对压力容器的部件进行设计，在计算中以既有的薄膜应力数据为基准，对压力容器进行统一的数据设计与制定，最终形成一个科学的压力表容器设计结构。这种方法可以通过一些标准来快速设计出压力容器结构，但对于一些超出标准应用范围的情况，往往束手无策。

1.2 分析设计法

该方法主要对压力容器的应力进行分析，进而开展结构设计。本文采用的有限元分析就是一种分析设计方法，通过模型构建以及单元网络划分，模拟出实物受力情况，从而得到压力容器内的应力分布状况。以此为基础，分析影响压力容器非径向接管的应力因素，为实际设计提供依据。

2 压力容器非径向接管的应力分析过程

2.1 应力的相关问题分析

在压力容器进行非径向接管工作的过程中，需要明确应力的基本来源，按照相应的标准对应力进行分类。一般来说，所谓的应力主要是通过机械荷载以及热荷载产生的，并且应力的出现范围可以是局部的，也可以是整体的。对于压力容器来说，应力总是均匀分布的[1]。

通常来说，应力主要有三种不同的类型，它们分别是一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力指的是对压力容器所施加的机械载荷，主要包括正应力和剪应力[2]。一次应力的存在一定要满足内外力相平衡的条件。一次应力还可具体划分为三种不同的应力类型，主要包括一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力。一次总体薄膜应力遍及整个结构当中，当塑性流动时，这样可以避免出现应力重新分布的问题。一次局部薄膜应力主要存在于结构的部分区域当中，如果控制不当，则会出现结构遭到破坏的情况。同时，一次弯曲应力可以有效保持机械载荷平衡。

二次应力主要指的是几何或者材料不连续导致压力容器受力的情况。它最大的特性就是具备自限性。峰值应力指的是一次应力与二次应力相互叠加所产生的受力类型。峰值应力不会引起明显的塑性变形，或者是对塑性进行破坏。当该应力进行反复加载时，人们需要注意它对结构所产生的破坏力。

2.2 构建有限元模型

如要对压力容器非径向接管的应力进行有效分析，工作伊始应该通过有限元方法来构建有限元模型，在实际工作中通常会借助专业的建模软件对压力容器的三维立体模型进行构建，具体来说主要分为以下几个工作流程：首先，设计者要对容器的几何体进行构建，构建几何体时，需要保障非径向接管与筒体相贯线保持连贯；其次，设计者要采用合适的材料，确定材料参数；再次，进行网格划分，针对模型中的部件，划分不同的单元网格；最后，根据实际情况，约束边界条件，指定加载载荷。

在整个建模的过程中，单元格以及网格的划分至关重要，单元格的层次安排以及网格的疏密程度都会影响建模工作的效率。由于接管与筒体相贯区附近应力较为集中，此区域的单元尺寸要尽量小一些，划分网格密集一些。在远离相贯区处，网格可以适当增大以减小计算量。

2.3 接管平齐式补强结构应力分析

对接管平齐式补强结构应力进行分析，在具体的操作中需要考虑到模型的构建，还要注重非径向度的影响，对于结构应力的分析需要全面进行考量。实际工作中会遇到结构尺寸不同的压力容器，在进行非径向接管组合的过程中，结构所承受的应力也会有所不同，所以要构建多个不同的应力分析模型，对于不同模型下的应力进行进一步的分析和研究。结构应力的分析是一个十分复杂的过程，需要设计者不断进行数据测量统计，并且要对结构不断进行调整，分析对比不同结构下应力的区别，并提出针对性的补强措施。

2.4 接管内伸式补强结构应力分析

接管内伸也会对结构应力有重要的影响，进而会影响补强结构[3]。可以将接管平齐式补强结构看作是接管内伸为0的特殊情况。构建此类基本模型，并对接管内伸长度进行调整，统计测量这类补强结构应力数据。制定数据汇总表，然后对不同情况下的结构应力进行具体分析，明确在不同接管内伸长度下的补强结构应力数据，进而分析确定补强结构应力的实际情况。

2.5 补强圈结构应力分析

补强圈在工程开展中运用得十分广泛，并且对于低压容器来说，十分需要补强圈来强化补强结构。补强圈的结构应力分析有利于人们了解容器承受的应力状况，改善补强结构。

不同厚度的补强圈所产生的应力也是有差别的，因此在进行部件模型的构建过程中，需要对不同厚度补强圈可以承受的应力进行试验分析。另外，选择不同的补强圈结构尺寸进行试验，这样有利于根据实际的应用情况来确定不同补强圈结构的应用范围。

3 压力容器非径向接管补强结构应力分析

就补强结构应力来说，主要呈现出以下几个不同的特点。

（1）补强结构应力会受到非径向度的影响。通常来说，应力与非径向度的关系是正相关的，如果非径向度过大，则应力会随之提升。

（2）应力的大小同接管和筒体刚度差有着密切的关系。接管与筒体的厚度比增大，能够降低开孔边缘的应力集中。但过大的接管壁厚对提高补强作用不明显，反而增加了制造难度。在容器设计过程中，尤其是高压容器设计，可以合理改变刚度差来减少应力。

（3）内伸接管应力分布与平齐接管有所不同，内伸接管肩部薄膜应力比平齐接管下降明显，从而对开孔起到补强作用。但接管不同内伸长度对于补强结构的影响是不同的，随着接管内伸长度的增加，接管腹部筒体外表面弯曲应力增加明显,而局部薄膜应力下降不明显，不利于结构补强。所以，在满足补强要求后，不应过度增加内伸长度。

（4）补强圈的存在有效弥补了压力容器承受应力过大的问题，改善压力容器应力状况，提高安全性。不同厚度的补强圈，对应力集中现象的改善程度有所不同。厚度较薄时，补强圈的工作效果不是十分明显，增大补强圈厚度，可以有效缓解应力集中的情况。但补强圈使筒体局部壁厚增大，局部弯曲应力加大，补强圈厚度过大后，焊接应力较大反而不利于结构补强。一般情况下，补强圈的厚度宜为筒体厚度的0.8～1.2倍。

4 结语

压力容器非径向接管应力过大，会影响容器的安全性能和稳定性。在实际设计过程中，设计者应综合考虑多种因素，进行合理的结构补强，既要保障压力容器的有效运行，又要提高制造效率和经济效益。

[1]邹军.压力容器非径向接管的应力分析与补强研究[D].广州：华南理工大学，2015：8.

[2]吕大立，姚安林，刘云，等.斜接管道结构在内压作用下塑性极限载荷的有限元分析方法研究[J].压力容器，2015，27（8）：6-12.

[3]沈宁.接管内伸式补强结构应力分析与探索[J].科技资讯，2008，（10）：34-35.