压力容器应力分类及其在边界效应中的应用

闫巍

摘 要：压力容器是我国化工行业广泛应用的特种设备，对于化工行业的稳定生产和持续经营有着至关重要的作用。一般情况下，压力容器尺寸越大，操作压力和温度越高，相应的形状和结构会越来越复杂，对于压力容器的安全可靠性能的要求也相对比较严格。本文主要针对压力容器应力分类以及在边界效应中的应用进行探讨，希望能为压力容器的合理应用提供一定的参考。

关键词：压力容器;应力分类;边界效应

一、引言

科学在不断的进步，工业技术也在不断的发展，压力容器在工业生产中也逐渐进步，使得工业生产效率以及生产出产品的质量都有了很大的提升，同时相关学者也开始针对压力容器的应力进行科学研究，使得压力容器更加科学，用起来更加安全，为提升工业化生产的效率提供一定程度的技术支持。

二、压力容器的应力分类

（一）一次应力与二次应力

由于外部荷载产生的影响，一次应力主要是指在压力容器内部所出现的剪切应力或者是正向应力。通常条件下，如果一次应力可能会使材料出现一定程度的变形。这种应力主要可以分为以下三种：总体薄膜应力、局部薄膜应力及一次弯曲应力。总体薄膜应力主要是指由于内部压力导致的圆筒形或者是在球形壳体中所出现的薄膜应力，如果应力能够在壳体中呈现出均匀分布的状态，会使得体壁厚的材料只出现屈服的现象。局部薄膜应力主要是指机械压力在一定的范围内，由于机械荷载而产生的薄膜应力。一次弯曲应力的产生原因是内部压力作用造成的，二次应力本身具有一定的限制性，主要是指压力容器的零件本身在受到一定程度的约束时，所产生的正向应力或者是剪切应力。当在一定范围之内，材料出现了一定程度的屈服，或者是出现了不同程度的变形时，相邻部位之间所产生的相互作用会逐渐降低。另外所产生的变形也会渐渐的在一定范围内波动，并且逐渐趋于协调，不会继续向下发展。二次应力需要满足协调变形的条件，半球形封头以及薄壁圆筒相互连接的地方会受到内部压力的作用，并且向不同的部位出现径向位移。由于这二者之间相互连接得到一定的约束，会产生变形协调连接部位，出现附加的剪力进而产生二次应力[1]。

（二）弹性补偿法

所谓的弹性补偿法是指高台应力单元的弹性模量发生了降低，但是增加应力单元弹性模量，弹性补偿法管道系统应力分类中得到了广泛的应用，并且在压力容器的分类中具有非常重要的作用。通过模拟一次结构的非弹性响应能够使用弹性补偿法来计算有关于弹性有限元的应力。在实际应用压力容器的过程中，在一个迭代的有限元分析程序当中，材料的无伸缩性能够被模拟，并且能够使应力出现重新分布。在弹性补偿法之中，如果计算得出的最大应力能够使得屈服极限得到满足，下界限载荷理论也会受到相应地应力场的满足。如果一次应力和二次应力之间应力值的总和比较大，值得需要保持的残余应力能够被剔除，并且充分考虑到一次应力以及二次应力的最大许可值，这对于压力容器的结构的安全性有着很大的关系。因此，如果不考虑峰值压力，可以采用一次应力以及二次应力来计算应力场[2]。

三、压力容器在边界效应中的应用

（一）压力容器设计概述

压力容器主要是指在容器的内部，以及外承受着一定程度的气体或者是液体的压力，这样对于容器的安全性也具有很高的要求。在使用的过程之中，如果压力容器出现了爆炸的现象，很有可能会产生十分严重的灾难，这对于人们生命财产安全造成了很严重的威胁。所以在设计压力容器的时候，需要对压力容器使用的安全性加以重视，使得在生产的过程之中能够保证顺利安全。对于压力容器的边缘问题主要是指，针对连接边缘区域部分的应力以及变形问题进行的分析，连接的边缘部分对于容器壳体上不同部位之间的连接，这一部分上对变形采用无力矩理论进行分析，会导致连接边界出现一定程度的分离。但是事实上，所有的边界都是具有十分牢固的连接点的，连接处之间产生的变形也不是自由变形。但实际上工程项目的建设及化工企业进行生产的过程之中，压力容器的边缘问题是受到关注的。因此，在结构设计过程中，必须要尽可能的减少两个元件连接的高度差，避免边界效应的作用而影响压力容器的正常使用，提高压力容器使用的稳定性和安全性[3]。

（二）应力分类在边界效应中的应用

在探索应力分类在边界效应中的应用的过程中，首先需要明确应力分类的具体方式以及压力容器工作过程中可能受到的载荷，本文以椭圆封头以及圆筒的组成容器作为例子，针对压力作用下应力的分类，及不同类别应力的作用方式进行了相对系统的分析。首先，如果结构以及压力载荷能够保持平衡，所产生的一次动力强度就相当于一次应力，为了使得在内压作用下椭圆封头的平衡力，多数都是应用薄膜应力来使得其能够承载相关的结构，这样就会产生分布不均的应力，这时就需要与封头的力相互结合，使得薄膜应力控制在一倍以内。这样一来，封头便能够使压力作用的应力强度得到平衡，使封头的厚度的确定工作更加合理。同时还要充分考虑圆筒以及压力之间的平衡，防止圓筒路线变形的情况。其次，对于圆筒变形协调的控制也要继续加强，在圆筒以及封头之间的连接点上会产生一对边界弯矩和边界力矩，这一力矩能够使这两者之间产生的形变连续，使得变形的协调性控制在一定范围内。在整个项目协调的过程之中，能够发生的变化不在一定的限度，这种变形协调可以称作边界效应。由于两者边界上所形成的弯矩以及力矩是能够成对存在的，方向相反，数值相等的，也称之为自平衡力系。

四、结语

综上所述，加强压力容器应力分类及其在边界效应中的应用的研究，对于压力容器的设计与制造有着至关重要的作用。可以结合压力容器的分类特征以及边界效应的理论知识，合理探究压力容器结构边界以及材料对压力容器使用质量的影响，保证压力容器应用的安全性和可靠性，为化工行业以及工程项目建设行业的持续稳定发展创造良好的条件。

参考文献

[1]陈学东，范志超，陈永东，崔军，章小浒，王冰，艾志斌.我国压力容器设计制造与维护的绿色化与智能化[J].压力容器，2017，34（11）：12-27+11.

[2]李新.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].石化技术，2017，24（05）：30+44.