仿真干货丨压力容器和压力管道应力分析设计比较
很多工程人员对钢制压力容器分析设计和压力管道应力分析既好奇又感觉神秘，甚至一些文献将钢制压力容器与压力管道应力分析的方法等同起来。事实上，两者有相似的地方，但更多的是不同之处。
近年来石化装置的大型化，是我国和世界发展的一个重要趋势，由此带来了压力容器和压力管道的参数化，即向着大尺寸、高温、高压以及深冷的方向发展。在我国神华集团煤液化项目中，甚至出现了外径达5500mm、壁厚达344mm、重约2000t的锻焊加氢反应器，对于这样的钢制压力容器，采用应力分析设计方法，具有明显的经济效益。例如，一个单重1000t的加氢反应器按分析设计方法设计比常规方法设计可减轻设备重量约20%，节省投资1000~1200万元。越来越多的钢制压力容器和压力管道采用应力分析方法设计，压力容器有了JB4732《钢制压力容器--分析设计标准》，以及ANSYS和VAS等应力分析软件。相对于压力容器而言，目前我国压力管道应力分析还没有统一的标准，国家标准GB50316《工业金属管道设计规范》和有关管道应力分析的行业标准基本上是参照ASME B31系列，至于钢制压力管道应力分析，则主要是遵循ASME B31.3的要求。管道应力分析不仅仅局限于局部应力的分析和判别，必须兼顾整个管系，在优化配管的设计中有着广泛的应用。可以说离开它，配管设计将寸步难行。按照应力的性质分，分为静力分析和动力分析两大类。（1）压力、重力等载荷作用下的管道一次应力计算--防止塑性变形破坏；（2）热胀冷缩以及端点附加位移等载荷作用下的二次应力计算--防止疲劳破坏；（3）管道对机器、设备作用力的计算--防止作用力过大，保证机器、设备的正常运行；（4）管道支吊架的受力计算--为支吊架设计提供依据；（6）管系位移计算--防止管道碰撞和支吊点位移过大等。
（1）往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析--防止气（液）柱共振；（2）往复压缩机（泵）管道压力脉动分析--控制压力脉动值；（5）冲击载荷作用下管道的应力分析--防止管道振动和应力过大等。管道振动是一种机械振动，需要说明的是：机械振动的问题是一个世界性的难题，还需要不断的完善和发展。压力管道应力分析的目的：保证管系自身的安全，保证相连设备的安全，保证土建结构的安全。压力容器应力分析设计的特点：科学合理，安全可靠，十分经济。但对材料、制造和检验提出较高的技术要求，通常在高温、高压、有疲劳以及局部结构需要分析的少数场合下采用。有些大型的储存球罐的设计也采用。压力容器和压力管道应力分析都采用了固体力学中最常用和最有效的数值分析方法--有限元法，而有限元法的发展借助了两个重要的工具：在理论推导中采用了矩阵方法；在实际计算中采用了电子计算机。随着计算机技术的飞速发展，有限元法得到了越来越广泛的应用，并已成为解决工程领域中力学问题的最有效方法。
钢制压力容器分析设计和压力管道应力分析分别采用了厚壁和薄壁模型，薄壁假设认为各应力沿壁厚均匀分布，忽略了弯曲应力，压力容器的常规设计方法也是采用这种假设；厚壁假设认为各应力沿壁厚是可以变化的，有弯曲应力的存在。因而，利用厚壁假设进行应力分析更为精确和严密。根据ASME B31.3的规定，当管道的公称压力大于42MPa时，薄壁模型已不再适用，应采用高压管道的分析校核准则。由于不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同，因此便出现了应力分类校核的方法，钢制压力容器分析设计和压力管道应力分析都遵循等安全裕度原则。在压力容器分析设计中各种应力的定义为：（1）一次应力：为平衡压力和其它机械载荷所必需的法向应力或剪应力。一次应力又细分为一次总体薄膜应力Pm、一次局部应力PL和一次弯曲应力Pb。（2）二次应力Q：为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求必需的法向应力或剪应力。主要包括边缘应力和温度应力等。（3）峰值应力F：由于局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加在一次应力加二次应力上的应力增量。在压力容器分析设计中将应力细分为5类，即：一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb、二次应力Q和峰值应力F。在压力管道应力分析中，也人为的将应力划分为一次应力σI、二次应力σII两大类，其概念与压力容器分析设计中的定义基本相同，只是不再细分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力，也没有峰值应力的概念。这主要是在压力管道应力分析中采用薄壁假设的缘故。对于弯头、三通等几何不连续的应力集中，压力管道应力分析中采用了应力增大系数的方法处理。而应力增大系数的数值是由疲劳试验得出来的，它并不是应力集中系数，两者不能混淆。在压力容器分析设计中采用了第三强度理论，即最大剪应力理论。最大剪应力理论的当量应力是第一主应力与第三主应力之差，在压力容器分析设计中，将这一当量应力定义为应力强度。
在压力管道应力分析中，一次应力是指管道纵向的组合应力，并不是在各种情况下等于最大拉应力。因此，一次应力校核条件看似属于第一强度理论，实际上它不与任何强度理论相符合，应力是被限制在屈服限内，并留有一定的裕度。二次应力校核条件则来源于安定性的概念，可防止低周和高周疲劳破坏。
钢制压力容器分析设计中各类应力的校核条件为（为了说明简便，考虑载荷组合系数K=1的情况）：（3）一次总体薄膜应力Pm或一次局部薄膜应力PL与一次弯曲应力Pb之和≤1.5[σ]，即：Pm（PL）+Pb≤1.5[σ]；（4）一次总体薄膜应力Pm或一次局部薄膜应力PL和一次弯曲应力Pb与二次应力Q之和≤3[σ]，即Pm（PL）+Pb+Q ≤3[σ]；（5）一次总体薄膜应力Pm或一次局部薄膜应力PL和一次弯曲应力Pb与二次应力Q及峰值应力F之和≤2Sa，即Pm（PL）+Pb+Q+F≤2Sa。[σ]为许用应力；Sa为许用应力幅，可从设计疲劳曲线求得。事实上，考虑到风载、地震载荷的影响以及压力试验情况，JB4732-1995《钢制压力容器--分析设计标准》中，引入了大于1的载荷组合系数K，K的数值由其表3-3给出。
在上述校核条件中，“校核条件（1）”最严格。这是由于一次总体薄膜应力的影响遍及压力容器整个结构，且无自限性，因此最危险。“校核条件（2）”考虑了一次局部薄膜应力的自限性和衰减性，因而它的控制条件可以放宽。“校核条件（3）”是根据矩形截面纯弯梁的极限分析结果引申而来的，它考虑了屈服后应力又重新分布的情况，也可以适当放宽。“校核条件（4）”是根据结构安定性的条件得到的。“校核条件（5）”是用于详细的疲劳分析的场合。实际上，当循环次数较低时，只要满足“校核条件（4）”的安定性条件，便可避免低周疲劳破坏。
二次应力σII≤f(1.25[σ]c+0.25[σ]h)。[σ]c为冷态许用应力，[σ]h为热态许用应力，f为应力范围减少系数，f的数值大小与循环当量数有关，f的取值一般为0.3~0.9。相对于压力容器分析设计，以ASME B31.3为代表的工艺管道的应力分析校核条件具有以下主要特点：（1）一次应力校核条件只校核管道纵向的组合应力，它不遵循任何强度理论。二次应力校核条件实际上采用了最大剪应力理论；（2）在工艺管道的应力分析中，不计算一次局部薄膜应力和一次弯曲应力，因此一次应力就是一次总体薄膜应力；（3）工艺管道二次应力的校核条件源于安定性条件，理论基础与压力容器一次应力+二次应力的校核条件完全相同，可防止低周疲劳破坏；
（4）工艺管道二次应力的校核条件中引入了应力范围减少系数f，当循环次数较高时，对许用应力的变化范围进一步加以限制，从而防止高周疲劳破坏的发生。
总体来讲，压力管道应力分析标准在理论上不如压力容器分析设计严密，但侧重点各不相同。压力容器分析设计的重点在局部（整体结构也做详细应力分析和评判），尤其是接管开孔处和结构不连续的地方，尽量采用圆滑过渡结构；而压力管道应力分析的重点在整个管系的应力和柔性，通常情况下，在曲率突变的地方，例如弯头、三通、四通、分支管等几何不连续处并不进行局部的详细分析，而是采用了应力增大系数的方法处理。实践证明，这种方法简单有效，便于工程应用，也更符合实际。对于一个庞大的管系，进行局部的详细分析是没有必要和不现实的，尽管拥有电子计算机。但是，对于极少数大管开大孔，不能使用三通的情况下，仍然需要借助压力容器分析设计方法进行开孔处的应力详细分析，求得所需要的应力增大系数，以帮助压力管道应力分析的正确进行；此时，压力管道实际上已经成为了压力容器，只不过以管道的形式体现。压力容器分析设计和压力管道应力分析是现代过程装置设计中的两把利器，压力容器分析设计中，在满足科学合理的前提条件下，压力容器尽可能具有足够的刚性，尤其是压力容器上的接管；压力管道应力分析中，在满足科学合理、配置优质管道的前提条件下，管系应尽可能具有良好的柔性。这样，压力容器和连接在压力容器上的压力管道，才能和谐的工作，为安全生产服务！正确地使用压力容器分析设计和压力管道应力分析方法，并协同作战，既可确保装置安全运行，又可发挥出其应有的经济效益，也是进一步提高设计水平的重要环节之一。
