压力容器应力分析评定时的注意事项

 [摘  要] 本文对应力分析的评定进行了阐述，以三种类型案例进行分析，对应力分析的强度进行评定，与常规设计相比，应力分析设计的产品更加安全可靠。通过应力分析技术在化工设备设计上的应用和推广，使设计方案得到验证，并在原设计的基础上进行改进和优化，为化工设备设计人员提供帮助。

[关键词]应力分析；压力容器；化工设备

1 应力分析技术的发展

应力分析技术是对事件响应的仿真模拟，应力分析可以采用解析法，也可采用有限元法，对于简单的筒体等结构，采用解析法比较方便，但对于复杂的结构，比如开孔接管、焊缝热应力的影响、缺口断裂力学的研究等，采用解析法求解就变得很繁琐；对于复杂工况的计算，比如地震载荷的响应谱分析、汽车碰撞试验模拟等，借助有限元软件的分析，对实际结构建立模型，进行有限元网格划分，设置边界条件，施加正确的载荷，让分析软件进行求解，就变得简单多了。相对于静力学分析，对动力学分析的计算，比如瞬态响应分析，就需要借助软件，设置响应的计算参数，让软件模拟计算，而不是简单应用解析法就能解决的。

应力分析技术已在各行各业等到了充分的发展，为了降低壁厚，减少使用的材料费用，应力分析技术被很多设计人员采用，由最初的常规设计，发展到目前的分析设计。最初的分析计算，因机器配置以及软件的节点数限制，应力分析只能在小范围内得到应用，随着技术的不断推广，设计和制造的不断发展，应力分析技术越来越被认可，计算软件的智能化，让设计者不再陷于软件的苦恼当中，随着软件的不断升级，越来越人性化，可让设计人员把更多的精力放在后面的分析上。

应力分析技术在化工设备上的应用越来越成熟，越来越方便，更多地解决了很多实际问题，使设计不仅低碳环保而且安全可靠，应用范围越来越广。ASME VIII-2对应力分析技术的不断完善，计算方法的突破改进，发现问题并及时解决问题，如强度理论由第三强度理论变为第四强度理论，如极限载荷分析方法，就是对应力分类方法的一种很好补充，即节省材料，又保证设计安全可靠，是对应力分类方法的验证，比如弹塑性分析方法，充分发挥了材料的力学性能。

通过应力分析，可以对设计中存在的危险和薄弱部位进行强度校核，并进行改进和优化，避免设计的不足。可以对多工况的载荷进行计算，比如热—结构耦合分析。可以对大型设备、高温高压设备、疲劳设备等进行分析设计。可以对标准规范进行修订、完善，更多地用于指导实际工作，更好地用于实际工程设计。

2 应力分析技术的应用和推广

2.1在球罐整体分析设计上的应用

2.1.1常规设计

球罐支柱与球壳相接处的局部区域，受力状态特别复杂，应力数值高，变化梯度大，是整个球罐中的高应力区，支柱与球壳连接焊缝的最低点（A点）是重点应力校核部位。常规设计对球罐的计算以及对A点的校核，主要采用公式法，详见GB/T 12337-2014《钢制球形储罐》中的6.11.3节（A点的应力校核），计算要求纬向应力和剪切应力的组合应力，小于材料的许用应力，才能满足评定要求。由此可看出，该评定准则为弹性失效准则，不允许出现塑性变形，一旦出现塑性变形，就认为球罐已失效，该方法主要应用材料力学和薄膜理论简化公式，安全系数较大，应力评定采用第一强度理论，对应力不进行分类，设计人员一般都是在此计算基础上，考虑腐蚀裕量和材料负偏差，再进行厚度圆整，往往还要再增加2-3mm的安全余量。实际上，在球壳板壁厚方向上，存在多个纬向应力和剪切应力的组合，纬向应力和剪切应力的最大点，不一定同时在一个位置出现，而且有时盖板与球壳板的连接处的应力强度也会出现最大值，仅仅评定A点的应力值是不够的，详见图所示。

2.1.2分析设计

分析设计对球罐整体和局部的计算，不同于常规设计，除了材料的安全系数降低以外（抗拉强度安全系数，常规设计取2.7，分析设计取2.4），更重要的是计算方法的进步，分析设计方法放弃了传统的“弹性失效”准则，而采用以极限载荷、安定荷载和疲劳寿命为主的“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，允许结构出现可控制的局部塑性变形，允许对峰值应力部位作有限寿命的设计。分析设计方法根据导致结构破坏的性质不同而对应力进行分类，对各类应力取不同的许用值进行限制，虽然取较低的安全系数，但不降低设计的安全可靠性。通过应力分析的计算，确定支柱与球壳板连接处的应力分布情况区别对待，该薄则薄，该厚则厚，很多大型球罐，可以根据应力状态的不同，采用不等壁厚的球壳板，以便充分降低材料费用，比如分5带的大型球罐，上寒带和上温带的壁厚与赤道带的壁厚往往是不同的。分析设计中对球罐耐压试验的校核，不仅是球壳板的最大总体薄膜应力的校核，而且还包含一次薄膜加一次弯曲应力强度SII的校核，相比常规设计更加安全。

利用应力分析法设计球形储罐，不但可降低成本，节约材料，提高市场竞争力，而且计算方法比常规设计更可靠、计算准确率更高，可对不同工况、不同的危险部位进行实际应力分析，做到设计更合理。对压力较高，直径较大的球罐而言，分析设计是很好的选择。球形储罐的整体应力分析设计，是目前国内外发展的趋势，已逐渐被业主认可，3000m³丙烯球罐在同样的设计条件下，采用常规设计需球壳板壁厚48mm，而使用分析设计球壳板壁厚45mm就能满足要求。对于3000m³的球罐，每减少1mm壁厚，就能减少8吨的重量，降低了材料的使用和制造费用，特别是存在罐区的情况下，建造成本的控制效果会非常明显。像球罐这种大型设备，只要不是刚度决定壁厚的情况下，采用应力分析技术对球罐进行整体分析设计，并采用分析设计标准进行评定，对项目投标报价很具优势。面对激烈的市场竞争，球罐采用整体分析设计将成为一种常态。应力分布详图见图所示。

2.2在换热器整体分析设计上的应用

2.2.1常规设计

GB/T 151-2014《热交换器》中对换热器的计算，是以弹性基础上的受管孔均匀削弱的当量圆平板为依据进行的，对于换热管与管板连接接头的计算以及拉脱力的评定，GB/T151-2014准采用公式法，拉脱力计算公式如下：q=σ_tα/πdl，计算结果应满足| q|≤[ q ]，其中：σ_t为换热管轴向应力；α为单根换热管管壁金属的横截面积；d为换热管外径；l为换热管与管板胀接长度或焊脚高度。原GB 151-1999《管壳式换热器》的适用范围是公称直径不大于2600mm，设计压力MPa和公称直径mm的乘积不大于1.75×10⁴。GB/T151-2014《热交换器》中管壳式热交换器适用的公称直径不大于4000mm，设计压力MPa和公称直径mm的乘积不大于2.7×10⁴。上述拉脱力的计算校核，对于小直径、压力低的换热器，是能够满足要求的，但对于直径较大，压力较高的换热器，该理论计算公式就和实际应力分析有很大误差。

2.2.2分析设计

以某换热器为例：管壳程直径3500mm，管程压力3.5MPa，壳程压力0.7MPa，管程设计温度350℃，壳程设计温度为300℃，换热管长度为9m，材料均为碳钢，在使用过程中出现换热管与管板焊接接头开裂泄漏。换热管与管板连接详图见图3，应力分布详图见图4。

通过应力分析计算发现换热管与管板连接的角焊缝，在一些部位应力值偏高，不能满足评定要求，但按照常规计算能够通过，对于强度焊结构，GB/T 151-2014中拉脱力计算公式仅对该角焊缝在换热管轴向载荷作用下焊脚高度处的剪切应力进行校核，如图3中的线A所示，但实际中应力最危险截面往往在图中的线B所示位置，也就是角焊缝与管板连接处，标准公式中应增加角焊缝与管板连接处的强度评定，应对GB/T 151-2014中拉脱力的计算公式进行完善。对压力高，直径大的换热器，管板存在弯曲变形，角焊缝不仅存在轴向载荷，而且会有管板弯曲应力的叠加，在这样的苛刻工况下，这种形式的强度焊缝是不适用的，毕竟角焊缝的连接强度有限，需要对连接焊缝进行改进以满足强度要求。

2.3在加氢反应器整体分析设计上的应用

2.3.1常规设计

炼油装置中的厚壁加氢反应器因压力高，温度高，温差大，材料一般都是CrMo钢堆焊不锈钢、设备直径和壁厚都比较大，下封头与裙座之间的连接，需要采用特殊结构，如图4所示。塔器的下封头与裙座连接结构的计算往往采用NB/T 47041-2014《塔式容器》进行校核。标准中的计算公式，未考虑热应力的影响，而且该结构的突变与标准中给出的计算模型是不同的。加氢反应器的设计需要在这个位置设置隔气圈，形成一个封闭的空间，避免温度梯度的急剧变化，减少热应力的不利影响，在结构上对突变的位置采用圆滑过渡的形式，减少应力集中，见图所示。

2.3.2分析设计

因加氢反应器壳体壁厚较大，温度梯度分布不均，存在约束的位置热应力得不到释放，容易产生较高的热应力，这就需要对该结构进行热应力分析，查看温度分布情况，并进行热结构耦合分析，避免热应力的破坏。加氢反应器一般存在硫化和再生工况，压力和温度同时循环波动，需要对该结构进行疲劳分析校核，以确定该结构承受循环载荷而不发生疲劳破坏的能力，热结构耦合应力分析见图所示。

3 总结

每一标准规范都有其适用范围，并不能包含所有工况，每种计算方法都有其自身的优点和不足，对常规设计不能确定的问题，对特殊部位或者不确定的因素，还需进行详细的应力分析计算，可以采用应力分析方法进行计算来解决，如果通过应力分析的线性化路径分析不能确定，可以采用塑性分析方法，包括极限载荷分析和弹塑性分析。一台设备整体属于常规设计，对于超范围的局部结构或者局部应力的校核，可以采用应力分析方法进行校核。常规设计和分析设计相互补充，相互结合，不断对标准进行完善，为工程设计进行指导。