熊维琼
（江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院，江苏 镇江 212009）
在我国工业高速发展的大背景下，相关设备、机械的生产与制造技术呈现高速发展的趋势，而压力容器作为一种较为常用的工业设备，在设计与制造上，自然也得到了迅速的发展，其中，压力容器的应力分析十分重要，能够提升压力容器的安全性与经济性，对推动我国工业的进一步发展具有重要意义，有利于促进我国工业经济的可持续发展。
现代社会的发展中，工业生产的发展十分重要，能够有效推动社会生产力水平的上升，推动工业经济的发展，而压力容器作为重要的工业工具，在工业领域中发挥着关键性的作用。然而，此容器具有一定的危险性，如果容器本身存在设计问题，将会增加容器应用过程中的安全风险，危及人身财产安全，也会造成环境的污染与破坏，后果十分严重。其中，应力主要指容器所受到的外界因素与物体内部因素相互作用抵抗，从而达到平衡效果，使得物体的变形能够恢复到变形前的位置，趋于稳定。
压力容器的常规设计方法，操作较为简易，且分析技术相对成熟，因此，部分国家在压力容器设计上，仍旧采用的是此种方法，然而，此种技术在一定程度上，会存在较多的局限性与限制因素，在解决部分负荷与几何结构上存在较多的问题，且在一些条件要求较为精细的容器设计中，此方法的运用更会受到限制。而应力分析设计方法，运用将安定荷载、极限荷载寿命等当作界限的准则，能够更好地弥补常规设计法下的缺陷，可以针对部分特殊负荷的零部件进行设计。具体而言，应力分析法所具有的优点，主要在于以下几个方面：首先，经过近年来科技的发展，该方法在设计与运用上，已经相对成熟，且相关人员对此设计方法在多年的应用后，经验较为丰富，实际运用的过程中也较为得心应手。其次，随着计算机、互联网、人工智能等技术的出现，此分析方法依托现代化的技术手段，能够对任何形式或结构进行应力分析，因此，具有较高的适用性与灵活性。
应力分析设计方法的主要特点，在于以下几个方面：首先，此项设计方法使用时，需要对压力容器以及相关的零部件进行详细的弹性应力分析，同时，在分析的过程中，主要应用计算、理论分析与试验模拟等方式，通过对这些方式的综合运用，得到最终的正确结果。其次，应用极限荷载，对一次应力进行有效控制，并用安定荷载对一次应力和二次应力，同时，用疲劳寿命控制最大总应力，以防止循环失效等问题的出现。最后，在实际分析中，需要依据相应的原则确定危险系数，对应力的最大限值进行确定，确定实际可承受应力值。
压力容器的应力分析，可以依据出发点的不同进行分类上的划分，以更好地测定危险系数，保证压力容器能够在各种应力的作用下，都能够安全与稳定地进行工作，具体而言，可以从以下几个方面进行分类。
2.1 依据应力产生的原因进行分类
由于产生应力的原因不同，因此应力也相应地可以被划分为不同的类别。例如，如果是由于物体外部的冷热温差因素形成的应力，由于机械荷载所形成的应力等，都可以依据形成因素进行类别的划分。冷热温差因素载荷，主要是由于物体自身的性质、重量、结构等，在温差的变化下，给容器造成的负荷变化，或由于容器与其他容器的部分位置相连，给容器造成负荷，而同一个物体上不同位置的温差载荷不同，或相连物体的不同温差载荷，都会使应力产生。
2.2 依据应力导出方法进行分类
依据应力导出方法的不同，也可以进行不同类别的分类。元件与元件在相互连接时，如果存在几何结构不连续，或载荷与材料性能不连续等情况，便有可能在介质压力的作用下，会有2种不同的应力导出方法。第一种主要是由于元件应力同介质应力之间，形成了静力平衡关系，从而导出的应力；
第二种主要是由于不同的元件在连接的边缘处受到介质压力，导致连接处出现变形，从而导出的边缘应力。这2种应力都是由于介质压力所导致的，然而，后者是由于介质压力所直接形成的应力，同第一种应力之间有一定的差别，同由于温差载荷形成的应力在一定程度上较为相似。
2.3 依据应力存在区域进行分类
依据应力存在的区域进行分类，主要依据容器的不同位置存在的应力，分析应力是处于区域位置还是整体位置，从而进行局部应力与整体应力的划分。具体而言，由于介质压力对封头或圆筒作用而产生的应力，通常会作用于整体区域，此类应力便是整体应力；
而介质应力对封头或与圆筒的连接处附近的一定区域内所造成的作用，便会导致应力不均，只处于封头处或圆筒连接处附近的一定范围内，此种便是区域应力，而除了这种情况外，另一种情况，可能是载荷或者结构发生突变，产生了区域应力。这两种应力所导致的最终后果，可能会存在一定的不同，整体性压力会有较大可能对容器造成破坏，使得容器失效，而区域产生的压力，则短时间内可能不会对容器产生较大影响。
2.4 依据应力性质进行分类
应力性质不同，对应力进行的分类也不同。具体而言，依据容器外壁与内壁的厚度的不同以及方向均匀的不同，可以将应力分为压缩性应力或拉伸性应力。除此之外，也可以依据容器的内壁与外壁的厚度方向是否呈现线性分布进行分类，分为薄膜应力与弯曲应力，同弯曲应力相比，薄膜应力更容易造成容器失效。
压力容器在不同荷载的作用下，可能会出现变形、断裂等现象，造成容器的损坏，给周边环境造成破坏，危害工业作业人员的人身安全，为此，对其所进行的安全管理工作十分重要，同时，在容器的设计环节，也需要相关设计人员能够对压力容器进行正确的应力分析，而应力分析的主要内容，在于以下几个方面。
（1）荷载来源。荷载来源主要为一次应力或二次应力荷载。一次应力主要指，由于受到外荷载的影响，致使压力容器出现正应力或剪应力，当应力超过材料屈服限值的时候，就会造成容器的变形与损坏，此处的外荷载，可以是外部压力、自身重力，也可以是风力、地震等，对容器造成的荷载。一次应力可具体分为总体薄膜应力、局部薄膜应力与一次弯曲应力三种。二次应力主要指压力容器其自身，由于受到约束进而形成的剪应力或正应力，可以是容器运行时的热胀冷缩所形成的应力，也可以是当容器发生位移时，所形成的应力。在压力容器设计时，需要对荷载来源进行考虑，从而提升容器的安全性能。
（2）静力分析。为了避免容器在应力的作用下，出现变形或损坏，便要对容器的内压荷载与其持续所受到的荷载进行一次应力的分析计算，同时，对位移与温差荷载的二次应力进行分析计算，同时，还要对容器与相关连接设备的相互作用受力进行分析，通过对上述分析的综合考量，对破坏稳定性的因素进行系统分析，才能够保证压力容器的稳定性与安全性。
（3）动力分析。在容器设备或系统运行的过程中，可能会由于容器的位移或其他特殊情况，造成容器的移动，而在这个过程中，如果容器本身设计存在问题，便有可能造成容器振动或共振情况的出现。因此，便需要对复式压缩机与往复泵等管线进行动力分析，同时，对气液柱频率、压力脉冲的不均匀程度进行分析，最后，对振幅进行试验测定，将压力脉动控制在可承受范围内。除此之外，还要对容器进行一定的震动防护装置，提升容器的稳定性。
（4）柔性容器设计分析。为了提升容器的安全性，避免容器由于一次变形发生破裂，便需要对容器进行一定的柔性设计，使其能够在合理的范围内承受变形或位移，为此，通常需要对容器的形状、壁厚、受力走向等进行合理设计，同时，也可以采用增设弹簧支吊架的形式，以增加容器的柔性。
通常传统的压力容器设计方法，是对薄膜应力或弯曲应力与单一许用应力进行分析、对比与计算，从而对容器的外壁厚度进行设计，此种设计方法较为便捷、简单，所需要操作的步骤较少，能够在一定程度上减少程序的复杂程度，然而，此种设计方式的缺陷，在于对受力情况的分析不够准确，不符合实际的受力情况。压力容器在工作的过程中，会受到以此薄膜应力、弯曲应力、热应力等的综合影响，因此，在进行容器的设计工作时，便需要对这些因素进行综合的考量。应力主要为一次应力、二次应力与峰值应力3个方面，通常较为常用的是峰值应力分析法。峰值应力主要是压力容器内部部分结构可能会出现不连续的现象，或者，局部的热应力过于集中，从而导致叠加在一次应力与二次应力上的应力增量受到影响，在这个过程中，所出现的最高应力值，便是峰值应力，对峰值应力依据第三强度理论进行评定，便可以进行压力容器的应力分析。随着有限元分析软件的发展，在应力分析的过程中，应用此分析法，能够针对几何形状不规则、壁厚突变以及材料非线性等问题进行有效的解决，使压力容器可以在结构与形式上进行大胆的突破与创新，因此方法在一定程度上较为适用于非标压力容器的设计。由此可见，该方法能够有效解决容器设计中，可能存在的大开孔、多接管的设计难题，也能够有效解决常规设计所造成的容器材料浪费、生产成本过高的问题，并能够对压力容器设计程序过多的情况进行进一步优化，因此，具有重要的意义。该软件在科技与技术的进步下，功能日益完善，能够满足现阶段内容器设计的大部分需求，也因此，有限元分析在压力容器的设计中愈发成为主要的手段之一，得到了广泛的应用。在此方法应用过程中，需要解决的一个问题，在于对有限元软件所计算出的最终结果如何进行应力分类与评定，而针对这一问题，便可以从等效线性化处理方法进行入手。
有限元分析通常并不能够直接得到对应力受力作用沿着容器的外形路径的分布表达式，为此，在线性化的过程中，首先，需要通过对拟合路径上所存在的会受到应力作用的点进行应力分布曲线的确定，之后积分得到相应的数值，对各点的应力进行计算与分析。
综上所述，工业生产中，压力容器作为一项重要的工业用具，能够对我国工业事业的发展起到一定的推动作用，同时，对我国的社会生产与人们的生活，都发挥着重要的作用。近年来，在科技发展的推动下，压力容器的应用愈发广泛，因此，对其的相关设计，也需要相关人员能够对安全性能与稳定性能的保证有充分的考虑，从而促进压力容器质量的提升，这就需要加大对压力容器技术的投资与开发力度，同时，加强对技术人员的相关专业培训，提升其专业素养，并通过对技术与材料的双重运用，能够实现对该技术的不断改进与优化，降低压力容器的开发与生产成本，并对相关的现代化计算机、人工智能等技术进行进一步开发与升级，从而有效推动压力容器设计的发展，为我国工业经济的发展奠定有益的基础。
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