基于制冷壓力容器中應力集中及改善方法分析

郝正橋 葛永峰

摘要：本文對應力集中現象以及概念進行闡述，對制冷壓力容器設計以及制造階段會產生的應力要素進行分析，總結改善應力集中的措施。

關鍵詞：制冷壓力容器;應力集中;改善方法

制冷壓力容器在設計過程中要對強度理論進行分析，選取穩定性失效以及彈性失效基本原則，在平板理論以及薄殼理論中獲取相應結果。通過對制冷壓力容器合理進行應力分析，能獲取相應結論。制冷壓力容器在設計與制造中，參照相應的技術標準以及技術規范要求，對相關結構規定以及制造要求進行分析，能有效優化應力分布，降低應力集中導致承壓安全性以及提高應用壽命。不僅要注重提升壓力容器安全性，還要對制冷壓力容器各項技術標準進行分析，對應力集中現象合理控制。

1、應力集中相關概念

應用材料受到截面尺寸變化將會導致應力增大，此類現象屬于應力集中。承受軸向拉伸、壓縮構件，離加力區域稍遠以及橫截面尺寸沒有全面變化，橫截面中應力能均勻分布。在各個構件中，有部分兩件存有切口、開孔、切槽、螺紋、油孔等，加上此類位置截面尺寸具有較大變化。比如帶有切口以及存有圓孔的板條，當其受到軸向拉伸問題影響，在切口與圓孔中應力數據不斷增加，應力迅速降低且處于均勻發展狀態。此時橫截面上應力狀態不能均勻性分析，在靜荷載作用中，各類材料對于應力集中敏感度具有較大差異[1]。比如塑性材料具有相應屈服力，截面中最大應力達到屈服極限，此時應力不會增大。加上外力持續性增加，增大的應力由截面上尚未屈服的材料進行擔負。

2、制冷壓力容器在設計與制造中存在的應力集中

應力集中是受到壓力容器幾何形狀突變問題影響，導致結構存有不連續性，會導致彈性變形產生不連續性。在應力集中位置兩端的殼體位置彈性變形互相約束會產生邊緣彎矩、邊緣力，會產生應力集中問題。在制冷壓力容器在設計階段，受到各項工藝以及應用要求進行分析，將會出現結構突變不連續性問題。在制造過程中，由于制造以及加工中存有多項限制性要素將會導致機械損傷問題，均會產生應力集中。在制冷壓力容器設計過程中，大多是選取成型封頭以及回轉筒體，封頭以及筒體連接過程中結構突變以及不連續性突出，是應力較為集中的部位。正常情況下，制冷壓力容器在應用中要拼裝成相應機組，受到安裝場地限制性影響要求制冷壓力容器結構更為緊湊[2]。

受到工作介質差異性，在制冷壓力容器設計中，各個部件材料存有較大差異。受到功能以及工藝要求，在制冷壓力容器封頭以及筒體中要在其他各個部位開孔，要對接管合理焊接。在接管與筒體在連接中結構突變以及不連續性突出，存有較高應力集中。長頸對焊法蘭是標準件，筒體以及接管厚度由于設計條件差異具有可變性，長頸對筒體以及焊法蘭會產生局部結構不連續性，在對接部位存有應力集中問題。制冷壓力容器制造中焊接操作是重要工序，焊接接頭存有較大不均勻性。焊接接頭熱影響區域在不同位置在焊接中受到熱作用力影響，具有多項性能。焊接缺陷中會導致截面受力均勻性降低，應力較為集中。制冷壓力容器加工中，諸多大部件在加工中會產生多項劃痕、碰撞、機械損傷等。做好管板加工、筒體卷制吊裝、封頭筒體組裝等，此類損傷應力較為集中[3]。

3、制冷壓力容器改善應力集中的措施探析

（一）選取適合的封頭型式

從應力分布具體現狀中能得出，封頭在排列順序劃分中主要能分為半球型、橢圓形、蝶形、無折邊球型、平封頭等。從受力情況、材料消耗、制造現狀等進行多方面分析，其中壓力容器封頭形式主要是選取橢圓封頭。所以當前在設計中要注重選取橢圓型封頭，能有效優化受力結構以及應力集中狀態。

（二）選擇性能相近的材料

從全面降低應力集中角度，要對連接件剛度差合理分析，對連接構件內壓作用下產生的自由變形不協調性進行控制。在均勻荷載作用中，降低兩個連接件的剛度差，能有效降低連接件產生的不連續應力狀態。所以當前在制冷壓力容器設計選材中，要確保材料性能較為接近，對應力集中現狀進行優化。

（三）減小各個類型的棱角

在制冷壓力容器結構設計過程中，要選取針對性控制措施，對各個類型圓弧圓角半徑合理擴大。其中在尖銳度較高的拐角位置，要做好倒角以及倒圓設計，此項措施能有效規避壓力容器應用中受到外力作用狀態影響，避免應力過于集中。比如在接管位置以及筒體設計連接中選取倒圓角設計，能保障連接位置應力值全面降低，降低30%左右[4]。

（四）不等厚連接部位削薄過渡

多數應力集中存有局部性，在制冷壓力容器設計以及制造中要針對性做好局部處理操作，對邊緣結構進行優化，比如選取長頸對焊法蘭接管以及筒體不等厚對接操作。在相同內壓作用中，受到結構不連續性影響，將會導致自由變形不協調，在連接位置中會產生較大的應力集中問題。為了對應力集中進行控制，要將長頸對焊法蘭和筒體連接一段在一定范圍中做成削薄過渡。

（五）打磨焊縫余高，修復機械損傷

在焊接操作中，焊縫余高較高，將會導致局部結構不連續性產生應力集中。加上余高存有缺陷，此類缺陷將會產生疲勞裂紋核，此缺陷在荷載作用中將會產生疲勞擴展，導致斷裂問題發生。相關研究部門在試驗中提出，存有焊縫余高的設備對比打磨之后沒有余高的設備應用壽命要縮短2.0至2.5倍，因此要結合對應條件對焊縫余高針對性打磨處理操作[5]。

結語：

綜合上述，在制冷壓力容器設計制造過程中，開孔、支撐此類附件容器幾何結構連續性破壞等問題突出，在焊接以及吊裝過程中會產生焊接以及損傷缺陷。上述各項問題均會產生應力集中問題，應力集中將會導致壓力容器產生諸多脆性裂口以及疲勞破壞問題。所以當前要選取規范化措施對應力集中以及應力降低問題進行控制，優化壓力容器設計和制造操作。

參考文獻

[1]龔本，李軍，金國民.制冷壓力容器中應力集中及改善措施探討[J].低溫與特氣，2016，34（3）：14-15，22.

[2]熊從貴，胡家揚，林通.氨制冷壓力容器封頭直邊開裂原因分析[J].壓力容器，2019，36（2）：65-71.

[3]趙鵬.制冷工業用蒸發器低溫低應力工況分析[J].中國化工裝備，2016（2）：37-38，42.

[4]林建.低溫壓力容器及低溫低應力容器的設計[J].化工設計通訊，2019，45（5）：172-173.

[5]薛波.氨制冷壓力容器應力腐蝕開裂原因及其對策[J].化工管理，2015（14）：34.

作者簡介：出生年月：1991.9.10 1981.10;性別：男;民族：漢;籍貫：山東省菏澤市單縣，山東省，安丘市;學歷：?？?職稱：助理工程師;研究方向：制冷壓力容器。