近年來(lái)石化裝置的大型化，是我國和世界發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，由此帶來(lái)了壓力容器和壓力管道的參數化，即向著(zhù)大尺寸、高溫、高壓以及深冷的方向發(fā)展。在我國神華集團煤液化項目中，甚至出現了外徑達5500mm、壁厚達344mm、重約2000t的鍛焊加氫反應器，對于這樣的鋼制壓力容器，采用應力分析設計方法，具有明顯的經(jīng)濟效益。例如，一個(gè)單重1000t的加氫反應器按分析設計方法設計比常規方法設計可減輕設備重量約20%，節省投資1000~1200萬(wàn)元。越來(lái)越多的鋼制壓力容器和壓力管道采用應力分析方法設計，壓力容器有了JB4732《鋼制壓力容器--分析設計標準》，以及ANSYS和VAS等應力分析軟件。相對于壓力容器而言，目前我國壓力管道應力分析還沒(méi)有統一的標準，國家標準GB50316《工業(yè)金屬管道設計規范》和有關(guān)管道應力分析的行業(yè)標準基本上是參照ASME B31系列，至于鋼制壓力管道應力分析，則主要是遵循ASME B31.3的要求。管道應力分析不僅僅局限于局部應力的分析和判別，必須兼顧整個(gè)管系，在優(yōu)化配管的設計中有著(zhù)廣泛的應用?？梢哉f(shuō)離開(kāi)它，配管設計將寸步難行。按照應力的性質(zhì)分，分為靜力分析和動(dòng)力分析兩大類(lèi)。

壓力管道應力分析及理論

1.1靜力分析包括：

（1）壓力、重力等載荷作用下的管道一次應力計算--防止塑性變形破壞；

（2）熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等載荷作用下的二次應力計算--防止疲勞破壞；

（3）管道對機器、設備作用力的計算--防止作用力過(guò)大，保證機器、設備的正常運行；

（4）管道支吊架的受力計算--為支吊架設計提供依據；

（5）管道上法蘭的受力計算--防止法蘭泄露；

（6）管系位移計算--防止管道碰撞和支吊點(diǎn)位移過(guò)大等。

1.2動(dòng)力分析包括：

（1）往復壓縮機（泵）管道氣（液）柱固有頻率分析--防止氣（液）柱共振；

（2）往復壓縮機（泵）管道壓力脈動(dòng)分析--控制壓力脈動(dòng)值；

（3）管道固有頻率分析--防止管道系統共振；

（4）管道地震分析--防止管道地震應力過(guò)大；

（5）沖擊載荷作用下管道的應力分析--防止管道振動(dòng)和應力過(guò)大等。

管道振動(dòng)是一種機械振動(dòng)，需要說(shuō)明的是：機械振動(dòng)的問(wèn)題是一個(gè)世界性的難題，還需要不斷的完善和發(fā)展。

壓力管道應力分析的目的：保證管系自身的安全，保證相連設備的安全，保證土建結構的安全。

壓力容器應力分析設計的特點(diǎn)：科學(xué)合理，安全可靠，十分經(jīng)濟。但對材料、制造和檢驗提出較高的技術(shù)要求，通常在高溫、高壓、有疲勞以及局部結構需要分析的少數場(chǎng)合下采用。有些大型的儲存球罐的設計也采用。

壓力容器和壓力管道應力分析都采用了固體力學(xué)中最常用和最有效的數值分析方法--有限元法，而有限元法的發(fā)展借助了兩個(gè)重要的工具：在理論推導中采用了矩陣方法；在實(shí)際計算中采用了電子計算機。隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元法得到了越來(lái)越廣泛的應用，并已成為解決工程領(lǐng)域中力學(xué)問(wèn)題的最有效方法。

壓力容器應力分析及理論

鋼制壓力容器分析設計和壓力管道應力分析分別采用了厚壁和薄壁模型，薄壁假設認為各應力沿壁厚均勻分布，忽略了彎曲應力，壓力容器的常規設計方法也是采用這種假設；厚壁假設認為各應力沿壁厚是可以變化的，有彎曲應力的存在。因而，利用厚壁假設進(jìn)行應力分析更為精確和嚴密。根據ASME B31.3的規定，當管道的公稱(chēng)壓力大于42MPa時(shí)，薄壁模型已不再適用，應采用高壓管道的分析校核準則。

由于不同類(lèi)型的應力對損傷破壞的影響各不相同，因此便出現了應力分類(lèi)校核的方法，鋼制壓力容器分析設計和壓力管道應力分析都遵循等安全裕度原則。在壓力容器分析設計中各種應力的定義為：

（1）一次應力：為平衡壓力和其它機械載荷所必需的法向應力或剪應力。一次應力又細分為一次總體薄膜應力Pm、一次局部應力PL和一次彎曲應力Pb。

（2）二次應力Q：為滿(mǎn)足外部約束條件或結構自身變形連續要求必需的法向應力或剪應力。主要包括邊緣應力和溫度應力等。

（3）峰值應力F：由于局部結構不連續或局部熱應力影響而引起的附加在一次應力加二次應力上的應力增量。

在壓力容器分析設計中將應力細分為5類(lèi)，即：一次總體薄膜應力Pm、一次局部薄膜應力PL、一次彎曲應力Pb、二次應力Q和峰值應力F。在壓力管道應力分析中，也人為的將應力劃分為一次應力σI、二次應力σII兩大類(lèi)，其概念與壓力容器分析設計中的定義基本相同，只是不再細分為一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力和一次彎曲應力，也沒(méi)有峰值應力的概念。這主要是在壓力管道應力分析中采用薄壁假設的緣故。對于彎頭、三通等幾何不連續的應力集中，壓力管道應力分析中采用了應力增大系數的方法處理。而應力增大系數的數值是由疲勞試驗得出來(lái)的，它并不是應力集中系數，兩者不能混淆。

在壓力容器分析設計中采用了第三強度理論，即最大剪應力理論。最大剪應力理論的當量應力是第一主應力與第三主應力之差，在壓力容器分析設計中，將這一當量應力定義為應力強度。

在壓力管道應力分析中，一次應力是指管道縱向的組合應力，并不是在各種情況下等于最大拉應力。因此，一次應力校核條件看似屬于第一強度理論，實(shí)際上它不與任何強度理論相符合，應力是被限制在屈服限內，并留有一定的裕度。二次應力校核條件則來(lái)源于安定性的概念，可防止低周和高周疲勞破壞。

校核方法的比較

3.1壓力容器

鋼制壓力容器分析設計中各類(lèi)應力的校核條件為（為了說(shuō)明簡(jiǎn)便，考慮載荷組合系數K=1的情況）：

（1）一次總體薄膜應力Pm≤[σ]；

（2）一次局部薄膜應力PL≤1.5[σ]；

（3）一次總體薄膜應力Pm或一次局部薄膜應力PL與一次彎曲應力Pb之和≤1.5[σ]，即：Pm（PL）+Pb≤1.5[σ]；

（4）一次總體薄膜應力Pm或一次局部薄膜應力PL和一次彎曲應力Pb與二次應力Q之和≤3[σ]，即Pm（PL）+Pb+Q ≤3[σ]；

（5）一次總體薄膜應力Pm或一次局部薄膜應力PL和一次彎曲應力Pb與二次應力Q及峰值應力F之和≤2Sa，即Pm（PL）+Pb+Q+F≤2Sa。

[σ]為許用應力；Sa為許用應力幅，可從設計疲勞曲線(xiàn)求得。

事實(shí)上，考慮到風(fēng)載、地震載荷的影響以及壓力試驗情況，JB4732-1995《鋼制壓力容器--分析設計標準》中，引入了大于1的載荷組合系數K，K的數值由其表3-3給出。

在上述校核條件中，“校核條件（1）”最嚴格。這是由于一次總體薄膜應力的影響遍及壓力容器整個(gè)結構，且無(wú)自限性，因此最危險?！靶：藯l件（2）”考慮了一次局部薄膜應力的自限性和衰減性，因而它的控制條件可以放寬?！靶：藯l件（3）”是根據矩形截面純彎梁的極限分析結果引申而來(lái)的，它考慮了屈服后應力又重新分布的情況，也可以適當放寬?！靶：藯l件（4）”是根據結構安定性的條件得到的?！靶：藯l件（5）”是用于詳細的疲勞分析的場(chǎng)合。實(shí)際上，當循環(huán)次數較低時(shí)，只要滿(mǎn)足“校核條件（4）”的安定性條件，便可避免低周疲勞破壞。

3.2壓力管道

壓力管道應力分析中各類(lèi)應力的校核條件為：

一次應力σI≤[σ]h；

二次應力σII≤f（1.25[σ]c+0.25[σ]h）。

[σ]c為冷態(tài)許用應力，[σ]h為熱態(tài)許用應力，f為應力范圍減少系數，f的數值大小與循環(huán)當量數有關(guān)，f的取值一般為0.3~0.9。

相對于壓力容器分析設計，以ASME B31.3為代表的工藝管道的應力分析校核條件具有以下主要特點(diǎn)：

（1）一次應力校核條件只校核管道縱向的組合應力，它不遵循任何強度理論。二次應力校核條件實(shí)際上采用了最大剪應力理論；

（2）在工藝管道的應力分析中，不計算一次局部薄膜應力和一次彎曲應力，因此一次應力就是一次總體薄膜應力；

（3）工藝管道二次應力的校核條件源于安定性條件，理論基礎與壓力容器一次應力+二次應力的校核條件完全相同，可防止低周疲勞破壞；

（4）工藝管道二次應力的校核條件中引入了應力范圍減少系數f，當循環(huán)次數較高時(shí)，對許用應力的變化范圍進(jìn)一步加以限制，從而防止高周疲勞破壞的發(fā)生。

結論

總體來(lái)講，壓力管道應力分析標準在理論上不如壓力容器分析設計嚴密，但側重點(diǎn)各不相同。壓力容器分析設計的重點(diǎn)在局部（整體結構也做詳細應力分析和評判），尤其是接管開(kāi)孔處和結構不連續的地方，盡量采用圓滑過(guò)渡結構；而壓力管道應力分析的重點(diǎn)在整個(gè)管系的應力和柔性，通常情況下，在曲率突變的地方，例如彎頭、三通、四通、分支管等幾何不連續處并不進(jìn)行局部的詳細分析，而是采用了應力增大系數的方法處理。實(shí)踐證明，這種方法簡(jiǎn)單有效，便于工程應用，也更符合實(shí)際。對于一個(gè)龐大的管系，進(jìn)行局部的詳細分析是沒(méi)有必要和不現實(shí)的，盡管擁有電子計算機。但是，對于極少數大管開(kāi)大孔，不能使用三通的情況下，仍然需要借助壓力容器分析設計方法進(jìn)行開(kāi)孔處的應力詳細分析，求得所需要的應力增大系數，以幫助壓力管道應力分析的正確進(jìn)行；此時(shí)，壓力管道實(shí)際上已經(jīng)成為了壓力容器，只不過(guò)以管道的形式體現。壓力容器分析設計和壓力管道應力分析是現代過(guò)程裝置設計中的兩把利器，壓力容器分析設計中，在滿(mǎn)足科學(xué)合理的前提條件下，壓力容器盡可能具有足夠的剛性，尤其是壓力容器上的接管；壓力管道應力分析中，在滿(mǎn)足科學(xué)合理、配置優(yōu)質(zhì)管道的前提條件下，管系應盡可能具有良好的柔性。這樣，壓力容器和連接在壓力容器上的壓力管道，才能和諧的工作，為安全生產(chǎn)服務(wù)！正確地使用壓力容器分析設計和壓力管道應力分析方法，并協(xié)同作戰，既可確保裝置安全運行，又可發(fā)揮出其應有的經(jīng)濟效益，也是進(jìn)一步提高設計水平的重要環(huán)節之一。