制冷壓力容器中應力集中及改善措施探討

龔　本，李　軍，金國民

(武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，湖北 武漢430023)

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制冷壓力容器中應力集中及改善措施探討

龔本，李軍，金國民

(武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，湖北 武漢430023)

摘要:對應力集中現(xiàn)象及概念進行了闡述，同時對制冷壓力容器設計和制造過程中可能導致應力集中的因素進行歸納總結，并提出了具體的改善應力集中的措施，方便大家探討。

關鍵詞:制冷壓力容器；應力集中；改善措施

制冷壓力容器的設計計算大多是建立在強度理論基礎上，采用彈性失效和穩(wěn)定性失效準則，應用薄殼理論和平板理論來求解結果[1]。通過對制冷壓力容器進行應力分析，我們可以得到一些啟示，即制冷壓力容器設計和制造的技術規(guī)范和技術標準中的某些結構規(guī)定和制造要求，都是基于改善其應力分布，降低應力集中而達到提高其承壓的安全性和使用壽命的目的。為了提高制冷壓力容器的安全性，除了對制冷壓力容器設計和制造的技術規(guī)范和技術標準進行了完善外，在其設計和制造過程中也要注意應力集中現(xiàn)象并使之盡量減小。

1應力集中概念

材料會由于截面尺寸的突然改變而引起應力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應力集中。承受軸向拉伸、壓縮的構件，只有在離加力區(qū)域稍遠且橫截面尺寸又無劇烈變化的區(qū)域內，橫截面上的應力才是均勻分布的。然而在實際構件中，有些零件常存在開孔、切口、切槽、油孔、螺紋等，致使這些部位上的截面尺寸發(fā)生突然變化。如開有圓孔和帶有切口的板條，當其受軸向拉伸時，在圓孔和切口附近的局部區(qū)域內，應力的數(shù)值劇烈增加，而在離開這一區(qū)域稍遠的地方，應力迅速降低而趨于均勻。這時，橫截面上的應力不再均勻分布，這已為理論和實驗證實[2]。截面尺寸突變部位的最大應力σmax與同一截面上的平均應力σ之比，用α表示：

稱為理論應力集中系數(shù)，它反映了應力集中的程度，是一個大于1的系數(shù)，而且試驗結果還表明：截面尺寸改變越劇烈，應力集中系數(shù)就越大[3]。

在靜荷載作用下，各種材料對應力集中的敏感程度是不同的。塑性材料，比如低碳鋼，具有屈服階段，當截面上的最大應力達到屈服極限時，該處材料首先屈服，應力暫時不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應力就由截面上尚未屈服的材料承擔，使截面上其他點的應力相繼增大到屈服極限，該截面上的應力逐漸趨于平均；而脆性材料，則沒有屈服階段。

2制冷壓力容器在設計和制造過程中存在的應力集中

應力集中是由于壓力容器幾何形狀的突變，結構的不連續(xù)，而引起彈性變形的不連續(xù)，當應力集中部位兩側殼體的彈性變形相互約束必然產生邊緣力和邊緣彎矩，從而產生應力集中，制冷壓力容器在設計過程中，由于使用要求及工藝需要，會出現(xiàn)結構突變不連續(xù)的情況；在制造過程中，因為加工和制造存在不科學的情況，會出現(xiàn)機械損傷，以上都有可能造成應力集中。

2.1結構不連續(xù)處

在制冷壓力容器設計過程中，在結構突變尺寸不連續(xù)的部位存在應力集中現(xiàn)象，詳見下文。

2.1.1封頭與筒體的連接

在制冷壓力容器設計中，一般采用回轉筒體和成型封頭，在筒體和封頭的連接處存在結構突變和不連續(xù)，是應力集中的部位。通常制冷壓力容器在使用時要拼裝成機組或撬塊在室內安裝，安裝場地的限制要求制冷壓力容器結構需緊湊。因平蓋封頭可縮小設備體積，減小占地面積，故在實際設計過程中使用較為頻繁。通過應力分析可知，平蓋封頭與筒體的連接部位存在很高的應力集中。

2.1.2 性能不同的材料連接

由于工作介質不同，在制冷壓力容器設計過程中，各個部件的材料可能會有所差異，比如用于石油化工行業(yè)的管殼式冷凝器中，通常會要求換熱管使用不銹鋼材料，而管板使用碳鋼材料，這樣換熱管和管板因是不同性能的材料焊接在一起，就會出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。

2.1.3 插入式接管與筒體連接

因功能需要和工藝要求，通常會在制冷壓力容器的筒體或封頭或其他需要的部位上開孔，并焊接接管，比如工作介質的進出口、排氣口、排污口等。在接管與筒體的連接部位有結構突變和不連續(xù)，存在很高的應力集中。

2.1.4 長頸對焊法蘭與筒體或接管的不等厚連接

長頸對焊法蘭通常是標準件，其連接小端的厚度是固定的，而筒體或接管的厚度由于設計條件的不同是可變的，當長頸對焊法蘭與筒體或接管不等厚對接時會造成局部結構不連續(xù)，在對接部位有應力集中現(xiàn)象。

2.2焊接缺陷部位

焊接是制冷壓力容器制造的重要工序。焊接接頭具有十分明顯的不均勻性。焊接接頭熱影響區(qū)的不同部位在焊接過程中經受不同的熱作用，因而具有不同的組織與性能；焊接的缺陷(咬邊、夾渣、氣孔、裂紋、余高過高等)又會造成截面上受力不均勻，產生應力集中。

2.3機械損傷部位

制冷壓力容器在加工制造過程中，大的部件在加工組裝過程中不可避免地會出現(xiàn)不同程度的碰撞、劃痕、磕傷等機械損傷，比如，筒體的卷制吊裝、管板的加工、封頭與筒體的組裝、管箱管束的安裝等，而這些損傷的部位存在應力集中。

3改善應力集中的措施

3.1選擇合適封頭型式

從應力分布情況分析，封頭從最好到最差的排列順序依次為：半球型封頭、橢圓型封頭、蝶形封頭、無折邊球型封頭和平封頭，從受力、制造和材料消耗等方面綜合考慮，壓力容器封頭形式采用橢圓型封頭最為合適。因此，在設計過程中盡量選擇橢圓型封頭，可改善受力結構和應力集中。

3.2選擇性能相同或相近的材料

從減小應力集中出發(fā)，減少兩連接件的剛度差，即減少兩連接件在內壓作用下所引起的自由變形不協(xié)調量。因而，在均勻載荷作用下，減小兩連接件的剛度差，就能減少兩連接件上的不連續(xù)應力。因此，在制冷壓力容器設計選材過程中，兩連接件的材料性能盡量相同或相近，使之剛度相近，可改善應力集中。

3.3減小各種類型的棱角

在制冷壓力容器結構設計過程中，應當采取有效措施，使不同類型的圓弧圓角半徑得到合理的擴大，在尖銳的拐角處，可以進行倒圓或倒角設計，這一系列措施可以避免壓力容器在使用過程中，因為多次承受外力作用而發(fā)生應力集中，例如，在接管與筒體的連接處采用倒圓角設計可以使連接部位的應力值降低30%。

3.4不等厚連接部位削薄過渡

由于應力集中具有局部性，在制冷壓力容器的設計和制造過程中只能做局部處理，改善邊緣結構。

【】【】例如長頸對焊法蘭與筒體或接管不等厚對接時，在同一內壓作用下由于結構不連續(xù)導致自由變形的不協(xié)調，會在連接部位的一定范圍內引起較大的應力集中。為減小應力集中，宜將長頸對焊法蘭與筒體或接管連接一端在一定范圍內做成削薄過渡。

3.5打磨焊縫余高

在焊接過程中，焊縫余高過高，導致局部結構的不連續(xù)造成應力集中。另外余高肯定有缺陷，這種缺陷很可能是產生疲勞裂紋的核，這些缺陷在外載荷作用下會形成疲勞擴展，并最終導致斷裂。中國和日本曾經聯(lián)合做過試驗，發(fā)現(xiàn)有焊縫余高的設備比打磨后沒有余高的設備使用壽命短2.0～2.5倍[3]。因此，若有條件，建議對焊縫余高進行打磨處理。

3.6修復機械損傷

對制冷壓力容器制造過程中無意造成的劃痕、損傷等應盡量修復，磨平，減小結構突變，可以改善應力集中。

4結論

制冷壓力容器在設計過程中，不可避免的需要開孔和支承等附件，這些附件容器幾何結構的連續(xù)性破壞，在吊裝和焊接的過程中也不可避免的會出現(xiàn)損傷和焊接缺陷，以上均會造成局部應力集中現(xiàn)象，應力集中易引起壓力容器的疲勞破壞和脆性裂口，因此采取合適的措施使應力集中降至最低的程度，是壓力容器設計和制造中必須引起足夠重視的關鍵問題。

參考文獻：

[1] 李世玉.壓力容器工程師設計指南[M].北京：化學工業(yè)出版社，1996.

[2] 彼德遜 R E.設計中的應力集中系數(shù)[M].劉純仆，譯.北京：中國工業(yè)出版社，1965.

[3] 米谷茂.殘余應力的產生和對策[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.

[4] NB/T 47012—2010制冷裝置用壓力容器[S].

Study on Stress Concentration and Improvement Measures in Refrigeration Pressure Vessel

GONG Ben, LI Jun, JIN Guomin

(Wuhan New World Refrigeration Industrial Co.，Ltd.，Wuhan 430023, China)

Abstract:The stress concentration phenomenon and concepts are described, and refrigerating pressure vessel design and manufacturing process can cause stress concentration factors were summarized, and put forward the concrete improvement stress focused on measures to facilitate discussion.

Key words:refrigeration pressure vessel；stress concentration；improvement measures

收稿日期：2016-03-11

中圖分類號：TB657

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)03-0014-03

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.004

作者簡介：

龔本(1981)，工程師，就職于武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，專業(yè)領域：壓力容器設計及制造。E-mail：gongbenwh@163.com