基于制冷压力容器中应力集中及改善方法分析

郝正桥 葛永峰

摘要：本文对应力集中现象以及概念进行阐述，对制冷压力容器设计以及制造阶段会产生的应力要素进行分析，总结改善应力集中的措施。

关键词：制冷压力容器;应力集中;改善方法

制冷压力容器在设计过程中要对强度理论进行分析，选取稳定性失效以及弹性失效基本原则，在平板理论以及薄壳理论中获取相应结果。通过对制冷压力容器合理进行应力分析，能获取相应结论。制冷压力容器在设计与制造中，参照相应的技术标准以及技术规范要求，对相关结构规定以及制造要求进行分析，能有效优化应力分布，降低应力集中导致承压安全性以及提高应用寿命。不仅要注重提升压力容器安全性，还要对制冷压力容器各项技术标准进行分析，对应力集中现象合理控制。

1、应力集中相关概念

应用材料受到截面尺寸变化将会导致应力增大，此类现象属于应力集中。承受轴向拉伸、压缩构件，离加力区域稍远以及横截面尺寸没有全面变化，横截面中应力能均匀分布。在各个构件中，有部分两件存有切口、开孔、切槽、螺纹、油孔等，加上此类位置截面尺寸具有较大变化。比如带有切口以及存有圆孔的板条，当其受到轴向拉伸问题影响，在切口与圆孔中应力数据不断增加，应力迅速降低且处于均匀发展状态。此时横截面上应力状态不能均匀性分析，在静荷载作用中，各类材料对于应力集中敏感度具有较大差异[1]。比如塑性材料具有相应屈服力，截面中最大应力达到屈服极限，此时应力不会增大。加上外力持续性增加，增大的应力由截面上尚未屈服的材料进行担负。

2、制冷压力容器在设计与制造中存在的应力集中

应力集中是受到压力容器几何形状突变问题影响，导致结构存有不连续性，会导致弹性变形产生不连续性。在应力集中位置两端的壳体位置弹性变形互相约束会产生边缘弯矩、边缘力，会产生应力集中问题。在制冷压力容器在设计阶段，受到各项工艺以及应用要求进行分析，将会出现结构突变不连续性问题。在制造过程中，由于制造以及加工中存有多项限制性要素将会导致机械损伤问题，均会产生应力集中。在制冷压力容器设计过程中，大多是选取成型封头以及回转筒体，封头以及筒体连接过程中结构突变以及不连续性突出，是应力较为集中的部位。正常情况下，制冷压力容器在应用中要拼装成相应机组，受到安装场地限制性影响要求制冷压力容器结构更为紧凑[2]。

受到工作介质差异性，在制冷压力容器设计中，各个部件材料存有较大差异。受到功能以及工艺要求，在制冷压力容器封头以及筒体中要在其他各个部位开孔，要对接管合理焊接。在接管与筒体在连接中结构突变以及不连续性突出，存有较高应力集中。长颈对焊法兰是标准件，筒体以及接管厚度由于设计条件差异具有可变性，长颈对筒体以及焊法兰会产生局部结构不连续性，在对接部位存有应力集中问题。制冷压力容器制造中焊接操作是重要工序，焊接接头存有较大不均匀性。焊接接头热影响区域在不同位置在焊接中受到热作用力影响，具有多项性能。焊接缺陷中会导致截面受力均匀性降低，应力较为集中。制冷压力容器加工中，诸多大部件在加工中会产生多项划痕、碰撞、机械损伤等。做好管板加工、筒体卷制吊装、封头筒体组装等，此类损伤应力较为集中[3]。

3、制冷压力容器改善应力集中的措施探析

（一）选取适合的封头型式

从应力分布具体现状中能得出，封头在排列顺序划分中主要能分为半球型、椭圆形、蝶形、无折边球型、平封头等。从受力情况、材料消耗、制造现状等进行多方面分析，其中压力容器封头形式主要是选取椭圆封头。所以当前在设计中要注重选取椭圆型封头，能有效优化受力结构以及应力集中状态。

（二）选择性能相近的材料

从全面降低应力集中角度，要对连接件刚度差合理分析，对连接构件内压作用下产生的自由变形不协调性进行控制。在均匀荷载作用中，降低两个连接件的刚度差，能有效降低连接件产生的不连续应力状态。所以当前在制冷压力容器设计选材中，要确保材料性能较为接近，对应力集中现状进行优化。

（三）减小各个类型的棱角

在制冷压力容器结构设计过程中，要选取针对性控制措施，对各个类型圆弧圆角半径合理扩大。其中在尖锐度较高的拐角位置，要做好倒角以及倒圆设计，此项措施能有效规避压力容器应用中受到外力作用状态影响，避免应力过于集中。比如在接管位置以及筒体设计连接中选取倒圆角设计，能保障连接位置应力值全面降低，降低30%左右[4]。

（四）不等厚连接部位削薄过渡

多数应力集中存有局部性，在制冷压力容器设计以及制造中要针对性做好局部处理操作，对边缘结构进行优化，比如选取长颈对焊法兰接管以及筒体不等厚对接操作。在相同内压作用中，受到结构不连续性影响，将会导致自由变形不协调，在连接位置中会产生较大的应力集中问题。为了对应力集中进行控制，要将长颈对焊法兰和筒体连接一段在一定范围中做成削薄过渡。

（五）打磨焊缝余高，修复机械损伤

在焊接操作中，焊縫余高较高，将会导致局部结构不连续性产生应力集中。加上余高存有缺陷，此类缺陷将会产生疲劳裂纹核，此缺陷在荷载作用中将会产生疲劳扩展，导致断裂问题发生。相关研究部门在试验中提出，存有焊缝余高的设备对比打磨之后没有余高的设备应用寿命要缩短2.0至2.5倍，因此要结合对应条件对焊缝余高针对性打磨处理操作[5]。

结语：

综合上述，在制冷压力容器设计制造过程中，开孔、支撑此类附件容器几何结构连续性破坏等问题突出，在焊接以及吊装过程中会产生焊接以及损伤缺陷。上述各项问题均会产生应力集中问题，应力集中将会导致压力容器产生诸多脆性裂口以及疲劳破坏问题。所以当前要选取规范化措施对应力集中以及应力降低问题进行控制，优化压力容器设计和制造操作。

参考文献

[1]龚本，李军，金国民.制冷压力容器中应力集中及改善措施探讨[J].低温与特气，2016，34（3）：14-15，22.

[2]熊从贵，胡家扬，林通.氨制冷压力容器封头直边开裂原因分析[J].压力容器，2019，36（2）：65-71.

[3]赵鹏.制冷工业用蒸发器低温低应力工况分析[J].中国化工装备，2016（2）：37-38，42.

[4]林建.低温压力容器及低温低应力容器的设计[J].化工设计通讯，2019，45（5）：172-173.

[5]薛波.氨制冷压力容器应力腐蚀开裂原因及其对策[J].化工管理，2015（14）：34.

作者简介：出生年月：1991.9.10 1981.10;性别：男;民族：汉;籍贯：山东省菏泽市单县，山东省，安丘市;学历：专科;职称：助理工程师;研究方向：制冷压力容器。