管口载荷对压力容器设计计算影响

孙宗凯

摘要：压力容器是工业生产中应用广泛的一种容器，在压力容器设计计算时，常常采用 Relief、 Belief或 Theoretical等准则，这些准则中的计算方法主要是针对容器设计中的压力分析、强度计算、稳定性计算等，这些计算方法都有一定的适用范围和局限性，并且在某些情况下还可能会出现错误，但是对于管口载荷作用下的压力容器，其设计方法与上述的不同。本文首先对压力容器的结构形式进行了介绍，然后对管口载荷对压力容器设计计算的影响进行分析，希望可以为相关工作的开展提供参考。

关键词：管口荷载；局部应力；法兰密封

在压力容器设计中，很多情况下，由于压力容器内部管道与外部环境的交接处存在一定的间隙，需要进行管道密封处理，或者在连接法兰、螺栓等部件时，需要进行密封处理。

管口载荷是指压力容器壳体与管道连接时，由于存在结构、尺寸和安装等因素的影响，使得连接处管口部位载荷变化，从而导致管口与壳体之间的接触面积发生变化，管口载荷将直接影响到压力容器设计。根据相关规范规定，对于管口载荷作用下的压力容器，设计人员需要根据具体情况，采用适当的方法处理连接处管口载荷对压力容器设计计算的影响。

1压力容器的结构形式

压力容器是一种用于盛装气体或液体的压力容器，按照结构形式可分为：筒体、封头、接管和法兰，在设计中需要对所盛装介质进行压力分析，然后按照应力分类进行强度校核和稳定性校核。由于压力容器的设计中一般都需要考虑介质的压力作用，因此对于需要进行强度校核的筒体、封头、接管等容器部件，其设计计算中通常都会考虑介质的压力。然而对于接管和法兰等部件，在实际使用时还受到管口载荷的作用，因此为了保证压力容器设计计算结果的可靠性和准确性，在进行管口载荷作用下的压力容器设计计算时，需要采用一定的计算方法。关于管口载荷对压力容器设计计算影响的研究，最早可以追溯到上世纪40年代初。在国外，许多学者进行了相关研究，由于在容器设计中还存在许多其他因素，例如应力分析、强度校核、稳定性校核等，因此对于管口载荷作用下的压力容器设计计算方法也是多种多样[1]。

2管口载荷对压力容器设计计算的影响分析

2.1管口载荷作用下的容器设计

在压力容器设计时，需要对其进行分析，压力容器的分析主要是通过对压力容器进行一系列的设计计算来完成的。压力容器在设计计算时，需要首先确定其结构尺寸和所受的载荷，然后按照相应的方法进行强度计算，并采用相应的结构形式来确保压力容器具有足够的安全性。通常情况下，压力容器在设计时都是根据标准规范来完成其强度设计，但是由于管口载荷作用下压力容器受到多方面影响，因此在设计时需要对其进行综合考虑，因此在设计压力容器时需要对其进行综合分析，以确保其满足相应的设计要求。在实际进行压力容器设计时，常常采用 Relief准则或 Belief准则来完成其强度计算工作，根据我国现行《承压设备焊接规范》可知：在正常运行状态下，如果是焊接结构，则可以使用 Relief准则进行计算；如果是其他结构，则可以使用 Belief准则进行计算。

通过对压力容器进行综合分析可以发现：如果容器连接处的管口载荷较大时，那么在对其进行强度计算时就需要考虑其对管口的影响。对于管口载荷作用下的压力容器，其主要有三种连接方式：一是通过法兰连接；二是通过螺栓连接；三是通过焊接连接。通常情况下，在进行压力容器强度设计时，通常都会先按照上述三种方式来完成其强度计算工作。在这种情况下，由于管口载荷作用下的压力容器需要承受较大的载荷，所以需要对其进行一定的载荷处理。通常情况下，在对压力容器进行强度设计时可以将管口载荷作为一个重要因素考虑进去。但是在实际操作过程中，由于管口载荷往往难以准确确定等问题的存在，所以通常情况下都会忽略这一因素[2]。

2.2管口载荷局部应力计算

在压力容器设计计算中，常采用 Relief准则。Relief准则是指根据结构的几何形状，假定所有局部应力均是由某一部位产生，其余部位保持不变，当容器中存在应力集中的部位时，设计人员需要通过增加该部位的刚度来避免其发生塑性变形。但是，在压力容器中由于管口载荷对压力容器设计计算产生了较大的影响，因此采用 Relief准则是不合适的。实际上在实际压力容器设计中，当需要对管口载荷作用下的压力容器进行设计计算时，应先对管口载荷作用下的局部应力进行计算，再根据计算结果对管口载荷作用下的压力容器进行设计计算。但是在实际工作中由于受到种种条件的限制，如缺少必要的局部应力测量数据，经常不能及时对压力容器进行设计计算，因此在这种情况下采用 Relief准则是不合适的。在实际工作中压力容器管口载荷对局部应力影响主要表现在：1）由于管口载荷作用造成管壁局部应力超过材料许用应力；2）由于管口载荷作用造成结构变形增加；3）由于管口载荷作用造成局部应力集中。

2.3管口载荷对设备支撑结构影响

根据规定，设备支撑结构一般为圆钢管，对于管口载荷作用下的压力容器，为提高强度需在支承结构上设置加强环，但若按标准方法计算其设计值会偏大，因为根据标准规定管口载荷作用下的压力容器强度计算采用 Relief准则，因此为满足强度要求需要对管口载荷作用下的压力容器进行弹塑性分析。采用 Relief准则计算时，由于管口载荷作用于容器时其变形与管件的变形不同，故无法将二者进行直接比较，而对于弹性计算而言，管道的刚度和强度均可通过弹性力学方程求解，采用此算法得到的结果与 Relief准则得到的结果基本一致。由于管口载荷对压力容器的影响主要是使其弹性变形和弹塑性变形之间产生差异，因此可以通过弹性分析法来计算出管口载荷作用下压力容器的变形情况，通过弹性分析法得到了与 Relief准则完全相同的结果。

2.4管口载荷对管法兰密封面影响

对于压力容器管法兰连接处是一种典型的应力集中区域，对于管口载荷作用下的法兰连接处，法兰密封面的最大应力值将会很大，并且当载荷增大到一定值时，最大应力将会超过材料的许用应力。当法兰连接处发生塑性变形时，密封面会产生泄漏，所以对管口载荷作用下的法兰连接处需要进行合理的处理。在上述实例中，当容器受到管口载荷作用时，压力容器内的介质将会从法兰连接处泄漏出去，因此应尽可能地将密封面和法兰连接处设计成一个整体结构，而不是两个单独的构件，同时还应对法兰和密封面之间的连接结构进行合理地设计[3]。

3结语：

综上所述，管口载荷对压力容器设计计算的影响是不可避免的，在进行压力容器设计计算时，需要根据具体情况采用合适的方法处理管口载荷对压力容器设计计算的影响，对于管口载荷作用下的压力容器，由于壳体与管道之间存在间隙，需要采用合适的方法处理间隙，以确保压力容器设计计算符合规范要求。对于管口载荷作用下的压力容器，如果在设计中无法进行有效处理，可以采用合理的方法对法兰连接部位进行密封处理，以确保压力容器与管道之间不存在缝隙。在处理管口载荷对压力容器设计计算影响时，需要结合具体情况进行分析，并采用适当的方法处理。

参考文献：

[1]金旭强,郝亮,吕大勇.异性材质压力管道连接技术研究探讨[J].建筑技术开发,2022,49(24):107-109.

[2]王冲,王彦军,周顺等.基于有限元研究某站场天然气压力管道应力分析及缺陷评估[J].当代化工研究,2022,No.125(24):116-118.

[3]刘世峰,彭浩.基于Workbench的核级压力容器实体与薄壳模型抗震模拟对比[J].化纤与纺织技术,2022,51(12):124-126.