龚　本，李　军，金国民

(武汉新世界制冷工业有限公司，湖北 武汉430023)



制冷压力容器中应力集中及改善措施探讨

龚本，李军，金国民

(武汉新世界制冷工业有限公司，湖北 武汉430023)

摘要:对应力集中现象及概念进行了阐述，同时对制冷压力容器设计和制造过程中可能导致应力集中的因素进行归纳总结，并提出了具体的改善应力集中的措施，方便大家探讨。

关键词:制冷压力容器；应力集中；改善措施

制冷压力容器的设计计算大多是建立在强度理论基础上，采用弹性失效和稳定性失效准则，应用薄壳理论和平板理论来求解结果[1]。通过对制冷压力容器进行应力分析，我们可以得到一些启示，即制冷压力容器设计和制造的技术规范和技术标准中的某些结构规定和制造要求，都是基于改善其应力分布，降低应力集中而达到提高其承压的安全性和使用寿命的目的。为了提高制冷压力容器的安全性，除了对制冷压力容器设计和制造的技术规范和技术标准进行了完善外，在其设计和制造过程中也要注意应力集中现象并使之尽量减小。

1应力集中概念

材料会由于截面尺寸的突然改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在离加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而在实际构件中，有些零件常存在开孔、切口、切槽、油孔、螺纹等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。如开有圆孔和带有切口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和实验证实[2]。截面尺寸突变部位的最大应力σmax与同一截面上的平均应力σ之比，用α表示：

称为理论应力集中系数，它反映了应力集中的程度，是一个大于1的系数，而且试验结果还表明：截面尺寸改变越剧烈，应力集中系数就越大[3]。

在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。塑性材料，比如低碳钢，具有屈服阶段，当截面上的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服的材料承担，使截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均；而脆性材料，则没有屈服阶段。

2制冷压力容器在设计和制造过程中存在的应力集中

应力集中是由于压力容器几何形状的突变，结构的不连续，而引起弹性变形的不连续，当应力集中部位两侧壳体的弹性变形相互约束必然产生边缘力和边缘弯矩，从而产生应力集中，制冷压力容器在设计过程中，由于使用要求及工艺需要，会出现结构突变不连续的情况；在制造过程中，因为加工和制造存在不科学的情况，会出现机械损伤，以上都有可能造成应力集中。

2.1结构不连续处

在制冷压力容器设计过程中，在结构突变尺寸不连续的部位存在应力集中现象，详见下文。

2.1.1封头与筒体的连接

在制冷压力容器设计中，一般采用回转筒体和成型封头，在筒体和封头的连接处存在结构突变和不连续，是应力集中的部位。通常制冷压力容器在使用时要拼装成机组或撬块在室内安装，安装场地的限制要求制冷压力容器结构需紧凑。因平盖封头可缩小设备体积，减小占地面积，故在实际设计过程中使用较为频繁。通过应力分析可知，平盖封头与筒体的连接部位存在很高的应力集中。

2.1.2 性能不同的材料连接

由于工作介质不同，在制冷压力容器设计过程中，各个部件的材料可能会有所差异，比如用于石油化工行业的管壳式冷凝器中，通常会要求换热管使用不锈钢材料，而管板使用碳钢材料，这样换热管和管板因是不同性能的材料焊接在一起，就会出现应力集中的现象。

2.1.3 插入式接管与筒体连接

因功能需要和工艺要求，通常会在制冷压力容器的筒体或封头或其他需要的部位上开孔，并焊接接管，比如工作介质的进出口、排气口、排污口等。在接管与筒体的连接部位有结构突变和不连续，存在很高的应力集中。

2.1.4 长颈对焊法兰与筒体或接管的不等厚连接

长颈对焊法兰通常是标准件，其连接小端的厚度是固定的，而筒体或接管的厚度由于设计条件的不同是可变的，当长颈对焊法兰与筒体或接管不等厚对接时会造成局部结构不连续，在对接部位有应力集中现象。

2.2焊接缺陷部位

焊接是制冷压力容器制造的重要工序。焊接接头具有十分明显的不均匀性。焊接接头热影响区的不同部位在焊接过程中经受不同的热作用，因而具有不同的组织与性能；焊接的缺陷(咬边、夹渣、气孔、裂纹、余高过高等)又会造成截面上受力不均匀，产生应力集中。

2.3机械损伤部位

制冷压力容器在加工制造过程中，大的部件在加工组装过程中不可避免地会出现不同程度的碰撞、划痕、磕伤等机械损伤，比如，筒体的卷制吊装、管板的加工、封头与筒体的组装、管箱管束的安装等，而这些损伤的部位存在应力集中。

3改善应力集中的措施

3.1选择合适封头型式

从应力分布情况分析，封头从最好到最差的排列顺序依次为：半球型封头、椭圆型封头、蝶形封头、无折边球型封头和平封头，从受力、制造和材料消耗等方面综合考虑，压力容器封头形式采用椭圆型封头最为合适。因此，在设计过程中尽量选择椭圆型封头，可改善受力结构和应力集中。

3.2选择性能相同或相近的材料

从减小应力集中出发，减少两连接件的刚度差，即减少两连接件在内压作用下所引起的自由变形不协调量。因而，在均匀载荷作用下，减小两连接件的刚度差，就能减少两连接件上的不连续应力。因此，在制冷压力容器设计选材过程中，两连接件的材料性能尽量相同或相近，使之刚度相近，可改善应力集中。

3.3减小各种类型的棱角

在制冷压力容器结构设计过程中，应当采取有效措施，使不同类型的圆弧圆角半径得到合理的扩大，在尖锐的拐角处，可以进行倒圆或倒角设计，这一系列措施可以避免压力容器在使用过程中，因为多次承受外力作用而发生应力集中，例如，在接管与筒体的连接处采用倒圆角设计可以使连接部位的应力值降低30%。

3.4不等厚连接部位削薄过渡

由于应力集中具有局部性，在制冷压力容器的设计和制造过程中只能做局部处理，改善边缘结构。

【】【】例如长颈对焊法兰与筒体或接管不等厚对接时，在同一内压作用下由于结构不连续导致自由变形的不协调，会在连接部位的一定范围内引起较大的应力集中。为减小应力集中，宜将长颈对焊法兰与筒体或接管连接一端在一定范围内做成削薄过渡。

3.5打磨焊缝余高

在焊接过程中，焊缝余高过高，导致局部结构的不连续造成应力集中。另外余高肯定有缺陷，这种缺陷很可能是产生疲劳裂纹的核，这些缺陷在外载荷作用下会形成疲劳扩展，并最终导致断裂。中国和日本曾经联合做过试验，发现有焊缝余高的设备比打磨后没有余高的设备使用寿命短2.0～2.5倍[3]。因此，若有条件，建议对焊缝余高进行打磨处理。

3.6修复机械损伤

对制冷压力容器制造过程中无意造成的划痕、损伤等应尽量修复，磨平，减小结构突变，可以改善应力集中。

4结论

制冷压力容器在设计过程中，不可避免的需要开孔和支承等附件，这些附件容器几何结构的连续性破坏，在吊装和焊接的过程中也不可避免的会出现损伤和焊接缺陷，以上均会造成局部应力集中现象，应力集中易引起压力容器的疲劳破坏和脆性裂口，因此采取合适的措施使应力集中降至最低的程度，是压力容器设计和制造中必须引起足够重视的关键问题。

参考文献：

[1] 李世玉.压力容器工程师设计指南[M].北京：化学工业出版社，1996.

[2] 彼德逊 R E.设计中的应力集中系数[M].刘纯仆，译.北京：中国工业出版社，1965.

[3] 米谷茂.残余应力的产生和对策[M].北京：机械工业出版社，1983.

[4] NB/T 47012—2010制冷装置用压力容器[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

中图分类号：TB657

文献标志码：A

文章编号：1007-7804(2016)03-0014-03

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.004

作者简介：

龚本(1981)，工程师，就职于武汉新世界制冷工业有限公司，专业领域：压力容器设计及制造。E-mail：gongbenwh@163.com