【正文】 角焊縫）均應采用全焊透結(jié)構(gòu)世界各國規(guī)范對壓力容器分類的方法各不相同，本節(jié)著重介紹中國《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的分類方法。爆炸下限小于10％，或爆炸上限和下限之差值大于等于20％的介質(zhì)，一般稱為易燃介質(zhì)，如甲烷、乙烷、乙烯、氫氣、丙烷、丁烷等。研究表明，當混合物中可燃氣體含量滿足完全燃燒條件時，則其燃燒反應最為劇烈。如Q235一B鋼板不得用于制造毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的壓力容器；盛裝毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的容器制造時，碳素鋼和低合金鋼板應逐張進行超聲檢測，整體必須進行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應進行100％射線或超聲檢測，且液壓試驗合格后還得進行氣密性試驗。所需劑量的濃度愈低，表示毒性愈大。 介質(zhì)危害性指介質(zhì)的毒性、易燃性、腐蝕性、氧化性等，其中影響壓力容器分類的主要是毒性和易燃性。 壓力容器分類壓力容器的使用范圍廣、數(shù)量多、工作條件復雜，發(fā)生事故所造成的危害程度各不相同。雖然焊接質(zhì)量控制還涉及許多焊接工藝過程問題，但設計環(huán)節(jié)的主要任務是焊接結(jié)構(gòu)設計和確定無損檢測方法、比例及要求。上述7種殼和4種板可以組合成各種壓力容器結(jié)構(gòu)形式，在加上密封元件、支座、安全附件等就構(gòu)成了一臺完整的壓力容器。而本次研究將以解析法、電測法、有限元分析法分別進行應力分析，這種實驗與理論相結(jié)合，用實驗來驗證理論分析的正確性，并借助計算機進行分析的方法，當前被廣泛使用。如果和壁厚相等的筒體連接，邊緣附近的最大應力與薄膜應力并無明顯不同等優(yōu)點被廣泛用于壓力較高、直徑較大的高壓容器和特殊需要的場合；而橢圓形封頭經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，而橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭。一些高新技術(shù)領域，如航空航天技術(shù)、先進能源技術(shù)、先進防御技術(shù)等，也離不開過程設備。但從結(jié)構(gòu)上講，過程設備是由承受一定壓力的外殼（壓力容器）和各種各樣的內(nèi)件組成，而壓力容器是整個過程設備的關鍵部件，因此人們對壓力容器研究不斷深入。由于壓力容器在社會各行各業(yè)的生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)确矫婢哂胁豢扇〈牡匚?，因此，為保證壓力容器工作時的安全，對球形封頭和橢圓形封頭進行應力分析及測定課題的研究是十分必要的。 本章在介紹壓力容器的總體結(jié)構(gòu)的基礎上，結(jié)合介質(zhì)的危害程度、操作條件及容器在生產(chǎn)中的作用，較為全面地闡述壓力容器分類方法，最后著重介紹凸形封頭常用的幾種形式，以及每種形式的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點。 圖11 壓力容器的結(jié)構(gòu)上圖11這臺壓力容器可分解為筒體、封頭、支座、開孔接管、密封裝置、安全附件等六大部件，筒體和封頭的作用是提供所需的承壓空間；密封裝置的作用是便于內(nèi)件的裝拆和檢修以及容器內(nèi)表面的檢測；支座用于支承壓力容器；安全附件主要是防止壓力容器超壓、超溫；開孔接管主要用于物料進出、提供檢查和控制件接口。焊接結(jié)構(gòu)沒汁涉及接頭的形式（如對接、搭按、角接)、接頭的坡口形式、幾何尺寸等。危害程度與多種因素有關，如設計壓力、設計溫度、介質(zhì)危害性、材料力學性能、使用場合和安裝方式等。(1)毒性毒性是指某種化學毒物引起機體損傷的能力，用來表示毒物劑量與毒性反應之間的關系。設計壓力容器時，依據(jù)化學介質(zhì)的最高容許濃度，中國將化學介質(zhì)分為極度危害(I級)、高度危害(II級)、中度危害(III級)、輕度危害(IV級)等四個級別。而制造毒性程度為中度或輕度的容器，其要求要低得多。若其含量減少或增加，火焰燃燒速度則會降低，而當濃度低于或高于某一限度值時，就不再燃燒和爆炸。易燃介質(zhì)包括易燃氣體、液體和固體。 (1)按壓力等級分類按承壓方式分類，壓力容器可分為內(nèi)壓容器與外壓容器。①反應壓力容器(代號R) 主要是用于完成介質(zhì)的物理、化學反應的壓力容器，如反應器、反應釜、聚合釜、高壓釜、合成塔、蒸壓釜、煤氣發(fā)生爐等。如分離器、過濾器、集油器、緩沖器、干燥塔等。(3)按安裝方式分類根據(jù)安裝方式可分為固定式壓力容器和移動式壓力容器。這類壓力容器使用時不僅承受內(nèi)壓或外壓載荷，搬運過程中還會受到由于內(nèi)部介質(zhì)晃動引起的沖擊力以及運輸過程帶來的外部撞擊和振動載荷，因而在結(jié)構(gòu)、使用和安全方面均有其特殊的要求。為此，綜合考慮設計壓力、容積、介質(zhì)危害程度、容器在生產(chǎn)中的作用、材料強度、容器結(jié)構(gòu)等因素，《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》將所適用范圍內(nèi)的壓力容器分為三類，即第一類壓力容器、第二類壓力容器和第三類壓力容器[1]。由于各國的經(jīng)濟政策、技術(shù)政策、工業(yè)基礎和管理體系的差異，壓力容器的分類方法也互不相同。但是，如果對材料、制造、檢驗等提出特殊要求，設計壓力高于100MPa的壓力容器也可歸人第一類容器[1]。如下圖（a）所示優(yōu)點：在均勻的內(nèi)壓作用下，薄膜應力為相同直徑圓筒體的一半，是最理想的結(jié)構(gòu)形式。應用：用于壓力較高、直徑較大的高壓容器和特殊需要的場合。（3） 蝶形封頭結(jié)構(gòu)：帶折邊球面封頭，由半徑為Ri的球面體、半徑為r的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成。邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部位的應力遠遠高于其它部位，故受力狀況不佳。缺點：球面與圓筒連接處沒有轉(zhuǎn)角過渡，所以在連接處附近的封頭和圓筒上都存在相當大的不連續(xù)應力，其應力分布不甚合理。（6）平蓋主要用于直徑較小、壓力較高的容器。對于壓力容器和其他承壓結(jié)構(gòu)常用的應力分析方法見下所述。什么是泛函？泛函就是“函數(shù)的函數(shù)”。 求近似解還基于這樣的原理：對于一個處于平衡狀態(tài)的彈性體，其位移必使位能取得最小值，而應力分量將使余能取得最小值。差分法主要是從數(shù)學上對彈性力學基本方程作近似處理，把基本偏微分方程和由邊界條件所確定的方程化為對應的有限差分方程，用差分代替微分，最終形成線性代數(shù)方程組，把求微分方程問題化成了求線性代數(shù)方程組的問題。即把連續(xù)的彈性體設想為由許多，然而又是有限個單元組成；這些單元形狀簡單，每個單元上有若干個節(jié)點，各個單元僅在節(jié)點處按一定方式相互聯(lián)系、相互作用。以上這些過程就稱為結(jié)構(gòu)的“離散化”處理。實驗應力分析的方法很多，但最常用的兩種方法是電測法和光彈性法?？梢姡娮璧淖兓c應變有一定的對應關系。例如，應變片位置的偏差，應變片與殼壁接觸的緊密程度，應變片與導線的焊接質(zhì)量，環(huán)境、溫度的變化等。 光彈性法的特點是直觀性強，可直接看到應力集中的部位，從而能迅速求出應力集中系數(shù)。該微元的經(jīng)線弧長（）為 與殼體正交的圓錐面截線長為 微元體abdc的面積為 殼體承受軸對稱載荷，與殼體表面垂直的壓力為 據(jù)回轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論，微元截面上僅產(chǎn)生經(jīng)向和周向內(nèi)力、。 由圖21（c）知，經(jīng)向內(nèi)力和在法線上的分量為將，代入上式。必須再找一個補充方程，此方程可從部分容器的靜力平衡條件中求的。容器mOm’區(qū)域上，外載荷軸向分量V，應與mm’截面上的內(nèi)力軸向分量相平衡，所以 （22）此式稱為殼體的區(qū)域平衡方程，通過式22可求的，代入式21可解出。.將，代入式（23）和式（24）得 （26）顯然，式（26）與前截面法求的結(jié)果相同，薄壁圓筒中，周向應力是周向應力的2倍。橢圓切線的斜率（在x—y坐標中）為 從圖23可知 和 ，從這三式中可計算得將和代入式｛23｝和（24）得 (27)這個用以計算橢球殼薄膜應力的方程式，是由胡金伯格（Huggenberger）首先導出的，故又稱胡金伯格方程。這個現(xiàn)象應采用整體或局部增加厚度及局部采用環(huán)狀加強構(gòu)件措施加以預防。因為上述因素之中，無論哪一個有突然變化，如按無理距理論計算,則在這些突然變化處，中面變形將是不連續(xù)的。在很多的實際問題中，一方面按無力矩理論求出問題的解，另一方面對彎矩較大的區(qū)域再用有力矩理論進行修正。 在兩殼體連接處，若把兩殼體作為自由體，即在內(nèi)壓作用下自由變形，在連接處的薄膜位移和轉(zhuǎn)角一般不相等，而實際上這兩個殼體是連接在一起的，即兩殼體在連接處的位移和轉(zhuǎn)角必須相等。分析組合殼不連續(xù)應力的方法，在工程上稱為“不連續(xù)分析”。求得的薄膜應力與相應的載荷同時存在，這類應力稱為一次應力?，F(xiàn)以圖25所示一半球殼與圓柱殼連接的組合殼為例說明。其中，、和位移、轉(zhuǎn)角關系分別用無力矩和有力矩理論求得。這種性質(zhì)稱為不連續(xù)應力的局部性。分析在內(nèi)壓力分別為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa的作用下，球形封頭上指定的各點的應力大?。恳驗? 即該球形殼體歸為薄殼根據(jù)式25 直邊段上的點按薄壁圓筒計算，由式26 點的選?。河捎谇蛐畏忸^上各點的第一曲率半徑和第二曲率半徑相等，由式25知，各點的經(jīng)向和環(huán)向應力相等，所以在選取特殊點時只需考慮貼片的方便。表31 球形封頭的應力值點號應力符號1MPa2MPa3MPa4MPa5MPA1(x=0)2(x=40)3(x=80)4(x=110)5(x=130)6(x=150)7(x=156)8(x=) 球形封頭的應力分析根據(jù)上述計算結(jié)果可得以下結(jié)論：（1）在直徑和內(nèi)壓相同的情況下，球殼內(nèi)的應力僅是圓筒形殼體環(huán)向應力的一半，即球形殼體的厚度僅需圓筒容器厚度的一半。在直徑、壁厚和工作壓力相同的條件下球形封頭內(nèi)所受的應力最小，兩向薄膜應力相等，而且沿經(jīng)線是均勻分布的。 （5）隨著內(nèi)壓的成倍增加，球形封頭和圓筒的應力也成倍數(shù)增大。將數(shù)據(jù)代入上述相應的公式，所得的結(jié)果如下表32所示。表示為壓應力；值越大，即封頭成型越淺，x=a處的壓應力越大。（6）橢圓形封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平穩(wěn)連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之一。當時，橢圓形封頭中的最大應力還將增大，其環(huán)向應力的最大值（絕對值）將從橢球頂移至橢球周邊處。（10）隨著內(nèi)壓的成倍增加，橢圓形封頭和圓筒的應力也成倍數(shù)增大。單位為。這就是應變片的電阻變化率與應變值的關系，對于同一值，金屬電阻絲的材料有關值越大則也越大；測量時，易得較高的精度，因此值是反應應變片對應變敏感程度的物理量，稱為應變片的“靈敏系數(shù)”，常數(shù)的大小與金屬電阻絲的材料和應變片的結(jié)構(gòu)形式有關，一般制造廠已給出具體的數(shù)值。為了測量被測構(gòu)件上“一點”處的應變，要求應變片的尺寸要小，而測量電路卻要求應變片必須具有一定的電阻值(一般在120歐姆左右)。對制作應變片敏感柵的材料的要求是：1．靈敏系數(shù)要大，而且在較大的應變范圍內(nèi)保持為常數(shù)。電阻率要高，以便制造小型應變片。圖41 絲繞式應變片的結(jié)構(gòu)1—覆蓋層； 2—底層； 3—引出線； 4—敏感柵（二）、基底和覆蓋層基底的作用是保持敏感柵的幾何形狀，并保證敏感柵和被測構(gòu)件之間的絕緣，以免形成短路。紙基應變片易粘貼，而且價格便宜，但防潮性能不如膠基應變片好。為了增加電阻的變化量和減小應變片的長度，通常用高電阻合金絲(或合金箔)制成柵狀作為應變計敏感柵。制成的電阻應變片的形狀和結(jié)構(gòu)，如圖42所示。紙基應變計另一缺點是耐熱性和耐潮性差。制成的膠基短接式應變片如圖43所示。 (三)膠基箔式電阻應變片—，另一面涂以感光材料，再經(jīng)照相制版、光刻、腐蝕等工藝制成敏感柵。此外箔材的寬度較大，粘貼牢固，散熱條件好，應變片可通過較大的電流。常用的幾種應變花如圖45所示。除上述幾種應變片外，還有各種特殊用途的應變片，例如低溫應變片，高溫應變片、水下應變片、極坐標應變片，半導體應變片、應力片等，茲不贅述。具體一批應變片的電阻值在標稱電阻值左右變動。該系數(shù)由在一批生產(chǎn)的應變片中抽樣(一批應變片總數(shù)之1％)作實驗測定。（五）使用溫度范圍應變片能正確反映測定應變的溫度范圍，稱為使用溫度范圍。(七) 機械滯后粘貼在測點的應變片，在恒定溫度下，加載過程的荷載與應變片反映的應變關系曲線和卸載過程的荷載與應變片反映的應變關系曲線不重合。(八)疲勞壽命一般規(guī)定在測點有士1500交變應變作用下，應變片連續(xù)工作而不損壞的最高循環(huán)次數(shù)，作為應變片的疲勞壽命。五．應變片的粘貼工藝應變片的粘貼工藝，是應變片電測試驗中非常重要的一個環(huán)；應變片粘貼得好壞，直接影響到構(gòu)件表面的應變能否正確、可靠地傳遞到敏感柵。在室溫下它能吸收周圍環(huán)境中的微量水分加速聚合反應而固化，在數(shù)分鐘內(nèi)即可將應變片粘牢，再經(jīng)過10—24小時就能完全固化以達到最高粘合強度。（二）應變片的粘貼工藝1．應變片的檢查首先對應變片進行外觀檢查，觀察敏感柵是否有損壞、銹蝕斑痕、彎折以及引出線的焊點質(zhì)量等方面。（2）用鋼劃針在測點處細微的劃出測點準確位置和測量應變的方向的定位線。(2)在已清洗過的貼片處和應變片的基底上，各涂一層薄薄的粘合劑，稍待一段時間(此時間由粘合劑的種類而定)，然后將應變片放在測點上并仔細對準位置和方向。檢查膠水干透的方法是用兆歐表測量應變片敏感柵對地的絕緣電阻，一般以絕緣電阻大于500兆歐作為干透的標準。4．粘合劑的固化處理對粘貼好的應變片，按粘合劑的固化程序要求進行固化處理。導線可用膠布固定在被測構(gòu)件上。用高阻表測量應變片的引出線和金屬試件之間的絕緣電阻，一般應大于lOO兆歐姆。 電阻應變儀電阻應變儀的基本原理就是將應變片電阻的微小變化用電橋轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變化，其大致過程為：應變片 電橋 放大器 放大的 檢流計 指示讀數(shù)電阻應變儀就是實現(xiàn)上述過程的儀器。一般是粘貼在