【正文】 角焊縫）均應(yīng)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(dāng)混合物中可燃?xì)怏w含量滿足完全燃燒條件時(shí)，則其燃燒反應(yīng)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(shí)，碳素鋼和低合金鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測，整體必須進(jìn)行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應(yīng)進(jìn)行100％射線或超聲檢測，且液壓試驗(yàn)合格后還得進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。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(fù)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行應(yīng)力分析，這種實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論分析的正確性，并借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的方法，當(dāng)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(yīng)力與薄膜應(yīng)力并無明顯不同等優(yōu)點(diǎn)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(yīng)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(yīng)用較多的封頭。一些高新技術(shù)領(lǐng)域，如航空航天技術(shù)、先進(jìn)能源技術(shù)、先進(jìn)防御技術(shù)等，也離不開過程設(shè)備。但從結(jié)構(gòu)上講，過程設(shè)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(gè)過程設(shè)備的關(guān)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(yùn)輸?shù)确矫婢哂胁豢扇〈牡匚唬虼?，為保證壓力容器工作時(shí)的安全，對球形封頭和橢圓形封頭進(jìn)行應(yīng)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(chǔ)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(diǎn)。 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(jìn)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(guān)，如設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)危害性、材料力學(xué)性能、使用場合和安裝方式等。(1)毒性毒性是指某種化學(xué)毒物引起機(jī)體損傷的能力，用來表示毒物劑量與毒性反應(yīng)之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，依據(jù)化學(xué)介質(zhì)的最高容許濃度，中國將化學(xué)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(gè)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(dāng)濃度低于或高于某一限度值時(shí)，就不再燃燒和爆炸。易燃介質(zhì)包括易燃?xì)怏w、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(yīng)壓力容器(代號R) 主要是用于完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)的壓力容器，如反應(yīng)器、反應(yīng)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(shí)不僅承受內(nèi)壓或外壓載荷，搬運(yùn)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(yùn)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(shè)計(jì)壓力、容積、介質(zhì)危害程度、容器在生產(chǎn)中的作用、材料強(qiáng)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(jì)政策、技術(shù)政策、工業(yè)基礎(chǔ)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(yàn)等提出特殊要求，設(shè)計(jì)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(diǎn)：在均勻的內(nèi)壓作用下，薄膜應(yīng)力為相同直徑圓筒體的一半，是最理想的結(jié)構(gòu)形式。應(yīng)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(yīng)力與薄膜應(yīng)力疊加，使該部位的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它部位，故受力狀況不佳。缺點(diǎn)：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(dāng)大的不連續(xù)應(yīng)力，其應(yīng)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(yīng)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(gè)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(yīng)力分量將使余能取得最小值。差分法主要是從數(shù)學(xué)上對彈性力學(xué)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(yīng)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(shè)想為由許多，然而又是有限個(gè)單元組成；這些單元形狀簡單，每個(gè)單元上有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)單元僅在節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)應(yīng)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。可見，電阻的變化與應(yīng)變有一定的對應(yīng)關(guān)系。例如，應(yīng)變片位置的偏差，應(yīng)變片與殼壁接觸的緊密程度，應(yīng)變片與導(dǎo)線的焊接質(zhì)量，環(huán)境、溫度的變化等。 光彈性法的特點(diǎn)是直觀性強(qiáng)，可直接看到應(yīng)力集中的部位，從而能迅速求出應(yīng)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(gè)補(bǔ)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(yīng)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(yīng)力是周向應(yīng)力的2倍。橢圓切線的斜率（在x—y坐標(biāo)中）為 從圖23可知 和 ，從這三式中可計(jì)算得將和代入式｛23｝和（24）得 (27)這個(gè)用以計(jì)算橢球殼薄膜應(yīng)力的方程式，是由胡金伯格（Huggenberger）首先導(dǎo)出的，故又稱胡金伯格方程。這個(gè)現(xiàn)象應(yīng)采用整體或局部增加厚度及局部采用環(huán)狀加強(qiáng)構(gòu)件措施加以預(yù)防。因?yàn)樯鲜鲆蛩刂校瑹o論哪一個(gè)有突然變化，如按無理距理論計(jì)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(shí)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(jìn)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(shí)際上這兩個(gè)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(yīng)力的方法，在工程上稱為“不連續(xù)分析”。求得的薄膜應(yīng)力與相應(yīng)的載荷同時(shí)存在，這類應(yīng)力稱為一次應(yīng)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(guān)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(yīng)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(diǎn)的應(yīng)力大?。恳?yàn)? 即該球形殼體歸為薄殼根據(jù)式25 直邊段上的點(diǎn)按薄壁圓筒計(jì)算，由式26 點(diǎn)的選?。河捎谇蛐畏忸^上各點(diǎn)的第一曲率半徑和第二曲率半徑相等，由式25知，各點(diǎn)的經(jīng)向和環(huán)向應(yīng)力相等，所以在選取特殊點(diǎn)時(shí)只需考慮貼片的方便。表31 球形封頭的應(yīng)力值點(diǎn)號應(yīng)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(yīng)力分析根據(jù)上述計(jì)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(yīng)力僅是圓筒形殼體環(huán)向應(yīng)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(yīng)力最小，兩向薄膜應(yīng)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(yīng)力也成倍數(shù)增大。將數(shù)據(jù)代入上述相應(yīng)的公式，所得的結(jié)果如下表32所示。表示為壓應(yīng)力；值越大，即封頭成型越淺，x=a處的壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)用較多的封頭之一。當(dāng)時(shí)，橢圓形封頭中的最大應(yīng)力還將增大，其環(huán)向應(yīng)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(yīng)力也成倍數(shù)增大。單位為。這就是應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變值的關(guān)系，對于同一值，金屬電阻絲的材料有關(guān)值越大則也越大；測量時(shí)，易得較高的精度，因此值是反應(yīng)應(yīng)變片對應(yīng)變敏感程度的物理量，稱為應(yīng)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(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，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(diǎn)”處的應(yīng)變，要求應(yīng)變片的尺寸要小，而測量電路卻要求應(yīng)變片必須具有一定的電阻值(一般在120歐姆左右)。對制作應(yīng)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(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)。電阻率要高，以便制造小型應(yīng)變片。圖41 絲繞式應(yīng)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(yīng)變片易粘貼，而且價(jià)格便宜，但防潮性能不如膠基應(yīng)變片好。為了增加電阻的變化量和減小應(yīng)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(yīng)變計(jì)敏感柵。制成的電阻應(yīng)變片的形狀和結(jié)構(gòu)，如圖42所示。紙基應(yīng)變計(jì)另一缺點(diǎn)是耐熱性和耐潮性差。制成的膠基短接式應(yīng)變片如圖43所示。 (三)膠基箔式電阻應(yīng)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(yīng)變片可通過較大的電流。常用的幾種應(yīng)變花如圖45所示。除上述幾種應(yīng)變片外，還有各種特殊用途的應(yīng)變片，例如低溫應(yīng)變片，高溫應(yīng)變片、水下應(yīng)變片、極坐標(biāo)應(yīng)變片，半導(dǎo)體應(yīng)變片、應(yīng)力片等，茲不贅述。具體一批應(yīng)變片的電阻值在標(biāo)稱電阻值左右變動。該系數(shù)由在一批生產(chǎn)的應(yīng)變片中抽樣(一批應(yīng)變片總數(shù)之1％)作實(shí)驗(yàn)測定。（五）使用溫度范圍應(yīng)變片能正確反映測定應(yīng)變的溫度范圍，稱為使用溫度范圍。(七) 機(jī)械滯后粘貼在測點(diǎn)的應(yīng)變片，在恒定溫度下，加載過程的荷載與應(yīng)變片反映的應(yīng)變關(guān)系曲線和卸載過程的荷載與應(yīng)變片反映的應(yīng)變關(guān)系曲線不重合。(八)疲勞壽命一般規(guī)定在測點(diǎn)有士1500交變應(yīng)變作用下，應(yīng)變片連續(xù)工作而不損壞的最高循環(huán)次數(shù)，作為應(yīng)變片的疲勞壽命。五．應(yīng)變片的粘貼工藝應(yīng)變片的粘貼工藝，是應(yīng)變片電測試驗(yàn)中非常重要的一個(gè)環(huán)；應(yīng)變片粘貼得好壞，直接影響到構(gòu)件表面的應(yīng)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(yīng)而固化，在數(shù)分鐘內(nèi)即可將應(yīng)變片粘牢，再經(jīng)過10—24小時(shí)就能完全固化以達(dá)到最高粘合強(qiáng)度。（二）應(yīng)變片的粘貼工藝1．應(yīng)變片的檢查首先對應(yīng)變片進(jìn)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(diǎn)質(zhì)量等方面。（2）用鋼劃針在測點(diǎn)處細(xì)微的劃出測點(diǎn)準(zhǔn)確位置和測量應(yīng)變的方向的定位線。(2)在已清洗過的貼片處和應(yīng)變片的基底上，各涂一層薄薄的粘合劑，稍待一段時(shí)間(此時(shí)間由粘合劑的種類而定)，然后將應(yīng)變片放在測點(diǎn)上并仔細(xì)對準(zhǔn)位置和方向。檢查膠水干透的方法是用兆歐表測量應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。4．粘合劑的固化處理對粘貼好的應(yīng)變片，按粘合劑的固化程序要求進(jìn)行固化處理。導(dǎo)線可用膠布固定在被測構(gòu)件上。用高阻表測量應(yīng)變片的引出線和金屬試件之間的絕緣電阻，一般應(yīng)大于lOO兆歐姆。 電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀的基本原理就是將應(yīng)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(yīng)變片 電橋 放大器 放大的 檢流計(jì) 指示讀數(shù)電阻應(yīng)變儀就是實(shí)現(xiàn)上述過程的儀器。一般是粘貼在