【正文】 度高于（或低于）設(shè)備安裝時(shí)的溫度，它的熱變形就會(huì)受到限制，在容器的橫截面上就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。這些容器或部件運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于或低于其運(yùn)行前的溫度。一旦材料產(chǎn)生了局部的塑性變形，連接部件之間的變形不協(xié)調(diào)就可以得到緩解， 應(yīng)力重新進(jìn)行分布，邊緣應(yīng)力也就自動(dòng)限制，這就是邊緣應(yīng)力的自限性。由此引起的彎曲應(yīng)力有時(shí)要比由于內(nèi)壓而產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力大得多。峰值應(yīng)力僅對(duì)低周疲勞或脆斷的失效模式起作用，而對(duì)其他失效模式不起作用。否則應(yīng)劃為一次總體薄膜應(yīng)力，其中Rm=(R1+R2)/2, δm=(δ1+δ2)/2, RR2分別為所考慮兩個(gè)區(qū)域的殼體中間面第二曲率半徑；δδ2分別為所考慮區(qū)域的最小厚度。因此這種應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效的危害性沒(méi)有一次總體薄膜應(yīng)力那樣大。(1）一次總體薄膜應(yīng)力Pm 在容器總體范圍內(nèi)存在的薄膜應(yīng)力即為一次總體薄膜應(yīng)力。壓力容器承載以后，除了有簡(jiǎn)單的一次薄膜應(yīng)力以外，還存在著其他類型的應(yīng)力。一般情況下，僅僅考慮容器的壓力載荷，而且只考慮由壓力載荷而引起的主要應(yīng)力。一般將水平地震力簡(jiǎn)化為相當(dāng)?shù)撵o態(tài)力。如1994年6月下旬，某乙烯生產(chǎn)裝置中的乙烯精熘塔發(fā)生風(fēng)誘發(fā)振動(dòng)。當(dāng)雷諾數(shù)為300～3105時(shí),Sr近似于常數(shù)值()；當(dāng)雷諾數(shù)為 3105～3106時(shí)，有規(guī)則的渦街便不再存在；當(dāng)雷諾數(shù)大于3106時(shí)，卡門渦街又會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)。若將這類高聳直立容器當(dāng)作一個(gè)支承于地表的懸臂梁，由于風(fēng)力矩的作用將使設(shè)備受到平行于風(fēng)向的靜彎矩作用，在迎風(fēng)面的器壁產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，背風(fēng)面產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力。 重力載荷容器的重力載荷包括容器的自重、所容納的介質(zhì)重力以及永久性地連接于容器上的工藝附件、保溫材料及操作平臺(tái)等的重力。作用于容器及其附件上的力稱為載荷。欲建立式（41)所表示的強(qiáng)度條件，必須解決兩方面的問(wèn)題：一是根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)確定主應(yīng)力；二是確定材料的許用應(yīng)力。設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，確定容器壁內(nèi)允許應(yīng)力的限度（即容器判廢的標(biāo)準(zhǔn)）有不同的理論依據(jù)和準(zhǔn)則。容器的設(shè)計(jì)對(duì)它的安全運(yùn)行的影響主要有三個(gè)方面：一、壁厚：太小的壁厚會(huì)在壓力作用下產(chǎn)生過(guò)度的彈性及塑性變形，導(dǎo)致破裂。⑤各級(jí)設(shè)計(jì)人員的培訓(xùn)、考核、獎(jiǎng)懲。取得A類或C類壓力容器設(shè)計(jì)資格的單位和設(shè)計(jì)審批人員，即分別具備D類壓力容器設(shè)計(jì)資格和設(shè)計(jì)審批資格；取得D2級(jí)壓力容器設(shè)計(jì)資格的單位和設(shè)計(jì)審批人員，即分別具備D1級(jí)壓力容器設(shè)計(jì)資格和設(shè)計(jì)審批資格。因此，其限制條件為（4）一次應(yīng)力加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ 根據(jù)安定性分析，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度限制條件為其中設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)取操作循環(huán)中最高與最低溫度下材料Sm的平均值。(1) 一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ 總體薄膜應(yīng)力是平衡容器外載荷作用的應(yīng)力成分，在容器的整體范圍內(nèi)存在，沒(méi)有自限性，對(duì)容器失效的影響最大。 ② 關(guān)于螺柱承受循環(huán)載荷能力的校核。對(duì)壓力容器，應(yīng)力峰值是根據(jù)設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)來(lái)加以限制的。棘輪現(xiàn)象引起的失效和前面講的第一種情況漸增性垮塌相類似，它們都是由于過(guò)度的塑性變形而引起失效，和一般的疲勞破壞機(jī)理不同，不是由局部缺陷、裂紋和峰值應(yīng)力引起的。壓力容器的疲勞屬于低循環(huán)疲勞或塑性疲勞。那么，當(dāng)外載荷大于安定載荷時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)如下三種情況。因此，對(duì)“安定”不加安全系數(shù)，只要求施加的載荷小于安定載荷就可以了。此后容器在不斷的加壓和卸壓過(guò)程中，此一區(qū)域?qū)⒉粩嗟匕l(fā)生拉伸屈服變形與壓縮屈服變形。點(diǎn)， 則當(dāng)容器卸壓時(shí)，應(yīng)力沿B39。如果是理想塑性材料，則當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限σs后即不再增大，而應(yīng)變則繼續(xù)由εs,増加至ε，如圖3 1 中的OAB線所示。設(shè)結(jié)構(gòu)由理想彈塑性材料制造，現(xiàn)根據(jù)虛擬應(yīng)力σ1的大小簡(jiǎn)單分析處于安定狀態(tài)的條件。顯然Mp=。下面以純彎曲梁為例進(jìn)行分析說(shuō)明。分析設(shè)計(jì)放棄了傳統(tǒng)的彈性失效準(zhǔn)則，采用以極限載荷、安定載荷和疲勞壽命為界限的塑性失效和彈塑性失效準(zhǔn)則，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，允許對(duì)峰值應(yīng)力部位做有限壽命設(shè)計(jì)。實(shí)際上，當(dāng)容器承載以后，在容器上結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域出現(xiàn)多種應(yīng)力，常規(guī)設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出規(guī)定，把局部應(yīng)力粗略地控制在一個(gè)安全水平上，并在結(jié)構(gòu)、選材、制造等方面提出要求來(lái)保證安全。它是以殼體的薄膜理論或材料力學(xué)方法導(dǎo)出容器及部件的設(shè)計(jì)計(jì)算式，給出了壓力、許用應(yīng)力、容器主要尺寸之間的關(guān)系。若不考慮局部應(yīng)力，只按薄膜應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，那又很不安全，應(yīng)力集中區(qū)將會(huì)出現(xiàn)塑性變形，在反復(fù)載荷作用下還可能萌生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致容器失效。目前，分析設(shè)計(jì)涉及前4種失效模式。但從塑性失效觀點(diǎn)看，此梁除上下表面材料屈服外，其余材料仍處于彈性狀態(tài)，還可繼續(xù)承載。若虛擬應(yīng)力超過(guò)材料屈服點(diǎn)，局部高應(yīng)力區(qū)由塑性區(qū)和彈性區(qū)兩部分組成。以后的加載、卸載沿GH和DF，每一循環(huán)都有HD與FG的反復(fù)塑性變形。此后容器再次加壓，則應(yīng)變即由O至ε,而應(yīng)力則由D開(kāi)始，沿直線DCB達(dá)到B點(diǎn)，即殘余壓應(yīng)力先減至零，然后變?yōu)槔瓚?yīng)力。E線?？梢?jiàn)，保證結(jié)構(gòu)安定的條件是σ1≤2σs，由于σs≥(Sm—設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度)，分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，將一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度限制在3Sm以內(nèi)。因此，疲勞問(wèn)題近年來(lái)引起了各國(guó)工程界和理論界的關(guān)注，許多技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家均在自己壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范中，增加了相應(yīng)的疲勞設(shè)計(jì)條款。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不允許像對(duì)待峰值應(yīng)力那樣，允許有損傷出現(xiàn)，進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)，而是要求彈性名義應(yīng)力嚴(yán)格控制在兩倍屈服極限以下，不允許這種漸增性垮塌在容器中發(fā)生。棘輪損傷是指在一個(gè)恒定的載荷（如內(nèi)壓）與一個(gè)交變的載荷〈如溫度變化）共同作用下出現(xiàn)的一種破壞形式。靜載條件下，設(shè)計(jì)的強(qiáng)度指標(biāo)是材料的屈服極限和強(qiáng)度極限（在蠕變溫度以下時(shí)）。這些曲線是由材料試驗(yàn)或理論分析得出的，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況已經(jīng)考慮了平均應(yīng)力的影響，并計(jì)入了工程應(yīng)用的安全系數(shù)。 應(yīng)力強(qiáng)度限制由于各種應(yīng)力對(duì)壓力容器失效的作用不同，所以對(duì)它們的限制條件也各不相同，不能采用統(tǒng)一的應(yīng)力值。其限制條件為式中[σ] —許用應(yīng)力。壓力容器設(shè)計(jì)許可證的有效期限為4 年，有效期滿當(dāng)年，持證單位必須辦理?yè)Q證手續(xù)。②質(zhì)量方針。設(shè)計(jì)資格印章為橢圓形，長(zhǎng)軸為75mm，短軸為45mm，如圖25所示。本章將在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，介紹幾種典型容器厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，并對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)中涉及的若干問(wèn)題作簡(jiǎn)要的介紹。這就是強(qiáng)度安全條件，即 (41)式中，σ當(dāng)可由主應(yīng)力借助于強(qiáng)度理論來(lái)確定；σ0為極限應(yīng)力，可由簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)確定；n為安全系數(shù)；[σ]為許用應(yīng)力。 容器的載荷及由引而產(chǎn)生的應(yīng)力壓力容器在工作條件下會(huì)受到各種載荷的作用，并在器壁上產(chǎn)生應(yīng)力。壓力容器的工作壓力根據(jù)容器承受的壓力載荷情況不同而不同。對(duì)于小型容器，由重力產(chǎn)生的局部應(yīng)力較小，一般忽略不計(jì)。1911年,。）并使該設(shè)備在垂直于風(fēng)的方向產(chǎn)生周期性振動(dòng)（橫風(fēng)向振動(dòng)），當(dāng)此振動(dòng)頻率和設(shè)備的固有頻率一致時(shí)將產(chǎn)生有阻尼的共振，稱為風(fēng)的誘導(dǎo)共振，其結(jié)果使設(shè)備在垂直于風(fēng)的方向產(chǎn)生誘導(dǎo)共振彎矩。 地震載荷地震時(shí)，地面突然產(chǎn)生水平或垂直的運(yùn)動(dòng)，使固定于地面的容器產(chǎn)生慣性力，即地震力。根據(jù)熱脹冷縮的原理，容器元件的壁溫變化也就會(huì)引起相應(yīng)的膨脹（或收縮變形）。局部應(yīng)力產(chǎn)生破壞都是使韌性差的材料發(fā)生脆性破壞或反復(fù)加載、卸載產(chǎn)生疲勞破壞。一次應(yīng)力必須滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會(huì)因達(dá)到材料的屈服點(diǎn)而自行限制。它在內(nèi)、外表面大小相等、方向相反。一次局部薄膜應(yīng)力的實(shí)例有：殼體和封頭連接處的薄膜應(yīng)力；在容器的支座或接管處由外部的力或力矩引起的薄膜應(yīng)力。，如筒體與封頭、筒體與法蘭、筒體與接管以及不同厚度筒體連接處；，它指的是解除約束后，會(huì)引起結(jié)構(gòu)顯著變形的熱應(yīng)力，例如管殼式固定管板熱交換器中由于管子和殼體溫度不同而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，厚壁圓筒中徑向溫度梯度引起的當(dāng)量線性熱應(yīng)力。例如結(jié)構(gòu)上的小熱點(diǎn)處（如加熱蛇管與容器殼壁連接處）的熱應(yīng)力；碳素鋼容器內(nèi)壁奧氏體堆焊層或襯里中的熱應(yīng)力；復(fù)合鋼板中因復(fù)層與基體金屬線膨脹系數(shù)不同而在復(fù)層中引起的熱應(yīng)力；厚壁圓筒中徑向溫度梯度引起的熱應(yīng)力中的非線性分量。由于邊緣應(yīng)力具有局部性，因此在設(shè)計(jì)中，一般只在結(jié)構(gòu)上做局部處理。（2）熱應(yīng)力壓力容器的工作條件極其復(fù)雜，很多都是在一定的溫度下運(yùn)行。熱應(yīng)力經(jīng)常在以下幾種情況下產(chǎn)生。例如固定管板式換熱器的管子和外殼的溫升往往是不相等的，由于膨脹量不同而相互約束產(chǎn)生熱應(yīng)力。截面圓公差越大，附加彎曲應(yīng)力越大。錯(cuò)邊和棱角度造成結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)，結(jié)構(gòu)承載后在錯(cuò)邊和棱角度部位產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力，造成局部應(yīng)力升高。當(dāng)焊縫中存在缺陷，焊縫外形不合理或接頭形式不合理時(shí)將加劇應(yīng)力集中程度，影響接頭強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度。而厚度方向的剩余應(yīng)力很小，可以忽略。b) 設(shè)計(jì)壓力p 指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，它與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于工作壓力。容器的壁溫可由實(shí)測(cè)類似設(shè)備獲得，或由傳熱過(guò)程計(jì)算確定，當(dāng)無(wú)法計(jì)算或?qū)崪y(cè)壁溫時(shí)，應(yīng)按下列原則確定：① 容器器壁與介質(zhì)直接接觸且有外保溫（保冷）時(shí)，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)按表45中的Ⅰ或Ⅱ確定。強(qiáng)度特性還應(yīng)考慮溫度影響()，持久極限和蠕變極限。因此，高溫承壓部件的許用應(yīng)力其中——常溫下材料的抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和屈服強(qiáng)度，MPa；——設(shè)計(jì)溫度下材料的抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和屈服強(qiáng)度，MPa。4. 焊接接頭系數(shù)：焊縫區(qū)是容器上強(qiáng)度比較薄弱的地方。（實(shí)際上焊接接頭系數(shù)并不真正反映焊縫處材料強(qiáng)度被削弱的程度，而且一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表示焊縫質(zhì)量的可靠程度。一般情況下鋼板厚度的負(fù)偏差C1可根據(jù)名義厚度δn按表49選取。③ 容器各元件的腐蝕速度不同時(shí)，可采用不同的腐蝕裕量。新國(guó)標(biāo)GB1501998規(guī)定：對(duì)冷卷圓筒，投料的鋼板厚度不得小于名義厚度減去鋼板厚度的負(fù)偏差；對(duì)凸形封頭和熱卷筒節(jié)成型后的厚度不小于該部件的名義厚度減去鋼板厚度的負(fù)偏差。各種厚度之間的關(guān)系如圖42所示。根據(jù)式（45)可以得到對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校核和確定最大允許工作壓力的計(jì)算公式分別為：強(qiáng)度校核： 最大允許工作壓力： 采用無(wú)縫鋼管制作圓筒體時(shí)，其工程直徑為鋼管的外徑。C2——鋼板厚度的負(fù)偏差，mm。半球形封頭多用于壓力較高的貯罐上。橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（422)計(jì)算 （MPa）標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的直邊高度見(jiàn)表415在a/b≤2時(shí)，頂點(diǎn)具有最大拉伸應(yīng)力：h=b, R=D/2 則壁厚用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（a/b=2）,則
如果標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭與筒體的焊縫系數(shù)中相同，其壁厚也應(yīng)相同。這一邊緣應(yīng)力產(chǎn)生的原因可參看圖410。(2)在封頭與筒體間增加一個(gè)過(guò)渡圓弧，則整個(gè)封頭由錐體、過(guò)渡圓弧及高度為h0的直邊三部分所構(gòu)成，如圖413和圖414所示，這種封頭叫做帶折邊的錐形封頭。但是，由于平板封頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，在壓力不高、直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。 pc——計(jì)算壓力，MPa。橢圓形和碟形封頭的容積和表面積基本相同，可以認(rèn)為近似相等。碟形封頭在力學(xué)上的最大缺點(diǎn)在于其具有較小的折邊半徑r。(3)制造及材料消耗方面各種封頭一般是由沖壓、旋壓、滾卷和爆炸成型。碟形封頭制造靈活性較大，既可以機(jī)械化沖壓或爆炸成型，也可以土法制造。這種多樣性的操作特點(diǎn)，給化工設(shè)備選用材料帶來(lái)了復(fù)雜性，因此合理選用化工設(shè)備材料是設(shè)計(jì)化工設(shè)備的重要環(huán)節(jié)，在選擇材料時(shí)，必須根據(jù)材料的各種性能及其應(yīng)用范圍，綜合考慮具體的操作條件，抓住主要矛盾，遵循適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。? 金屬材料: – 黑色金屬(碳鋼合金鋼—絕大部分，鑄鐵)– 有色金屬：銅、鋁、鈦及其合金? 非金屬材料：– 玻璃鋼，石墨；– 碳纖維復(fù)合材料:優(yōu)點(diǎn)是重量 輕、強(qiáng) 度高、耐腐蝕 對(duì)材料性能的基本要求材料的性能包括力學(xué)性能(機(jī)械性能)、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能等。(1) 屈服點(diǎn) (也叫屈服極限) (σs)金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時(shí)，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象，習(xí)慣上稱為“屈服”。工程技術(shù)上，絕大部分構(gòu)件和零件，都是在彈性狀態(tài)下工作，不允許發(fā)生塑性變形，常因過(guò)量的塑性變形而失效。由于外力形式的不同，有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。反之，屈強(qiáng)比愈大，材料的強(qiáng)度水平能得到充分發(fā)揮，但塑性儲(chǔ)備較小。例如，碳素鋼在溫度超過(guò)420℃時(shí)，合金鋼在溫度超過(guò)450℃時(shí)，輕合金在溫度超過(guò)50～150℃時(shí)，才發(fā)生蠕變。 (3)蠕變極限(σn) 高溫下材料的屈服極限、強(qiáng)度極限、塑性及彈性模數(shù)等性能均發(fā)生顯著的變化。 式中Pb為拉斷前試件所承受的最大負(fù)荷(N)。實(shí)際上因不同零件允許塑性變形的程度有不同要求，通常分別選用比例極限、彈性極限或屈服極限作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。它即代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。我們把材料在外力（或外加能量）的作用下抵抗外力所表現(xiàn)的行為，包括變形和抗力，即在外力作用下不產(chǎn)生超過(guò)允許的變形或不被破壞的能力，叫做材料的力學(xué)性能（亦稱機(jī)械性能）。因選材不當(dāng)所引起的事故頗多。當(dāng)錐頂角很小時(shí)，為了避免制造上的困難或減小錐體高度，有時(shí)可以采用組合式封頭，如圖422所示。橢圓形封頭通常用沖壓和旋壓方法制造。r/R愈小，則折邊區(qū)的這些應(yīng)力就愈大，因而有可能發(fā)生環(huán)向裂紋，亦可能出現(xiàn)環(huán)向折皺。與具有同樣直徑和高度的圓筒體相比較，錐形封頭的容積為圓筒體的1/3，單位容積的表面積比圓筒體大50%以上。[σ]t——材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。此外，在高壓容器中，平板封頭用得較為普遍。平板封頭的幾何形狀有圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形、矩形和方形等，最常用的是圓形平板封頭。盡管連接處附近的邊緣應(yīng)力數(shù)值很高，但卻具有局部性和自限性，所以這里發(fā)生小量的塑性變形是允許的。此外，有一些塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將之連接起來(lái)，這時(shí)的錐形殼體稱為變徑段。直邊的作用是為了保證封頭的制造質(zhì)量和避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受邊緣應(yīng)力作用。上述計(jì)算公式的適用范圍為pc≤[σ]tφ。 Di——圓筒或球殼的內(nèi)徑，mm。因此，對(duì)容器規(guī)定一最小厚度。根據(jù)機(jī)械工業(yè)的要求，筒體和