【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 破壞或反復(fù)加載、卸載產(chǎn)生疲勞破壞。將壓力容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類是分析設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)的區(qū)別之一。常規(guī)設(shè)計(jì)是限制殼壁中的薄膜應(yīng)力或平均應(yīng)力，這種方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但卻常常不符合容器的實(shí)際受力情況。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。比如：筒體與封頭連接處為滿足變形連續(xù)的彎曲應(yīng)力；在壓力作用下的管板與平封頭，沿厚度上分布著的也是彎曲應(yīng)力；再如，在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，像開孔或缺口部位，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力。在壓力容器中應(yīng)力的重要性取決于它在容器中對(duì)失效所起的作用及分布規(guī)律。主要指以下兩點(diǎn)：，即應(yīng)力是為平衡機(jī)械載荷所產(chǎn)生的、還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生；，應(yīng)力作用的區(qū)域是整體的還是局部的，應(yīng)力沿壁厚分布是均勻的還是線性或非線性的？根據(jù)這些性質(zhì)應(yīng)力可分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三類。 —次應(yīng)力P一次應(yīng)力是指為平衡壓力與其他外加機(jī)械載荷所必需的應(yīng)力。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。一次應(yīng)力引起的總體塑性流動(dòng)是非自限的，即當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)的塑性區(qū)將不斷擴(kuò)展，使容器發(fā)生顯著的變形直至破壞。一次應(yīng)力可以分為以下三種。(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。這里的薄膜應(yīng)力是指沿厚度方向均勻分布的應(yīng)力，等于沿厚度方向應(yīng)力的平均值。一次總體薄膜應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)就意味著筒體或封頭在整體范圍內(nèi)發(fā)生屈服，在塑性流動(dòng)過程之中，一次薄膜應(yīng)力不會(huì)發(fā)生重新分布，它將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。例如薄壁圓筒或球殼中遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位由內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力；厚壁圓筒中由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力以及周向應(yīng)力沿厚度的平均值均屬于一次總體薄膜應(yīng)力。（2）一次彎曲應(yīng)力Pb 平衡壓力或其他機(jī)械載荷所需的沿截面厚度線性分布的應(yīng)力。它在內(nèi)、外表面大小相等、方向相反。由于沿厚度呈線性分布，故當(dāng)載荷增加時(shí)首先是內(nèi)、外表面進(jìn)入屈服，而內(nèi)部材料仍處于彈性狀態(tài)。若載荷繼續(xù)增大，應(yīng)力沿厚度的分布將重新調(diào)整。因此這種應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效的危害性沒有一次總體薄膜應(yīng)力那樣大。一次彎曲應(yīng)力的典型實(shí)例是平板蓋中心部分由壓力引起的彎曲應(yīng)力。（3）一次局部薄膜應(yīng)力PL 在總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力和連接邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力統(tǒng)稱為一次局部薄膜應(yīng)力。一次局部薄膜應(yīng)力的應(yīng)力水平大于一次總體薄膜應(yīng)力，但作用范圍是局部區(qū)域。由于包含了結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力，它還具有一些自限性，表現(xiàn)出二次應(yīng)力的一些特征，不過從保守角度考慮，仍將它劃為一次應(yīng)力。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。一次總體薄膜應(yīng)力和一次局部薄膜應(yīng)力是按薄膜應(yīng)力沿經(jīng)線方向的作用長(zhǎng)度來劃分的。，則認(rèn)為是局部的，此處R為該區(qū)域內(nèi)殼體中間面的第二曲率半徑，δ為該區(qū)域的最小厚度，Sm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。，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。 二次應(yīng)力Q二次應(yīng)力是由于容器自身的約束或相鄰部件間的相互約束所引起的正應(yīng)力或切應(yīng)力。二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，其作用不是為平衡外載荷，而是使結(jié)構(gòu)在受載時(shí)變形協(xié)調(diào)，實(shí)際上，二次應(yīng)力是同一次應(yīng)力一起滿足變形協(xié)調(diào)(連續(xù)）要求的。這種應(yīng)力的基本特征是它具有自限性，也就是當(dāng)局部范圍內(nèi)的材料發(fā)生屈服或小量的塑性流動(dòng)時(shí)，相鄰部分之間的變形約束得到緩解而不再繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)力就自動(dòng)地限制在一定范圍內(nèi)。這類應(yīng)力一般不會(huì)直接導(dǎo)致容器破裂，因此其危險(xiǎn)性較小。，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。 峰值應(yīng)力F峰值應(yīng)力是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量。峰值應(yīng)力最主要的特點(diǎn)是高度的局部性和自限性，因而不會(huì)引起明顯的變形。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。它僅是導(dǎo)致疲勞破壞或脆斷的可能原因，比同是自限應(yīng)力的二次應(yīng)力危險(xiǎn)性還要低。局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指幾何形狀或材料在很小區(qū)域內(nèi)的不連續(xù)，只在很小范圍內(nèi)引起應(yīng)力和應(yīng)變?cè)龃螅磻?yīng)力集中，但對(duì)結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布和變形沒有顯著的影響。例如結(jié)構(gòu)上的小半徑過渡圓角、未焊透、咬邊、裂紋等都會(huì)引起應(yīng)力集中，在這些部位存在峰值應(yīng)力。局部熱應(yīng)力指的是解除約束后，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)顯著變形的熱應(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。 壓力容器的局部應(yīng)力（1）邊緣應(yīng)力壓力容器的設(shè)計(jì)是按無力矩理論進(jìn)行的，但實(shí)際的壓力容器大都是組合殼體，并且還裝有支座、法蘭和接管等。當(dāng)容器整體承壓時(shí)，在這些互相連接的部位會(huì)因?yàn)椴荒茏杂勺冃味a(chǎn)生彎矩。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。由于這種現(xiàn)象只發(fā)生在連接邊緣，因此稱為邊緣效應(yīng)或邊緣問題，而由邊緣效應(yīng)所引起的應(yīng)力稱為邊緣應(yīng)力。邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)是它的局部性和自限性。由不同性質(zhì)的連接邊緣產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，但它們都有一個(gè)明顯的衰減波特性，在離連接邊緣不遠(yuǎn)的地方就衰減完了。對(duì)于鋼制圓筒，邊緣應(yīng)力的作用范圍為。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。如改變連接邊緣的結(jié)構(gòu)，邊緣區(qū)局部補(bǔ)強(qiáng)，保證邊緣區(qū)的焊縫質(zhì)量，降低邊緣區(qū)的剩余應(yīng)力，以及在邊緣區(qū)內(nèi)，盡可能地避免附加其他局部應(yīng)力或開孔等。另外，邊緣應(yīng)力是由于薄膜變形不連續(xù)，以及由此而產(chǎn)生的對(duì)彈性變形的互相約束作用所引起的。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。因此當(dāng)壓力容器是由塑性較好的材料制成時(shí)，在靜載荷作用下一般都不考慮邊緣應(yīng)力的影響。因?yàn)?，在這類容器中即使局部產(chǎn)生了塑性變形，周圍尚未屈服的彈性區(qū)能抑制塑性變形的擴(kuò)展，而使容器處于安定狀態(tài)，所以重點(diǎn)應(yīng)是如何改進(jìn)邊緣處的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中是否計(jì)算邊緣應(yīng)力的影響，要根據(jù)容器的重要性、材料和載荷性質(zhì)等方面綜合考廯來決定。但是，不論設(shè)計(jì)中是否計(jì)算邊緣應(yīng)力，都要盡可能地改進(jìn)連接邊緣的結(jié)構(gòu)，使邊緣應(yīng)力處于較低水平。（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。例如石油化工的乙烯裂解、氨的合成等都是在高溫下使用的設(shè)備，其溫度往往達(dá)到1000℃以上。而深冷分離、空氣分離等生產(chǎn)中所使用的設(shè)備又是處在低溫（100℃以下）工作條件下運(yùn)行的。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。如果它的熱變形受到外部限制或本身溫度分布不均勻，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。這種因溫度變化而產(chǎn)生的變形受到約束所引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力或溫差應(yīng)力。熱應(yīng)力有時(shí)可能很高，足以產(chǎn)生過量塑性變形或斷裂。在壓力容器中，并不是在所有情況下的溫度改變都會(huì)引起熱應(yīng)力，而只有在變形受到限制時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力經(jīng)常在以下幾種情況下產(chǎn)生。①容器在較高或較低的溫度下運(yùn)行時(shí)因溫度變化受到外部的約束或限制。零部件內(nèi)部的溫度分布是均勻的，但其由于溫差引起的變形受到某種外部約束或限制而產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如：兩個(gè)支座都是固定的臥式容器，如果運(yùn)行的溫度高于（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。構(gòu)件內(nèi)部溫度分布不均勻，各部分產(chǎn)生不同的膨脹，這時(shí)即使沒有任何外部約束或限制，也會(huì)由于內(nèi)部各部分的熱膨脹量不一致，相互約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如，厚壁圓筒形容器，內(nèi)外壁存在溫差時(shí)，由于不同直徑處的材料的自由膨脹量不同，相互間的約束阻止這種自由膨脹，使內(nèi)壁材料的膨脹（或收縮）受到外部材料的約束，在內(nèi)壁產(chǎn)生壓縮（或拉伸）的熱應(yīng)力，而在外壁面產(chǎn)生拉伸（或壓縮）的熱應(yīng)力。又如襯里容器或復(fù)合鋼板容器由于復(fù)層與基層材料的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)兩者的熱膨脹量也不同，但互相之間的貼合又不允許各自單獨(dú)變形，則必然產(chǎn)生溫差應(yīng)力。②由兩個(gè)或兩個(gè)以上的零部件組成的容器，當(dāng)溫度分布不均勻（各部分溫度不等〉、溫升不等或各個(gè)零部件材料的線膨脹系數(shù)不相等時(shí)，也會(huì)引起各部分之間的相互作用力，從而引起熱應(yīng)力。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。熱應(yīng)力是由于零部件的熱變形受到約束而產(chǎn)生的，所以它具有自限性。當(dāng)某一區(qū)域應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，局部即產(chǎn)生塑性流動(dòng)，使應(yīng)力不再增大，并產(chǎn)生有利的應(yīng)力分布。因此在容器設(shè)計(jì)時(shí)，如果熱應(yīng)力與其他載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力相比比較小，就可以不考慮。例如，對(duì)于承受內(nèi)壓的容器，如果壁溫之差小于10℃就可以不計(jì)其熱應(yīng)力；具有隔熱保溫層的高溫或深冷貯存容器，如果絕熱材料效果良好，殼壁的熱應(yīng)力也可以不考慮；操作溫度已達(dá)到材料的蠕變溫度，一般也不考慮熱應(yīng)力。（3）制造偏差引起的附加應(yīng)力在制造過程中，由于加工成形與組裝過程產(chǎn)生的缺陷，也會(huì)在容器上產(chǎn)生附加的應(yīng)力。1） 截面不圓引起的附加應(yīng)力制造過程中常因卷板操作不當(dāng)，筒體在同一截面上存在直徑偏差，造成截面不圓。截面不圓一方面影響筒節(jié)之間的對(duì)接質(zhì)量，在對(duì)接環(huán)焊縫處造成錯(cuò)邊；另一方面在內(nèi)壓作用下， 不圓的殼體內(nèi)將產(chǎn)生附加的彎矩和彎曲應(yīng)力。截面圓公差越大，附加彎曲應(yīng)力越大。對(duì)承受內(nèi)壓的圓筒體來說，隨著公差的增大，附加彎曲應(yīng)力、也不斷增大，降低了圓筒體的承載能力。對(duì)承受外壓的圓筒體來說，截面不圓不僅影響強(qiáng)度，也降低了其穩(wěn)定性，甚至可使結(jié)構(gòu)在正常載荷下失穩(wěn)。2） 錯(cuò)邊和角變形引起的附加應(yīng)力錯(cuò)邊是指兩塊對(duì)接鋼板沿厚度方向沒有對(duì)齊而產(chǎn)生的錯(cuò)位。筒體縱縫和環(huán)縫都有可能產(chǎn)生錯(cuò)邊，見圖21，但環(huán)縫錯(cuò)邊較多。角變形是指對(duì)接的板邊雖已對(duì)齊，但板的中心線不連續(xù)，形成一定的梭角（見圖22），因此這樣的缺陷也稱棱角度。筒體的縱縫和環(huán)縫都有可能產(chǎn)生角變形，但以縱縫角變形居多，這是由于卷板前鋼板邊緣沒有預(yù)彎或預(yù)彎不當(dāng)造成的。另外，單V形坡口焊接時(shí)也會(huì)造成角變形。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。錯(cuò)邊和棱角度都會(huì)降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，縮短結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，甚至可以直接造成壓力容器斷裂事故。錯(cuò)邊和棱角度是壓力容器制造中常見的結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是球罐等大型容器，由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件和工裝的影響，組裝時(shí)錯(cuò)邊和棱角往往較易產(chǎn)生，必須加以控制。3） 表面凹凸不平引起的附加應(yīng)力表面凹凸不平主要產(chǎn)生在凸形封頭上，包括封頭表面局部的凹陷或凸出，以及封頭直邊上的縱向皺折。前者是由于壓制成形時(shí)所用模具不合適或手工成形操作不當(dāng)所造成的，后者常見于相對(duì)直邊高度過大的封頭。（4）焊接接頭的局部應(yīng)力焊接廣泛應(yīng)用于壓力容器制造過程。由于焊接過程中在焊接接頭各區(qū)進(jìn)行著不同的焊接冶金過程，并經(jīng)受不同的熱循環(huán)和應(yīng)變循環(huán)的作用，使得各區(qū)的組織和性能存在較大的差異，造成焊接組織的不均勻和力學(xué)性能的不均勾性。同時(shí)由于焊接接頭存在幾何不連續(xù)，致使其工作應(yīng)力不均勻，出現(xiàn)應(yīng)力集中。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。另外，由于焊接過程中的不均勻加熱，引起焊接剩余應(yīng)力及變形。焊接變形可能引起結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生不良改變，產(chǎn)生附加應(yīng)力。而焊接接頭又具有較大剛性，因拘束而產(chǎn)生的局部應(yīng)力更大。不同接頭形式會(huì)引起不同程度的應(yīng)力集中，對(duì)接接頭的應(yīng)力集中最小，搭接接頭的應(yīng)力集中最大，T形或十字接頭應(yīng)力集中介于其中。焊接接頭的局部應(yīng)力可以通過改變焊縫形狀來減少應(yīng)力集中，例如改變焊透情況，把角趾加工成圓滑過渡。焊接剩余應(yīng)力是一種局部應(yīng)力，但其作用的區(qū)域比峰值應(yīng)力大得多，加熱區(qū)越寬，則剩余應(yīng)力波及面也越寬，其作用范圍最大可達(dá)焊縫兩側(cè)200～300mm。在厚度不大的焊接結(jié)構(gòu)中，焊接剩余應(yīng)力基本上是兩向的，即在沿焊縫方向及垂直焊縫方向都有焊接應(yīng)力，通常沿焊縫方向(縱向）的應(yīng)力比垂直焊縫方向(橫向）上的應(yīng)力大，壓力容器焊件大都屬于這種情況。而厚度方向的剩余應(yīng)力很小，可以忽略。只有在太厚度的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向的應(yīng)力才有較高的數(shù)值，這時(shí)焊接應(yīng)力呈三向應(yīng)力狀態(tài)。焊接剩余應(yīng)力分布是不均勻的，焊后收縮趨勢(shì)愈大的區(qū)域應(yīng)力值愈大，且是拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域則是壓應(yīng)力。 容器壁厚的確定一般的壓力容器只是根據(jù)它在各種載荷(主要是壓力載荷)下所產(chǎn)生的，能直接導(dǎo)致容器破壞的薄膜應(yīng)力(或加上彎曲應(yīng)力)來確定它的壁厚。至于在總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處等所產(chǎn)生的，自限性應(yīng)力以及局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處等所產(chǎn)生的，并不引起重要變形的局部應(yīng)力則采用在結(jié)構(gòu)型式和尺寸上加以限制的方法，將其控制在一定的范圍內(nèi)。1. 壓力：設(shè)計(jì)壓力是確定容器壁厚的主要參數(shù)，它應(yīng)該按容器在工作過程有可能達(dá)到的最高壓力來考慮。如安全泄壓裝置的泄放壓力、液體靜壓力要考慮。a) 工作壓力pw 指在正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。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。c) 計(jì)算壓力pc 指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當(dāng)殼體各部位或元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力的具體取值方法可參見表42。2. 設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面厚度的溫度平均值）。設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力一起作為設(shè)計(jì)載荷條件。標(biāo)志在產(chǎn)品銘牌上的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)是殼體金屬設(shè)計(jì)溫度的最高值或最低值。設(shè)計(jì)溫度雖不直接反映在上述計(jì)算公式中，但它是設(shè)計(jì)中選擇材料和確定許用應(yīng)力時(shí)不可缺少的一個(gè)基本參數(shù)。容器的壁溫可由實(shí)測(cè)類似設(shè)備獲得，或由傳熱過程計(jì)算確定，當(dāng)無法計(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)