【文章內(nèi)容簡介】 使容器內(nèi)壓力升高，如人造水晶釜；三是：盛裝液化氣體的容器，如液氨儲罐、液化天然氣儲罐等，其壓力為液體的飽和蒸汽壓。裝有液體的容器，液體重量將產(chǎn)生壓力，即液體靜壓力。其大小與液柱高度及液體密度成正比。例如，相對密度為1000㎏/（）。非壓力載荷非壓力載荷可分為整體載荷和局部載荷。作用于整臺容器上的載荷，比如重力、風力、地震、運輸?shù)纫鸬妮d荷是整體載荷。作用于容器局部區(qū)域上的載荷，比如管系載荷、支座反力和吊裝力等是局部載荷。（1） 重力載荷 重力載荷是指由容器及其附件、內(nèi)件和物料的重量引起的載荷。計算重力載荷時，除容器自身的重量外，因根據(jù)不同的工況考慮隔熱層、內(nèi)件、物料、平臺、梯子、管系和由容器支承的附屬設(shè)備等的重量。（2）風載荷風載荷是根據(jù)作用在容器及其附件迎風面上的有效風壓來計算的載荷。風的流動方向通常為水平的，但它通過障礙物表面時，可能有垂直分量。所以它是由高度湍湍的空氣掃過地表時形成的非穩(wěn)定流動引起的。風載荷作用下，除了使容器產(chǎn)生應(yīng)力和變形外，還可能使容器產(chǎn)生順風向的振動和垂直于風向的誘導振動。（3） 地震載荷 地震載荷是指作用在容器上的地震力，它產(chǎn)生于支承容器的地面的突然振動和容器對振動的反應(yīng)。地震時，作用在容器上的力十分復雜。為簡化設(shè)計計算，通常采用地震影響系數(shù)，把地震力簡化當量剪力和彎矩。地震影響系數(shù)具體取值可參閱有關(guān)地震設(shè)計規(guī)范，因為它與容器所在地的場地土類別、震區(qū)類型和地震烈度等因素有關(guān)。（4） 運輸載荷運輸載荷是指運輸過程中由不同方向的加速度引起的力。容器經(jīng)海上或陸路或空中運送到安裝地點，由于運輸車輛或船舶或飛機的運動，容器將承受不同方向上的加速度。運輸載荷可用加速度除以標準重力加速度所得到的系數(shù)表示，也可用水平方向和垂直方向加速度給出。（5）波動載荷波動載荷是指固置在船上容器，由于波浪運動而產(chǎn)生的加速度。波動載荷的表示方法與運輸載荷相同?；蝿虞d荷是交變的，應(yīng)考慮疲勞的要求，有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)，可參考船舶分類的規(guī)范標準（6） 管系載荷管系載荷是指管系作用在容器接管上的載荷。當管系與容器接管相連接時，由于管路及管內(nèi)物料重量、管系的熱膨脹和風載荷、地震或其他載荷的作用，在接管處產(chǎn)生的載荷就是管系載荷。設(shè)計容器時，管路的總體布置通常還沒有最后確定，因此不可能進行管路應(yīng)力分析來確定接管處的載荷。所以往往要求壓力容器購買方提供管系載荷。容器設(shè)計者必須保證接管能經(jīng)受住這些載荷，確保不會在容器或接管處產(chǎn)生過大的應(yīng)力。管線布置最終確定后，管路設(shè)計者要確保由接管應(yīng)力分析得到的載荷不會超過指定的管系載荷。交變載荷上述載荷中，有的是大小和/或方向隨時間變化的交變載荷，有的是大小和方向基本上不隨時間變化的靜載荷。下面為壓力容器交變載荷的典型實例： 容器各零部件之間溫度差的變化； 振動（例如風誘導振動）引起的載荷變化； 裝料、卸料引起的容器支座上的載荷變化； 間歇生產(chǎn)的壓力容器的重復加壓、減壓； 液體波動引起的載荷變化； 生產(chǎn)過程中，因溫度變化導致管系熱膨脹或收縮，從而引起接管上的載荷變化； 由往復式壓縮機或泵引起的壓力波動；為確定容器是否需要進行疲勞設(shè)計，設(shè)計者應(yīng)詳細了解壓力容器在全壽命期間內(nèi)，每個載荷的變化范圍（即最大和最小值）和循環(huán)次數(shù)。交變載荷是容器設(shè)計中的一個重要控制因素，小載荷改變量大循環(huán)次數(shù)與大載荷改變量小循環(huán)次數(shù)，同樣都要認真考慮。壓力容器設(shè)計時，并不是每臺容器都要考慮以上載荷。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)全壽命周期內(nèi)容器所受的載荷，結(jié)合規(guī)范標準的要求，確定設(shè)計載荷。載荷工況即能夠在壓力容器上產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變的因素。載荷工況分類： 正常操作工況：容器正常操作時的載荷；特殊載荷工況如：壓力試驗、開停工及檢修；意外載荷工況：緊急狀況下容器的快速啟動或突然停車、容器內(nèi)發(fā)生化學爆炸、容器周圍的設(shè)備發(fā)生燃燒或爆炸等意外情況下，容器會受到爆炸載荷、熱沖擊等意外載荷的作用。 橢圓形封頭的應(yīng)力分析并計算 壓力容器通常是由板、殼等組合而成的焊接結(jié)構(gòu)。常用的殼體分別是圓柱殼、球殼、橢球殼、錐形殼和由它們構(gòu)成的組合殼。這些殼體多屬于回轉(zhuǎn)薄殼。殼體是一種以兩個曲面為界，且曲面之間的距離遠比其他方向尺寸小得多的構(gòu)件。按照厚度t與其中曲面率半徑R的比值大小，殼體又可分為薄殼和厚殼。工程上一般把（t/R）max≤1/10的殼體歸為薄殼，反之為厚殼。，兩曲面之間的距離即是殼體的厚度，用t表示。與殼體兩個曲面等距離的點所組成的曲面稱為殼體的中面。本節(jié)討論薄殼的應(yīng)力分析。對于圓柱殼體（又稱圓筒），若外直徑與內(nèi)直徑的比值(Do/Di)max≤～，則稱為薄壁圓柱殼或薄壁圓筒；反之，則稱為厚壁圓柱殼或厚壁圓筒。在薄殼應(yīng)力分析中，我們假設(shè)殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；受載后的變形是彈性小變形；殼壁各層纖維在變形后互不擠壓。 回轉(zhuǎn)薄殼的不連續(xù)分析（一）產(chǎn)生原因 當容器受載時，若是將容器中兩殼體視作自由體，容器中連接邊緣兩側(cè)殼體的薄膜變形是不相同的，但在連接處，它們的變形不能自由伸展，因此迫使殼體連接處發(fā)生局部的彎曲，既然出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，勢必在該邊緣部位存在附加的邊緣力（橫剪力）Q0和邊緣力矩（內(nèi)力矩）M0，才能使殼體的連接區(qū)域產(chǎn)生這種局部的彎曲，也才能保證彎曲后的經(jīng)線不斷開和無折點。（二）影響因素： 沿殼體軸線方向的厚度、載荷、溫度和材料的物理性能也可能出現(xiàn)突變(即不是一種連續(xù)性變化)。 母線不是簡單曲線，而是由幾種形狀規(guī)則的曲線段組合而成，連接處不連續(xù)（三）不連續(xù)效應(yīng)由于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的應(yīng)力增大現(xiàn)象，稱為“不連續(xù)效應(yīng)”或“邊緣效應(yīng)”。不連續(xù)應(yīng)力由此引起的局部應(yīng)力稱為“不連續(xù)應(yīng)力”或“邊緣應(yīng)力”。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”。（四）不連續(xù)分析的基本方法 第一種方法： 在工程上稱為不連續(xù)分析，可將殼體的解分為兩個部分，一是一次總體薄膜應(yīng)力，即一次應(yīng)力，是殼體無力矩理論的解；二是邊緣應(yīng)力，又稱二次應(yīng)力，是有力矩理論得到的解。總的應(yīng)力是由上述兩種應(yīng)力的迭加。 第二種方法是有限元素法。劃分單元格進行計算。（五）邊緣應(yīng)力的基本特性： 局部性 ： 隨著離邊緣距離x的增加，各內(nèi)力呈指數(shù)函數(shù)迅速衰減以至消失，這種性質(zhì)稱為不連續(xù)應(yīng)力的局部性。 自限性 邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生，是由于邊緣兩側(cè)殼體薄膜變形的不相同以及它們的變形協(xié)調(diào)的結(jié)果。而當邊緣區(qū)的局部材料發(fā)生屈服進入塑性狀態(tài)時，殼體間原來變形的彈性約束得到了緩解，同時材料的塑性流動還受到周圍彈性區(qū)的限制。所以變形不會連續(xù)發(fā)展，邊緣應(yīng)力不可能無限制地增長，這就是邊緣應(yīng)力的自限性。（六）設(shè)計中改善邊緣應(yīng)力狀況 改善連接邊緣結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)等厚度焊接和圓弧角度；對邊緣區(qū)應(yīng)局部加強；避免邊緣區(qū)附近局部應(yīng)力或應(yīng)力集中；保證邊緣焊縫質(zhì)量，消除邊緣焊接殘余應(yīng)力 無力矩理論的基本方程（一）殼體微元及其內(nèi)力分量在受壓殼體上任一點取一微元體abdc。它由下列三對截面構(gòu)成：一是殼體內(nèi)外壁表面；二是兩個相鄰的經(jīng)線截面；三是兩個相鄰的與經(jīng)線垂直、同殼體正交的圓錐面，如圖21中所示。該微元體的經(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，微元界面上僅產(chǎn)生經(jīng)向和軸向內(nèi)力和。因為軸對稱，、不隨變化，在截面ab和cd上的值相等。由于隨角度變化，若在bd截面上的經(jīng)向內(nèi)力為，早對應(yīng)截面ac上，因增加了微量，經(jīng)向內(nèi)力變?yōu)?。圖21 微元體的力平衡（二）微元平衡方程作用在殼體微元上的內(nèi)力分量和外載荷組成一平衡力系，根據(jù)平衡條件可得各內(nèi)力分量與外載荷的關(guān)系式。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，并略去高階微量，得由圖21（d）中ac截面知，周向內(nèi)力在平行圓方向的分量為再將該分量投影至法線方向，見圖21（e）中ab截面，并考慮，得作微元體法線方向的力平衡，得等式兩邊同除以，得 （21）此式由拉普拉斯（Laplace）首先導出，故稱拉普拉斯方程。這個聯(lián)系薄膜應(yīng)力、和壓力p的方程，也稱為微元平衡方程。（三）區(qū)域平衡方程微元平衡方程（21）中有兩個未知量和。必須找一個補充方程，此方程可從部分容器的靜力平衡條件中求得。在圖21（a）中，過mm’作一與殼體正交的圓錐面mDm’，并截取一下部分容器作為分離體，如圖21所示。在容器mOm’區(qū)域上，任作兩個相鄰且都與殼體正交的圓錐面。在這兩個圓錐面之間，殼體中面是寬度為dl的環(huán)帶nn’。設(shè)在環(huán)帶處流體內(nèi)壓力為p，則環(huán)帶上所受壓力沿OO’軸的分量為由圖22可知所以，壓力在OO’軸方向產(chǎn)生的合力V為式中 rm——mm’處的平行圓半徑。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V’相平衡，所以 （22）式中 a——截面mm’處的經(jīng)線切向與回轉(zhuǎn)軸OO’的夾角。此式稱為殼體的區(qū)域平衡方程式。通過式（22）可求得，代入式(21)可解出。圖22 部分容器靜力平衡 微元平衡方程式(21)與區(qū)域平衡方程式（22）為無力矩理論的兩個基本方程。（四）無力矩理論應(yīng)用條件殼體的邊界不受橫向剪力、彎矩和扭矩作用。殼體的邊界處不得限制邊界處的轉(zhuǎn)角與撓度，故約束沿經(jīng)線的切向方向。 構(gòu)成殼體的材料物理性能相同(主要是μ和Ε)，殼體的厚度、中間面曲率和載荷連續(xù)，無突變。氣體僅對回轉(zhuǎn)薄殼施內(nèi)壓作用時，各處的壓力相等，壓力產(chǎn)生的軸向力V為由式（22）得 （23）將式（23）代入式（21）得 （24） 薄壁圓筒中各點的第一曲率半徑為；第二曲率半徑為；將第一曲率半徑和第二曲率半徑代入式（23）和式（24）中得薄壁圓筒理論計算公式 橢圓形封頭理論計算公式推導橢球形殼體由四分之一橢圓曲線作為母線繞一固定軸回轉(zhuǎn)而成，它的應(yīng)力可以用式（23）和（24）計算。主要問題是如何確定第一和第二曲率半徑R1和R2，它們都是沿著橢球殼的經(jīng)線連續(xù)變化的。已知橢圓曲線方程如下由此求得一階導數(shù)和二階導數(shù)為R1為殼體母線的第一主曲率半徑為將 和 代入上述之表達式，得 第二曲率半徑為橢圓至回轉(zhuǎn)軸的法線長度，橢圓切線的斜率為從圖28可知和，可得第二曲率半徑為將、表達式分別代入（23）和（24）式，可求得經(jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。圖23橢球殼的尺寸 （25） （26）從式（25）和式（26）式可以看出：橢圓殼上各點的應(yīng)力與各點的坐標有關(guān)，在殼體赤道上（x=a，y=0），，；在殼體頂點處（x=0，y=b），；橢球殼應(yīng)力的大小不僅與內(nèi)壓p，壁厚t有關(guān)外，還與長軸與短軸之比a/b有很大關(guān)系：當a與b軸相等時，橢球殼變成球殼，這時最大應(yīng)力為圓筒殼中的的一半，隨著a/b值的增大，橢球殼中應(yīng)力增大，如圖24所示；工程上常采用標準橢圓形封頭即當（a/b）=2的情況下標準橢球封頭中各點應(yīng)力分布的情況。下圖中正號表示拉應(yīng)力，負號表示壓應(yīng)力。從應(yīng)力分布圖24上可以看出：在橢球封頭受內(nèi)壓時的頂點和底邊應(yīng)力都比較大，所以這些部位必須通過強度計算，圖24橢球殼中的應(yīng)力隨長軸與短軸之比的變化規(guī)律根據(jù)公式25和公式26，可求得橢圓形封頭上1～7點上的軸向力和周向力的理論值，其中橢圓形封頭t=8cm其余數(shù)據(jù)如圖25所示，所取各點應(yīng)力理論值見表21。圖25 橢球封頭容器已知數(shù)據(jù)表21 橢圓形封頭理論應(yīng)力值點號片號1MPa2MPa3MPa4MPa5MPa1122343564780000059106111271314 平板封頭應(yīng)力分析 概述(一) 平板受力分析當一塊圓筒平板封頭受到垂直它表面的載荷作用時，載荷和撓度的關(guān)系如圖26所示。從O到A，其撓度是與載荷成正比的，且其撓度只是由彎曲變形所引起。在A到B的區(qū)域中，整個板厚已發(fā)生屈服，如同薄殼或薄壁容器中那樣，大部分載荷直接由拉伸變形所承受。板的純彈性強度與總強度相比較小。對撓度控制要求高的平板構(gòu)件，就必須有足夠的厚度來承載，否則須采用加強筋或拉桿。一般認為平板的變形為雙向彎曲，我們主要討論圓形薄板在軸載荷下小撓度應(yīng)力和變形。平板與殼體相似之處是也有“中面”，不過它的中面是一平面。平板沿垂直于其中面方向的尺寸，亦即兩表面之間的垂直距離，稱為板的“厚度”。按照板的厚度與其他方向的尺寸之比，以及板的撓度與其板厚度之比，平板可以分為以下幾類：厚板與薄板；大撓度板和小撓度板。他們均無明確界限，在計算精度要求下，平板厚度t與中面的最小邊長b(圖27)之比，即時