【文章內(nèi)容簡介】 式中： α——管子材料的線膨脹系數(shù),單位為1/0C；而當另一端也被約束時((b))，這一伸長量完全被限制，相當于管子受到一約束反力P (本例為壓縮力)，其壓縮量等于伸長量，存在以下關系：ΔL = PL / EA 式中： E——管子材料的彈性模量，A——管子的橫截面積。將 ΔL=αLΔT 和 ΔL = PL / EA 兩式合并得： αLΔT = PL / EAσT = P/A = αEΔT 因為是壓縮力，故取“－”號，則： 溫差應力σT僅與溫度差和材料的物理性質(zhì)(E、α)有關，與部件尺寸無關。溫差越大，應力越高?，F(xiàn)實中常可采用撓性結構、避免剛性約束等方法來降低或消除溫差應力。、壓力容器設計方法簡介工程上，壓力容器設計有兩種方法：按規(guī)則設計和按分析設計。我們只談按規(guī)則設計，它是基于理論、實驗和經(jīng)驗的一種方法。壓力容器設計的目的是把容器可能發(fā)生的破壞從工程設計角度限制在安全水平之內(nèi)，即依據(jù)特定的使用條件，有效地利用選定材料的強度或剛度，使容器或其部件在設計壽命內(nèi)不失去正常工作能力。彈性失效設計準則在內(nèi)壓力等靜載荷作用下，容器壁中的最大當量應力(σd)不應超過材料的彈性極限，并考慮應力分析、材料性質(zhì)等方面估計的不精確性，采用通過安全系數(shù)(n)確定的許用應力([σ])來代替彈性極限。對受均勻內(nèi)壓力的薄壁圓筒容器而言，彈性失效設計準則是以筒體的環(huán)向薄膜應力作為最大當量應力，使其保持在材料的許用應力之內(nèi)，從而確定它的計算壁厚。這里說的當量應力是理論假設得到的一相當應力，以代替容器實際受到的復雜應力，并將它與該容器材料的簡單拉伸或壓縮試驗中得到的彈性或塑性極限值（“σ”）進行比較。壓力容器設計規(guī)范中應用較早又較廣泛的一種強度理論是“最大正應力理論”，該理論假設容器材料受到多向應力，其最大主應力等于或大于同樣材料的試件在簡單拉伸試驗中失去彈性時的最大正應力即告破壞。它的數(shù)學表達式是： 式中： σd——最大當量應力，MPa； σ2——環(huán)向薄膜應力，MPa； “σ”——塑性極限值， MPa； [σ]——許用應力， MPa； n——安全系數(shù)， p——工作壓力， MPa； DC——圓筒平均直徑，mm； t——圓筒壁厚， mm。若需確定圓筒的計算壁厚t時，則將上式變?yōu)?以計算壓力pc代替工作壓力p)： 考慮到焊接和溫度因素，且有Dc = Di + t，許用應力 = 設計溫度下材料的許用應力焊接接頭系數(shù)即： [σ]= [σ]tφ則有： 式中： pc ——計算壓力， MPa Dc ——容器內(nèi)徑， mm[σ]t—— 設計溫度下材料的許用應力, MPaφ—— 焊接接頭系數(shù) 1。再考慮到鋼材厚度偏差、腐蝕、磨損而導致厚度減薄等因素，實際制造容器的符合鋼材標準規(guī)格的厚度(又稱名義厚度)tn為： (mm)式中： t —— 計算厚度， mm； c1 —— 鋼材厚度負偏差，且不超過名義厚度的6%時，cl可忽略不計； c2 —— 腐蝕裕量，當介質(zhì)為壓縮空氣、水或水蒸氣時，c2不小于1mm； Δt —— 厚度圓整值，mm。通過下例題將上面所講的內(nèi)容應用如下：解：計算壓力pc = ，內(nèi)直徑Di= 600 mm，設計溫度下材料的許用應力 [σ]t = 133 MPa，由于是100%無損探傷， = 1， 按下式計算出計算厚度t： 將有關數(shù)據(jù)代入式中計算得： t = 600 /（2133－）= mm按下式計算出名義厚度tn： mm其中：c l忽略不計，介質(zhì)為壓縮空氣則c 2 = 1mm， tn = ＋0＋1＋ = 16 mm其中： +Δt，經(jīng)圓整后，確定Δt = 。5. 4. 2 結構安全設計常規(guī)壓力容器設計，除了通過計算來保證容器總體的強度、剛度和穩(wěn)定性要求外，還要在結構上采取措施，減少附加應力和應力集中程度，此外合適的結構也是方便制造、檢驗，保證容器制造質(zhì)量的重要措施。壓力容器設計過程中，要在總體或局部結構、焊接結構和接頭型式等方面遵循便于制造、利于檢驗、避免局部附加應力和應力集中的一般性原則。具體應用來說，大致有以下4個方面：(1)防止壓力容器各承壓部件連接處的幾何形狀、厚度、材料和載荷(包括溫度)等突變形成的總體和局部結構不連續(xù)產(chǎn)生的過高的局部應力；可以采用圓滑過渡或斜坡過渡形式消除幾何形狀或厚度的突變。(2)避免壓力容器上局部高應力和它們之間的相互疊加，在容器上限制開大孔，容器設計規(guī)范規(guī)定，凸形封頭或球殼的開孔最大直徑不超過殼體內(nèi)直徑的1/2等；即使一般性開孔，必要時也要有局部補強措施，如采用補強圈、厚壁接管或整體補強等；采用高應力區(qū)與強度薄弱環(huán)節(jié)錯開分隔，在凸形封頭過渡部分一般不開孔，以避免與封頭過渡區(qū)不連續(xù)效應疊加；又如使接管、支座避開筒體縱環(huán)焊縫；筒體或其他受壓元件的拼接焊縫應彼此錯開一定距離等。 (3)合理選擇焊接結構和接頭型式，如避免未焊透結構和剛性焊接結構，優(yōu)先采用等厚對接接頭，盡量少用連接強度差的搭接和末焊透的角接接頭，以減少焊接變形和附加應力。(4)檢驗部位要方便無損檢驗，以準確發(fā)現(xiàn)制造缺陷。如整體補強的接管比補強圈補強的接管容易進行超聲波檢驗。 壓力容器的破壞形式及原因常見壓力容器的破壞形式有韌性破裂、脆性破裂、疲勞破裂、腐蝕破裂、蠕變破裂和其他破裂。韌性破裂是指容器在壓力作用下，器壁上產(chǎn)生的應力達到材料的強度極限而發(fā)生破裂。韌性破裂的特征：破裂容器發(fā)生明顯的形狀改變和塑性變形。如容器的周長明顯延長或容器明顯增大，中間部分有鼓脹和壁厚的明顯減薄。容器發(fā)生韌性破裂的主要原因是超壓。脆性破裂是指容器沒有明顯變形而突然發(fā)生破裂。這種破裂現(xiàn)象與脆性材料的破裂很相似，根據(jù)破裂時的壓力計算，器壁的應力并沒有達到材料的強度極限，甚至遠遠低于強度極限。脆性破裂的特征：破裂容器一般沒有明顯的伸長變形，而且常有碎片產(chǎn)生。容器發(fā)生脆性破裂的原因：一是容器材料本身的脆性；二是容器在制造或使用中使材料產(chǎn)生了嚴重的缺陷。疲勞破裂是指容器在反復的加壓過程中，殼體的材料長期受到交變載荷的作用，出現(xiàn)金屬疲勞而發(fā)生疲勞破裂。疲勞破裂的特征：①疲勞破裂常發(fā)生在結構局部應力較高，或存在材料缺陷處；②容器外觀沒有明顯的塑性變形，但又不像脆性破裂那樣產(chǎn)生許多碎片，而是一般的開裂。容器發(fā)生疲勞破裂的首要原因是交變載荷，這既可以是容器的周期性加壓和泄壓，也可以是操作過程中較大的壓力或溫度波動；其次，發(fā)生疲勞破裂的局部區(qū)域存在很大的應力變化幅度，因而具備疲勞裂紋擴展的載荷條件。腐蝕破裂是指容器殼體受到介質(zhì)的腐蝕而在一定的壓力和其他條件下產(chǎn)生的破裂。壓力容器的腐蝕破壞形式有：均勻腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕和疲勞腐蝕等。下面僅簡介應力腐蝕破裂，即金屬在腐蝕介質(zhì)和拉應力的共同作用下發(fā)生的一種破壞形式。（1）應力腐蝕破裂發(fā)生的條件①特定腐蝕介質(zhì)與材料的組合。一定的材料只有在與特定的腐蝕介質(zhì)組合下才會發(fā)生應力腐蝕，即應力腐蝕具有選擇性的特點。②拉應力的存在。拉應力是發(fā)生應力腐蝕破裂的必要條件之一。拉應力包括裝配應力、殘余應力或腐蝕產(chǎn)物引起的內(nèi)應力等。③材料純度和組織狀態(tài)的影響。有雜質(zhì)的金屬較易發(fā)生應力腐蝕；材料的組織狀態(tài)不穩(wěn)定較易發(fā)生應力腐蝕。蠕變破裂是指在高溫下工作的容器，當操作溫度超過一定限值，材料在應力的作用下發(fā)生緩慢的塑性變形，最終導致材料破裂。如低碳鋼和低合金鋼發(fā)生蠕變的溫度是300—350℃，合金鋼是400450℃。蠕變破裂的主要特征：蠕變破裂有明顯的塑性變形和蠕變小裂紋，斷口無金屬光澤，呈粗糙顆粒狀，表面有高溫氧化層或腐蝕物。當溫度特別高時，材料還會發(fā)生金相組織變化，如石墨化傾向。蠕變破裂發(fā)生的主要原因是操作溫度超過了材料的蠕變溫度。其他破裂其他破裂主要是指復合性因素引起的破裂。在實際生產(chǎn)中，引起材料破壞的因素常常不止一個，有時是以某個因素為主，有時兩個甚至兩個以上因素都不能忽視。例如，在高溫下工作的容器若再遇有交變載荷，就可能發(fā)生蠕變疲勞破裂。在有腐蝕性的介質(zhì)中工作的容器，若再遇有超壓情況，就可能發(fā)生腐蝕性韌性破裂。 壓力容器的制造缺陷焊接缺陷焊接缺陷按其位置分為以下幾種情況。（1）外部缺陷外部缺陷包括焊縫成形不良、焊縫尺寸不符合要求，以及咬邊、弧坑、過燒、電弧擦傷等表面缺陷。1）形狀缺陷：焊縫表面粗糙；焊道熔敷不均勻；焊縫與母材不圓滑過渡等；2）尺寸缺陷：焊縫寬度太寬或太窄；焊縫加強高度過高或過低，甚至下陷（（a））等。3）咬邊：指焊趾的母材部位產(chǎn)生凹陷或溝槽（（b）），主要原因系焊接時焊接工藝參數(shù)不當，如焊接電流過大、電弧過長；焊接速度太快；焊接作業(yè)位置不正確等；4）弧坑：這是在焊接斷弧或收弧時，焊道末端形成的低洼部分（（c））