【正文】 碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高，而韌性降低。當(dāng)溫度低于某一界限時(shí)，鋼的沖擊吸收功大幅度地下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度通常被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或脆性轉(zhuǎn)變溫度。低溫變脆現(xiàn)象是低溫壓力容器經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫能促進(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。磷能提高鋼的強(qiáng)度，但會(huì)增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性、抗中子輻射脆化能力，改善抗應(yīng)變時(shí)效性能、抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。(已發(fā)生球化的鋼材采用熱處理的方法使之恢復(fù)原來(lái)的組織)(要阻止石墨化,可在鋼中加入與碳結(jié)合能力強(qiáng)的合金元素)(一方面應(yīng)嚴(yán)格控制微量雜質(zhì)元素的含量。另一方面應(yīng)使設(shè)備升降溫度的速度盡量緩慢)(鋼中加入鉻釩鎢鈦等能形成穩(wěn)定的化合物的元素)氫脆(容易造成氫脆的容器,應(yīng)先降壓,保溫消氫后,再降至常溫)應(yīng)力腐蝕破壞過(guò)程分為三個(gè)階段，即孕育階段；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段；裂紋失穩(wěn)階段。第三階段不一定總會(huì)發(fā)生，在第二階段形成的裂紋與可能使壓力容器泄漏，導(dǎo)致應(yīng)力下降，而不出現(xiàn)第三階段，即發(fā)生未爆先漏。預(yù)防措施：焊接接頭的檢驗(yàn)方法有破壞性檢驗(yàn)和非破壞性檢驗(yàn)兩類(lèi)。其中非破壞性檢驗(yàn)方法有：：如射線透照檢測(cè)，超聲檢測(cè)，表面檢測(cè)（包括磁粉檢測(cè)，滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)等）。在高溫，高氫分壓環(huán)境下工作的壓力容器，氫會(huì)以原子形式滲入到鋼中，被鋼的基體所溶解吸收。當(dāng)容器冷卻后，氫的溶解度大為降低，形成分子氫的富集，造成氫脆。第11章 壓力容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、許用應(yīng)力、強(qiáng)（剛）度、制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)予以高度重視。壓力容器設(shè)計(jì)就是根據(jù)給定的工藝設(shè)計(jì)條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在確保安全的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地選擇材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)（剛）度和密封設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，并滿足制造、檢驗(yàn)、裝配、運(yùn)輸和維修等要求；強(qiáng)（剛）度設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強(qiáng)度或剛度及穩(wěn)定性要求，以確保容器安全可靠地運(yùn)行；密封設(shè)計(jì)主要是選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性能良好。壓力容器的設(shè)計(jì)文件，包括設(shè)計(jì)圖樣、技術(shù)條件、強(qiáng)度計(jì)算書(shū)，必要時(shí)還應(yīng)包括設(shè)計(jì)或安裝、使用說(shuō)明書(shū)。若按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，還應(yīng)提供應(yīng)力分析報(bào)告。將力學(xué)分析結(jié)果與簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比較，就可判別壓力容器是否會(huì)失效。這種判據(jù)，稱為失效判據(jù)。因?yàn)閴毫θ萜鞔嬖谠S多不確定因素,失效判據(jù)一般不能直接用于壓力容器的設(shè)計(jì)計(jì)算。為有效地利用現(xiàn)有材料的強(qiáng)度或剛度，工程上在考慮上述不確定因素時(shí)，較為常用的方法是引入安全系數(shù)，得到與失效判據(jù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則大致可分為強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對(duì)于不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，安全系數(shù)的含義并不相同。壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先確定容器最有可能發(fā)生的失效形式，選擇合適的失效判據(jù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定適用的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，再按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值不低于最高工作壓力。而最高工作壓力系指容器頂部在正常工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最高表壓。對(duì)于盛裝液化氣體的容器，由于容器內(nèi)介質(zhì)壓力為液化氣體的飽和蒸氣壓，在規(guī)定的裝量系數(shù)范圍內(nèi)，與體積無(wú)關(guān)，僅取決于溫度的變化，故設(shè)計(jì)壓力與周?chē)拇髿猸h(huán)境溫度密切相關(guān)。此外，還要考慮容器外壁有否保冷設(shè)施，可靠的保冷設(shè)施能有效地保證容器內(nèi)溫度不受大氣環(huán)境溫度的影響，即設(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。設(shè)計(jì)溫度取溫度平均值T,選材以設(shè)計(jì)溫度為準(zhǔn).計(jì)算厚度（δ）是按有關(guān)公式采用計(jì)算壓力得到的厚度。必要時(shí)還應(yīng)計(jì)入其它載荷對(duì)厚度的影響。設(shè)計(jì)厚度（δd）系計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和。名義厚度（δn）指設(shè)計(jì)厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。有效厚度（δe）為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負(fù)偏差。(見(jiàn)課本圖45)滿足強(qiáng)度（剛度、穩(wěn)定性）及使用壽命要求的最小厚度是設(shè)計(jì)厚度材料設(shè)計(jì)系數(shù)是一個(gè)強(qiáng)度“保險(xiǎn)”系數(shù)，主要是為了保證受壓元件強(qiáng)度有足夠的安全儲(chǔ)備量，其大小與應(yīng)力計(jì)算的精確性、材料性能的均勻性、載荷的確切程度、制造工藝和使用管理的先進(jìn)性以及檢驗(yàn)水平等因素有著密切關(guān)系。常規(guī)設(shè)計(jì):(1)常規(guī)設(shè)計(jì)將容器承受的“最大載荷”按一次施加的靜載荷處理，不涉及容器的疲勞壽命問(wèn)題，不考慮熱應(yīng)力。(2)常規(guī)設(shè)計(jì)以材料力學(xué)及彈性力學(xué)中的簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，確定筒體與部件中平均應(yīng)力的大小，只要此值限制在以彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則所確定的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，則認(rèn)為筒體和部件是安全的。(3)常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了具體的容器結(jié)構(gòu)形式。分析設(shè)計(jì):(1)將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計(jì)算出來(lái),包括交變載荷,熱應(yīng)力,局部應(yīng)力等。(2)進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)，再按不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。(3)可應(yīng)用于承受各種載荷、任何結(jié)構(gòu)形式的壓力容器設(shè)計(jì)，克服了常規(guī)設(shè)計(jì)的不足。按照殼體的厚度t與其中面曲率半徑R的比值大小，可分為薄殼和厚殼，的殼體歸為薄殼，反之為厚殼。對(duì)于圓柱殼體，，稱為薄壁圓筒。其強(qiáng)度計(jì)算以薄膜理論為基礎(chǔ),采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則。厚壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算以拉美公式為基礎(chǔ),采用塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。多層包扎式熱套式繞板式整體多層包扎式繞帶式：又分型槽繞帶式和扁平鋼帶傾角錯(cuò)繞式()焊接缺陷的消除與檢測(cè)較困難.采用組合式圓筒按形狀改變比能屈服失效判據(jù)計(jì)算出的內(nèi)壓厚壁筒體初始屈服壓力與實(shí)測(cè)值較為吻合，因而與形狀改變比能準(zhǔn)則相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度能較好地反映厚壁筒體的實(shí)際應(yīng)力水平。由表（41）知，為 = 與中徑公式相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度為 隨徑比K的增大而增大。當(dāng)K=，比值為 ≈。由于GB150取ns=，仍可按式（413）計(jì)算筒體厚度。因?yàn)樵谝簤涸囼?yàn)（pT=）時(shí)，=，說(shuō)明筒體內(nèi)表面金屬仍未達(dá)到屈服點(diǎn)，處于彈性狀態(tài)。當(dāng)K=，δ=Di（K1）/2=，代入式（413）得 即pc=[σ]tφ。這就是將式（413）的適用范圍規(guī)定為pc≤[σ]tφ的依據(jù)所在。[σ]tφ的單層厚壁筒體，常采用塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。直邊段的作用是避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。(1)半球形封頭在均勻內(nèi)壓作用下，薄壁球形容器的薄膜應(yīng)力為相同直徑圓筒體的一半。但缺點(diǎn)是深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。半球形封頭常用在高壓容器上。(2)橢圓形封頭橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(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。(3)碟形封頭是一不連續(xù)曲面，在經(jīng)線曲率半徑突變的兩個(gè)曲面連接處，由于曲率的較大變化而存在著較大邊緣彎曲應(yīng)力。該邊緣彎曲應(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。但過(guò)渡環(huán)殼的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡(jiǎn)單，使碟形封頭的應(yīng)用范圍較為廣泛。(4)錐殼結(jié)構(gòu)不連續(xù)，錐殼的應(yīng)力分布并不理想，但其特殊的結(jié)構(gòu)形式有利于固體顆粒和懸浮或粘稠液體的排放，可作為不同直徑圓筒體的中間過(guò)渡段，因而在中、低壓容器中使用較為普遍。(5)平蓋平蓋厚度計(jì)算是以圓平板應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的,主要用于直徑較小、壓力較高的容器。(1)墊片比壓力形成初始密封條件時(shí)墊片單位面積上所受的最小壓緊力，稱為“墊片比壓力”，用y表示，單位為MPa.(2)墊片系數(shù)為保證在操作狀態(tài)時(shí)法蘭的密封性能而必須施加在墊片上的壓應(yīng)力，稱為操作密封比壓。操作密封比壓往往用介質(zhì)計(jì)算壓力的m倍表示，這里m稱為“墊片系數(shù)”，無(wú)因次。為簡(jiǎn)化計(jì)算、降低成本、增加互換性，制訂了一系列法蘭標(biāo)準(zhǔn)。法蘭標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)用途分管法蘭和容器法蘭兩套標(biāo)準(zhǔn)。法蘭應(yīng)根據(jù)容器或管道的公稱直徑、公稱壓力、工作溫度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進(jìn)行選用。當(dāng)法蘭錐頸有少量屈服時(shí)，錐頸部分和法蘭環(huán)所承受的力矩將重新分配，錐頸已屈服部分不能再承受載荷，其中大部分需要法蘭環(huán)來(lái)承擔(dān)，這就使法蘭環(huán)的實(shí)際應(yīng)力有可能超過(guò)原有的法蘭環(huán)強(qiáng)度條件。因此為使法蘭環(huán)不產(chǎn)生屈服，保證密封可靠，尚需對(duì)錐頸部分和法蘭環(huán)的平均應(yīng)力加以限制。在預(yù)緊和工作狀態(tài)下都只依靠主螺栓的預(yù)緊作用，使金屬平墊片產(chǎn)生一定的塑性變形，填滿壓緊面的高低不平處，從而達(dá)到密封目的。盡量利用操作壓力壓緊密封元件實(shí)現(xiàn)自緊密封。預(yù)緊螺栓僅提供初始密封所需的力，壓力越高，密封越可靠，因而比強(qiáng)制式密封更為可靠和緊湊。()壓力容器常常存在各種強(qiáng)度裕量，例如接管和殼體實(shí)際厚度往往大于強(qiáng)度需要的厚度；接管根部有填角焊縫；焊接接頭系數(shù)小于1但開(kāi)孔位置不在焊縫上。這些因素相當(dāng)于對(duì)殼體進(jìn)行了局部加強(qiáng)，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開(kāi)孔處的最大應(yīng)力。因此，對(duì)于滿足一定條件的開(kāi)孔接管，可以不予補(bǔ)強(qiáng)。GB150規(guī)定，兩相鄰開(kāi)孔中心的間距（對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm時(shí)，只要接管最小厚度滿足表414(見(jiàn)課本)要求，就可不另行補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，使用經(jīng)驗(yàn)豐富。但補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時(shí)，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；另外，補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。這種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)一般使用在靜載、常溫、中低壓、材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于540MPa、殼體名義厚度δn不大于38mm的場(chǎng)合。容器若符合下列條件之一，則可不必開(kāi)設(shè)檢查孔：①筒體內(nèi)徑小于等于300mm的壓力容器；②容器上設(shè)有可拆卸的封頭、蓋板或其它能夠開(kāi)關(guān)的蓋子，其封頭、蓋板或蓋子的尺寸不小于所規(guī)定檢查孔的尺寸；③無(wú)腐蝕或輕微腐蝕，無(wú)需做內(nèi)部檢查和清理的壓力容器；④制冷裝置用壓力容器；⑤換熱器。安全閥的作用是通過(guò)閥的自動(dòng)開(kāi)啟排出氣體來(lái)降低容器內(nèi)過(guò)高的壓力。其優(yōu)點(diǎn)是僅排放容器內(nèi)高于規(guī)定值的部分壓力，當(dāng)容器內(nèi)的壓力降至稍低于正常操作壓力時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉，避免一旦容器超壓就把全部氣體排出而造成浪費(fèi)和中斷生產(chǎn)；可重復(fù)使用多次，安裝調(diào)整也比較容易。但密封性能較差，閥的開(kāi)啟有滯后現(xiàn)象，泄壓反應(yīng)較慢。爆破片是一種斷裂型安全泄放裝置，它利用爆破片在標(biāo)定爆破壓力下即發(fā)生斷裂來(lái)達(dá)到泄壓目的，泄壓后爆破片不能繼續(xù)有效使用，容器也被迫停止運(yùn)行。雖然爆破片是一種爆破后不重新閉合的泄放裝置，但與安全閥相比，它有兩個(gè)特點(diǎn)：一是密閉性能好，能做到完全密封；二是破裂速度快，泄壓反應(yīng)迅速。因此，當(dāng)安全閥不能起到有效保護(hù)作用時(shí)，必須使用爆破片或爆破片與安全閥的組合裝置。①介質(zhì)為不潔凈氣體的壓力容器；②由于物料的化學(xué)反應(yīng)壓力可能迅速上升的壓力容器；③毒性程度為極度、高度危害的氣體介質(zhì)或盛裝貴重介質(zhì)的壓力容器；④介質(zhì)為強(qiáng)腐蝕性氣體的壓力容器，腐蝕性大的介質(zhì)，用耐腐蝕的貴重材料制造安全閥成本高，而用其制造爆破片，成本非常低廉。對(duì)于內(nèi)壓容器，耐壓試驗(yàn)的目的是：在超設(shè)計(jì)壓力下，考核缺陷是否會(huì)發(fā)生快速擴(kuò)展造成破壞或開(kāi)裂造成滲漏，檢驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)的密封性能。對(duì)于外壓容器，在外壓作用下，容器中的缺陷受壓應(yīng)力的作用，不可能發(fā)生開(kāi)裂，且外壓臨界失穩(wěn)壓力主要與容器的幾何尺寸、制造精度有關(guān)，跟缺陷無(wú)關(guān)，一般不用外壓試驗(yàn)來(lái)考核其穩(wěn)定性，而以內(nèi)壓試驗(yàn)進(jìn)行“試漏”，檢查是否存在穿透性缺陷。由于在相同壓力和容積下，試驗(yàn)介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容器所儲(chǔ)存的能量也越大，爆炸也就越危險(xiǎn)，故應(yīng)選用壓縮系數(shù)小的流體作為試驗(yàn)介質(zhì)。常溫時(shí)，水的壓縮系數(shù)比氣體要小得多，且來(lái)源豐富，因而是常用的試驗(yàn)介質(zhì)。夾套容器是由內(nèi)筒和夾套組成的多腔壓力容器，各腔的設(shè)計(jì)壓力通常是不同的，應(yīng)在圖樣上分別注明內(nèi)筒和夾套的試驗(yàn)壓力值。內(nèi)筒根據(jù)實(shí)際情況按外壓容器或內(nèi)壓容器確定試驗(yàn)壓力；夾套按內(nèi)壓容器確定試驗(yàn)壓力。先做內(nèi)筒壓力試驗(yàn)，壓力試驗(yàn)安全后組裝夾套。在確定了夾套試驗(yàn)壓力后，還必須校核內(nèi)筒在該試驗(yàn)壓力下的穩(wěn)定性。如不能滿足外壓穩(wěn)定性要求，則在作夾套的液壓試驗(yàn)時(shí)，必須同時(shí)在內(nèi)筒保持一定的壓力，以確保夾套試壓時(shí)內(nèi)筒的穩(wěn)定性。壓力容器所承受的載荷有多種類(lèi)型，如機(jī)械載荷（包括壓力、重力、支座反力、風(fēng)載荷及地震載荷等）、熱載荷等。它們可能是施加在整個(gè)容器上（如壓力），也可能是施加在容器的局部部位（如支座反力）。因此，載荷在容器中所產(chǎn)生的應(yīng)力與分布以及對(duì)容器失效的影響也就各不相同。就分布范圍來(lái)看，有些應(yīng)力遍布于整個(gè)容器殼體，可能會(huì)造成容器整體范圍內(nèi)的彈性或塑性失效；而有些應(yīng)力只存在于容器的局部部位，只會(huì)造成容器局部彈塑性失效或疲勞失效。從應(yīng)力產(chǎn)生的原因來(lái)看，有些應(yīng)力必須滿足與外載荷的靜力平衡關(guān)系，因此隨外載荷的增加而增加，可直接導(dǎo)致容器失效；而有些應(yīng)力則是在載荷作用下由于變形不協(xié)調(diào)引起的，因此具有“自限性”。因此有必要對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi)，再按不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)限制。壓力容器應(yīng)力分類(lèi)的依據(jù)是應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效所起作用的大小。這種作用又取決于下列兩個(gè)因素：（1）應(yīng)力產(chǎn)生的原因。即應(yīng)力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生的，外載荷是機(jī)械載荷還是熱載荷。（2）應(yīng)力的作用區(qū)域與分布形式。即應(yīng)力的作用是總體范圍還是局部范圍的，沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。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，所以，一次應(yīng)力的基本特征是“非自限性”。另外，當(dāng)一次應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)將引起容器總體范圍內(nèi)的顯著變形或破壞，對(duì)容器的失效影響最大。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)。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)。，介質(zhì)溫度急劇變化在器壁或管壁中引起的熱應(yīng)力