第4章对容器设计及安全要求.doc

第四章 对容器设计的安全要求4.1压力容器的设计方法目前，压力容器所采用的设计标准规范有两大类，一类是常规设计（Design by Rule)，以美国ASME第一分篇压力容器建造和中国GB150钢制压力容器标准为代表；另一类是分析设计（Design by Analysis)，以美国ASME-第二分篇压力容器建造-另一规则和中国JB4732钢制压力容器-分析设计标准为代表。4.1.1常规设计常规设计是以弹性设计准则为基础，只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷处理，不涉及容器的疲劳问题，不考虑热应力。它是以壳体的薄膜理论或材料力学方法导出容器及部件的设计计算式，给出了压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系。但这些并不是建立在对容器及其部件进行详细的应力分析基础之上，例如容器筒体，是根据内压与筒壁上均匀分布的薄膜应力整体平衡推导而得，采用的是中径公式。一般情况它仅考虑筒体中的平均应力，不考虑其他类型的应力（如弯曲应力，只要将平均应力值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为设备就是安全的。实际上，当容器承载以后，在容器上结构不连续区域出现多种应力，常规设计在标准中对此只是根据经验做出规定，把局部应力粗略地控制在一个安全水平上，并在结构、选材、制造等方面提出要求来保证安全。因此，从本质上讲常规设计是基于经验的设计方法。压力容器在实际运行中所承受的载荷往往是多种多样的，不但有机械载荷，还有热载荷、周期性变化的载荷等，这使得无法用常规设计方法进行设计。例如由于在容器中存在开孔、接管、支座、附件连接等局部不连续，器壁中应力分布很不均匀，局部应力有时比基于薄膜理论的设计公式算出的应力高出很多倍，许多容器事故都是由这种局部高应力引发的。在设计上，如果按最大应力点达到屈服极限就算失效，把局部高应力限制在一倍的许用应力以下，那对其他广大的低应力区来说尚有很大承载潜力，材料没有充分发挥作用，设计是保守的。若不考虑局部应力，只按薄膜应力进行计算，那又很不安全，应力集中区将会出现塑性变形，在反复载荷作用下还可能萌生裂纹，进而导致容器失效。又如对具有热应力的容器，热应力对容器失效的影响是不能通过提高材料设计系数或加大厚度的办法来有效改善的，有时厚度的增加却起了相反的作用，因为厚壁容器的热应力会随厚度的增加而增大。因此，必须从设计观念和设计方法上加以改变。4.1.2分析设计分析设计放弃了传统的弹性失效准则，采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的塑性失效和弹塑性失效准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位做有限寿命设计。进行压力容器分析设计时，必须先进行详细的应力分析，即通过解析法或数值方法，将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进行应力分类，对各类应力借用塑性理论的基本概念与结论进行评定，再按不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效，这就是以应力分析为基础的设计方法，简称分析设计。分析设计可应用于承受各种载荷的任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。采用塑性失效和弹塑性失效准则，可以较好地解决常规设计中所述的矛盾，合理地放松了对计算应力的过严限制，安全系数相对降低，许用应力相对提高。压力容器存在的可能失效模式有：a.过量的弹性变形（包括弹性不稳定性)；b.过量的塑性变形；c.塑性不稳定渐增性垮塌；d.高应变低循环疲劳；e.脆性断裂；f.蠕变；g.应力腐蚀；h.腐蚀疲劳。目前，分析设计涉及前4种失效模式。4.1.2.1 极限分析极限分析认为结构上某一点达到屈服后该结构并没有失效，只有整体屈服达到所谓的极限状态才算失效。极限分析假定结构所用材料为理想弹塑性材料，在某一载荷下结构进入整体或局部区域的全域屈服后，变形将无限制地增大，结构达到了它的极限承载能力，这种状态即为塑性失效的极限状态，使结构达到整体屈服的这一载荷称为极限载荷。下面以纯弯曲梁为例进行分析说明。设有一矩形截面梁，宽度为b，高为h，受弯矩M作用，如图2-3(a)所示。由材料力学可知，矩形截面梁在弹性情况下，截面应力呈线性分布，即上下表面处应力最大，一边受拉，一边受压。最大应力为。当m=s时，梁的上下表面开始进入屈服图2-3(b)，此时达到了弹性失效状态，对应的载荷为弹性失效载荷，即。但从塑性失效观点看，此梁除上下表面材料屈服外，其余材料仍处于弹性状态，还可继续承载。随着载荷增大，梁内弹性区减少，塑性区增大图2-3(c)。当塑性区扩大到整个截面都达到屈服应力而处于极限状态图2-3(d)，由平衡关系可得此时极限载荷为。显然Mp=1.5Me，即塑性失效时的极限载荷为弹性失效时的载荷的1.5倍。若按弹性应力分布计算，则极限载荷下的虚拟应力为上式说明，按照极限分析法，当最大弯曲应力达到1.5s时，结构才处于极限状态。计入安全系数后强度条件为这就是一次弯曲应力可以取1.5为强度控制值的依据。在受拉伸和弯曲组合应力作用时，即相当于弯曲应力和薄膜应力叠加时，其破坏应力是变化的，但为简化起见，都规定1.5为强度控制值。4.1.2.2 安定性分析极限分析是针对一次性加载（静载荷）情况，而安定性分析则是针对反复加载（交变载荷）情况。若虚拟应力超过材料屈服点，局部高应力区由塑性区和弹性区两部分组成。塑性区被弹性区包围，卸载时弹性区力图使塑性区恢复原状，从而在塑性区中出现残余压缩应力。剩余压缩应力的大小与虚拟应力有关。设结构由理想弹塑性材料制造，现根据虚拟应力1的大小简单分析处于安定状态的条件。图2-4表示理想弹塑性材料在其虚拟应力超过s后的应力应变关系。由图2-4(a)可知， 只要局部塑性变形小于屈服应变值s的两倍，或虚拟应力1小于两倍屈服强度2s，就只在第一次加载经OAB时产生相当于AB线段的塑性变形。卸载沿BC线，再次加载、卸载就一直沿CB线变化了，一直处于弹性状态，没有塑性应变，只不过加载时应力是由具有残余压应力的C点开始，先减至零，然后变为拉应力。如果局部变形大于两倍屈服应变2s或虚拟应力超过2s 图2-4(b)，这时加载经OAHD，卸载沿DFG，FG为反向塑性变形。以后的加载、卸载沿GH和DF，每一循环都有HD与FG的反复塑性变形。反复塑性变形使材料变脆，不久将引起断裂，这对结构是不安定的。设容器在总体结构不连续处存在较高的局部应力，其计算值超过材料的屈服极限。如果是理想塑性材料，则当应力达到屈服极限s后即不再增大，而应变则继续由s,増加至，如图3 - 1 中的OAB线所示。B点的应变为，与此相对应的计箅应力值为=E。当容器卸压时，应力下降，这段卸载的应力应变线段的斜率与加载线相同，如图3-1中的BC线。在C点处，拉应力巳降至零，但仍存在残余应变OC,其值等于- s,，要使残余应变消失，则必须施加压应力E (- s),应力应变过程如图中的CD线。所以在容器卸压时，这一区域内存在残余压应力。此后容器再次加压，则应变即由O至,而应力则由D开始，沿直线DCB达到B点，即残余压应力先减至零，然后变为拉应力。以后容器在反复的加压和卸载过程中，应力应变过程始终如直线BCD所示，完全呈弹性状态，没有塑性应变。但是，如果容器的局部应力过大，使应变超过屈服应变s的两倍，如图3-1中的B点， 则当容器卸压时，应力沿BC线下降，当拉应力为零时，存在的残余应变（图中的OC大于s。这样，即使施加数值等于材料的屈服极限s的压应力，残余应变仍存在，如图中的DE线。于是容器卸压时，在此区域内产生如DE线所示的压缩屈服变形，称为反向屈服。此后容器在不断的加压和卸压过程中，此一区域将不断地发生拉伸屈服变形与压缩屈服变形。这种循环的塑性应变，可以在不太多的循环次数下，导致材料的破坏。因此，要保持应力区域处于完全弹性状态，必须使最大应变保持在屈服应变s的两倍的界限内，即最大计算应力值应不大于材料屈服极限的两倍。如果一个结构经过几次反复加载过程，结构元件仅在第一次加载过程中出现一定量的塑性变形，以后不再出现塑性变形，也不会导致塑性变形的连续循环，构件处于弹性循环状态，即称为安定状态。否则结构会在反复加载、卸载中引起新的塑性变形，那么塑性变形便不断积累，结构可能因塑性疲劳或大变形而发生破坏，这种状态被称为不安定 状态。可见，保证结构安定的条件是12s，由于s1.5Sm(Sm设计应力强度)，分析设计标准中，将一次加二次应力强度限制在3Sm以内。在做极限分析时可知，当外载荷一旦达到极限载荷，结构即成为几何可变机构而失去承载能力。但当载荷达到安定载荷时只是损伤累积的开始，破坏是一个缓慢的过程。因此，对“安定”不加安全系数，只要求施加的载荷小于安定载荷就可以了。由于实际材料并非理想弹塑性材料，屈服后还有应变强化能力，因此上面由极限分析和安定性分析导出的应力限制条件是偏于保守的，使结构增加了一定的安全裕度。4.1.2.3 疲劳分析及设计(1）疲劳分析 随着石油化工和其他工业的迅速发展，许多压力容器要承受交变载荷， 如频繁地开、停车以及压力波动、温度变化等，使得容器中应力随时间呈周期性（或无规则）变化（即所谓交变应力）。生产规模的大型化和高参数（高压、高温、低温）也使得高强度材料广泛应用于压力容器。这些因素的组合造成了压力容器发生疲劳失效的事故率增加，根据事故的统计分析可知，由于疲劳裂纹的扩展而造成疲劳破坏的事例约占压力容器破坏事例的40%左右。因此，疲劳问题近年来引起了各国工程界和理论界的关注，许多技术先进的国家均在自己压力容器设计规范中，增加了相应的疲劳设计条款。在分析设计中，由极限载荷分析可知，当外载荷小于极限载荷时，结构中的塑性变形是局部的、可控制的。当外载荷大于极限载荷时，结构变成几何可变机构，失去承载能力；由安定性分析可知，当外载荷小于安定载荷时，结构除在初始载荷循环中出现塑性变形外，在以后的载荷循环中将保持为弹性行为，结构的寿命是无限的。那么，当外载荷大于安定载荷时，可能会出现如下三种情况。渐增性垮塌。在筒体和封头连接处的边缘效应区，当弹性名义应力超过两倍屈服极限时，在加压、卸压过程中会出现塑性变形的积累，到一定程度就会出现垮塌现象。这种情况实际上也属于疲劳范畴，只是这种现象不同于在局部峰值应力部位出现的疲劳现象。在筒体与封头连接区域二次应力起着重要作用，且作用在整个断面，危险性相对比较大。因此，设计时不允许像对待峰值应力那样，允许有损伤出现，进行有限寿命设计，而是要求弹性名义应力严格控制在两倍屈服极限以下，不允许这种渐增性垮塌在容器中发生。低周疲劳。材料在交变载荷作用下的破坏称之为疲劳。压力容器的疲劳属于低循环疲劳或塑性疲劳。它的特点是：每次加载循环的前半周（加载）和后半周（卸载）在结构同一部位相继产生方向相反的塑性变形；每次循环总塑性变形接近于零，但每半周的塑性功不为零；拉伸时塑性功为正，压缩时塑性功也为正。这就是损伤的根源，将导致裂纹萌生、扩展直到贯穿整个断面，最终出现漏泄或断裂。容器的疲劳寿命由标准中给出的交变应力幅与循环次数之间的关系曲线来预测。棘轮损伤。棘轮损伤是指在一个恒定的载荷（如内压）与一个交变的载荷如温度变化）共同作用下出现的一种破坏形式。它的特点是：当温度应力交变时，将在结构的不同部位产生塑性变形及不可逆积累，在加载时变形增长，而卸载时变形不能恢复。就像机械中的棘轮一样，只能朝一个方向转动而不能倒退，因此称为棘轮现象。棘轮现象引起的失效和前面讲的第一种情况渐增性垮塌相类似，它们都是由于过度的塑性变形而引起失效，和一般的疲劳破坏机理不同，不是由局部缺陷、裂纹和峰值应力引起的。（2）压力容器疲劳失效特点 压力容器承受交变循环载荷而引起的疲劳破坏和静载条件下的破坏有着本质的区别。压力容器静载条件下的失效，往往是因为过大的应力而引起的， 有明显的塑性变形。容器疲劳失效是当局部高应力区中的应力超过材料的屈服点时，材料产生屈服变形，发生晶粒滑移，由于载荷的不断往复作用，逐渐产生微裂纹。在载荷反复作用下，微裂纹在滑移带或晶界处形成，这种微裂纹不断扩展，形成宏观疲劳裂纹并贯穿容器厚度方向，从而导致容器发生疲劳失效。静载条件下，设计的强度指标是材料的屈服极限和强度极限（在蠕变温度以下时）。强度计算时往往是限制一次应力和二次应力。在交变载荷作用下，强度指标是疲劳极限，计算时是着眼于局部地区的应力峰值。对压力容器，应力峰值是根据设计循环次数来加以限制的。（3）以疲劳分析为基础的设计 疲劳分析是建立在应力分析的基础之上，计算工作量很大，而且不是所有承受交变载荷的容器都会发生疲劳，因此分析设计规定，当满足一定的条件时，承受交变载荷的容器可免做疲劳分析。显然，免做疲劳分析的条件应该是与交变载荷大小、循环次数、材料性能以及结构应力集中的程度等因素有关，但为了便于应用，常以交变载荷的循环次数作为判据，并从偏于保守的角度作出规定。例如JB4732规定，对于常温抗拉强度b550Mpa钢，若按标准中规定的总循环次数不超过1000次，容器整体部位可以不做疲劳分析。对于判定需要进行疲劳分析的压力容器，可利用设计曲线进行疲劳寿命设计。这些曲线是由材料试验或理论分析得出的，同时根据实际情况已经考虑了平均应力的影响，并计入了工程应用的安全系数。除利用疲劳曲线的基本疲劳分析方法之外，JB4732标准还给出了以下几种方法。 在操作条件中存在着两个或更多个显著应力循环时，利用线性累积损伤准则，规定了疲劳寿命的校核方法。 关于螺柱承受循环载荷能力的校核。 对于局部结构不连续，角焊缝等特殊部位，可以利用应力集中系数或疲劳强度减弱系数进行疲劳分析的规定。 对于承受静内压的容器，同时又承受热应力循环作用时，规定了求取许可的最大循环热应力的极限值的方法。 给出了确定疲劳寿命的试验方法，以便采用比设计疲劳曲线所规定的允许值更高的循环应力强度值。 对于整体补强的开孔接管，规定了应力指数，用以估算接管区的应力集中系数。4.1.2.4 应力强度限制由于各种应力对压力容器失效的作用不同，所以对它们的限制条件也各不相同，不能采用统一的应力值。在分析设计中，一次应力的许用值是由极限分析确定，主要目的是防止过度弹性变形或弹性失稳；二次应力的许用值是由安定性分析确定，目的在于防止塑性疲劳或过度塑性变形；而峰值应力的许用值是由疲劳分析确定的，目的在于防止由大小和（或）方向改变的载荷引起的疲劳。各类应力强度的安全判据如下。(1) 一次总体薄膜应力强度S 总体薄膜应力是平衡容器外载荷作用的应力成分，在容器的整体范围内存在，没有自限性，对容器失效的影响最大。其限制条件为式中K载荷组合值，与容器所受的载荷和组合方式有关，大小范围为1.01.25；Sm设计应力强度。(2)一次局部薄膜应力强度S 局部薄膜应力是相对于总体薄膜应力而言，它的影响仅限于结构的局部区域。同时，由于包含了边缘效应所引起的薄膜应力，它还具有二次应力的性质。因此，在设计中，对它允许有比一次总体薄膜应力高，但比二次应力低的许用应力。其限制条件为式中 许用应力。 (3)一次薄膜应力加一次弯曲应力强度S 弯曲应力沿厚度呈线性变化，其危害性比薄膜应力小。极限分析表明，在极限状态时，拉弯组合应力的上限是材料屈服点的1.5倍。因此，其限制条件为（4）一次应力加二次应力强度S 根据安定性分析，一次加二次应力强度限制条件为其中设计应力强度应取操作循环中最高与最低温度下材料Sm的平均值。（5）峰值应力强度S 由于峰值应力具有自限性和局部性，它不会引起明显的变形， 其危害主要是引起疲劳失效与脆性断裂。按疲劳失效设计准则，峰值应力强度应限制由疲劳设计曲线得到的应力幅Sa，即 4.2压力容器设计监督管理国家对压力容器设计单位试行强制的设计许可管理，没有取得设计许可证的单位或机构不得从事压力容器设计工作，取得设计许可证的单位或机构也只能从事许可范围之内的压力容器设计工作。压力容器设计许可证的类别、级别划分见表2-2。A类、C类和SAD类压力容器设计许可证，由国家质检总局批准、颁发；D类压力容器设计许可证由省级质量技术监督部门批准、颁发。压力容器设计许可证的有效期限为4 年，有效期满当年，持证单位必须办理换证手续。逾期不办或未被批准换证，取消设计资格，批准部门注销原设计许可证。表2-2 压力容器设计许可证的类别、级别划分表类别级别容器类型A类A1级超高压容器、高压容器（结构形式主要包括单层、无缝、锻焊、多层包扎、绕带、热套、绕板等）A2级第三类低、中压容器A3级球形贮罐A4级非金属压力容器C类C1级铁路罐车C2级汽车罐车或长管拖车C3级罐式集装箱D类D1级第一类压力容器D2级第二类低中压容器SAD类压力容器分析设计设计单位从事压力容器设计的批准（或审定）人员、审核人员（统称为设计审批人员）， 必须经过规定的培训，考试合格，并取得相应资格的设计审批员资格证书。取得A类或C类压力容器设计资格的单位和设计审批人员，即分别具备D类压力容器设计资格和设计审批资格；取得D2级压力容器设计资格的单位和设计审批人员，即分别具备D1级压力容器设计资格和设计审批资格。各类气瓶和医用氧舱的设计，实行产品设计文件审批制度，不实行设计资格许可。设计单位应建立符合本单位的实际情况的设计质量保证体系，并且切实贯彻执行。质量保证体系文件应包括以下内容。术语和缩写。质量方针。质量体系 包括设计组织机构，各级设计人员，设计、校准、审核、批准（或审定） 人员的职、责、权，各级设计人员任命书。设计控制 包括总则，工作程序，设计类别、级别、品种范围，材料代用，设计修改， 设计审核修改单。各级设计人员的培训、考核、奖惩。设计管理制度 包括各级设计人员的条件、各级设计人员的业务考核、各级设计人员岗位责任制、设计工作程序、设计条件的编制与审查、设计文件的签署、设计文件的标准化审查、设计文件的质量评定、设计文件的管理、设计文件的更改、设计文件的复用、设计条件图编制细则、设计资格印章的使用与管理。申请A1级、A2级、A3级设计资格的单位，应具备D类压力容器的设计资格或具备相应级别的压力容器制造资格；申请C类设计资格的单位，应具备相应的压力罐车（罐厢）的制造资格。但学会或协会等社会团体，咨询性公司，社会中介机构，各类技术检验或检测性质的单位，与压力容器设计、制造、安装无关的其他单位不能申请设计资格。设计单位在其设计的压力容器总图上应当加盖在有效期之内的设计资格印章，无设计资格印章的设计图纸不能进行制造，印章复印无效。设计资格印章为椭圆形，长轴为75mm，短轴为45mm，如图2-5所示。印章应包括以下内容：a. 压力容器设计资格印章字样；b.设计单位技术总负责人姓名；c.设计单位设计许可证编号；d.设计单位设计许可证批准日期； e.设计单位全称。其中设计许可证编号规则为：SPR+批准部门代号+设计类别代号+设计单位编号+证书失效年份。容器的设计对它的安全运行的影响主要有三个方面：一、壁厚：太小的壁厚会在压力作用下产生过度的弹性及塑性变形，导致破裂。二、材料：韧性降低脆性断裂工作介质对其腐蚀腐蚀破裂。三、结构：结构不良会产生过高的局部应力，在反复加压卸压过程中导致破裂。4.3内压薄壁圆筒与封头的强度设计在压力容器的设计中，一般都是根据工艺要求确定其公称直径。强度设计的任务是选择合适的材料，然后根据给定的公称直径以及设计压力（计算压力）和设计温度，设计出合适的厚度，以保证设备安全可靠地运行。本章将在应力分析的基础上，介绍几种典型容器厚度的设计计算公式，并对实际设计中涉及的若干问题作简要的介绍。内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，主要是以壳体无力矩理论为基础推导出来的，推导过程如下：(1) 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力；(2) 根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据；(3) 对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数。(4) 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素，导出具体的计算公式。4.3.1强度设计的基本知识4.3.1.1关于弹性失效的设计准则设计压力容器时，确定容器壁内允许应力的限度（即容器判废的标准）有不同的理论依据和准则。对于中、低压薄壁容器，目前通用的是弹性失效理论。依据这一理论，容器上某处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告破坏（这里所讲的破坏，并不完全指容器破裂，而是泛指容器失去正常的工作能力，即工程上所说的失效）。也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内，保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点，即当s。为了保证结构安全可靠地工作，还必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系。这就是强度安全条件，即 (4-1)式中，当可由主应力借助于强度理论来确定；0为极限应力，可由简单拉伸试验确定；n为安全系数；为许用应力。4.3.1.2 强度理论及其相应的强度条件压力容器零部件中各点的受力大多数是二向应力状态或三向应力状态，如图4-1所示。建立这种应力状态的强度条件，必须借助于强度理论，将二向应力状态和三向应力状态转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力。欲建立式（4-1)所表示的强度条件，必须解决两方面的问题：一是根据应力状态确定主应力；二是确定材料的许用应力。对于承受均匀内压的薄壁圆筒形容器，其圆筒体主应力为式中，r为径向应力。第一强度理论及其相应的强度条件其强度条件为第三强度理论及其相应的强度条件其强度条件为由此可见，对于薄壁容器，由于3=0，故按第三强度理论计算的相当应力及强度条件与按第一强度理论的计算结果相同。第四强度理论及其相应的强度条件其强度条件为上述第一强度理论适用于脆性材料；第三强度理论和第四强度理论适用于塑性材料；而第二强度理论与实际相差很大，目前已很少采用。压力容器都是采用塑性材料制造的，应该采用第三强度理论和第四强度理论。4.3.2 容器的载荷及由引而产生的应力压力容器在工作条件下会受到各种载荷的作用，并在器壁上产生应力。由于所受载荷的性质不同，产生的应力对容器的影响也不同。因此，分析压力容器所承受的载荷，以及由这些载荷而产生的应力，选用正确的设计方法进行强度设计，是保证其安全运行的重要因素。4.3.2.1压力容器的载荷作用于容器及其附件上的力称为载荷。和其他的机械设计一样，在压力容器的设计中首先就要确定容器在使用中所承受的实际载荷。压力容器设计中需要考虑的主要载荷有：工作压力（内压、外压或最大压差）、容器的自重以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷、风载荷、地震载荷、温度梯度或热膨胀量不同引起的温度载荷，有时还要考虑支承件的反作用力、管道载荷与冲击载荷以及雪载荷等。对于每一个容器而言，在设计时并非都要考虑上述全部载荷，但有时需要考虑这些载荷同时作用的可能性。4.3.2.1.1 工作压力正常运行中的压力容器都将承受一定的压力载荷，对多数容器来说，压力往往是确定其壁厚的唯一载荷。压力容器的工作压力根据容器承受的压力载荷情况不同而不同。对于承受内压的容器，工作压力是指正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力；对于承受外压的容器，是指正常工作情况下，容器可能出现的最大内外压差；对于真空容器，是指正常工作情况下，容器可能出现的最大真空度。内压将在容器器壁中引起周向和轴向拉伸应力；外压会使容器失稳，在不使圆筒失稳的条件下会引起周向和轴向压缩应力。4.3.2.1.2 重力载荷容器的重力载荷包括容器的自重、所容纳的介质重力以及永久性地连接于容器上的工艺附件、保温材料及操作平台等的重力。考虑容器的各种工作状况，一个容器有三个不同的重力载荷，即最小（吊装）重力载荷、操作重力载荷和最大（水压试验或充满介质）重力载荷。重力载荷对器壁的作用与容器的支承方式有关，通常是局部地作用于支座部位的器壁上，如具有鞍式支座的卧式容器和具有支柱式支座的球形容器等。但对于具有裙式支座的容器，其重力载荷是以轴对称的方式作用于壳体上，对设备引起轴向压缩应力。若容器上置有其他与设备轴线偏心设置的附件，则附件的重力将引起附加的偏心弯矩，引起在设备上的轴向弯曲应力。对于小型容器，由重力产生的局部应力较小，一般忽略不计。4.3.2.1.3 风载荷对于安置于室外的高耸设备必须考虑风载荷的作用。当风载荷吹到设备的迎风面上时， 相当于对设备作用了一个脉动的力矩。若将这类高耸直立容器当作一个支承于地表的悬臂梁，由于风力矩的作用将使设备受到平行于风向的静弯矩作用，在迎风面的器壁产生轴向拉应力，背风面产生轴向压应力。风载荷的大小与风速、空气密度、所在的地区和季节有关。在一定风载荷条件下，当风吹向设备时气流会在其背风面产生周期性的旋涡（卡门涡街），（流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋。 卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街。1911年,德国科学家T.von卡门从空气动力学的观点找到了这种涡旋稳定性的理论根据。对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即。Sr是斯特劳哈尔数,它主要与雷诺数有关。当雷诺数为3003105时,Sr近似于常数值(0.21)；当雷诺数为 31053106时，有规则的涡街便不再存在；当雷诺数大于3106时，卡门涡街又会自动出现，这时Sr约为0.27。出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近,就会引起共振,甚至使物体损坏。这种涡街曾使潜水艇的潜望镜失去观察能力,海峡大桥受到毁坏,锅炉的空气预热器管箱发生振动和破裂。但是利用卡门涡街的这种周期的、交替变化的性质，可制成卡门涡街流量计，通过测量涡流的脱落频率来确定流体的速度或流量。）并使该设备在垂直于风的方向产生周期性振动（横风向振动），当此振动频率和设备的固有频率一致时将产生有阻尼的共振，称为风的诱导共振，其结果使设备在垂直于风的方向产生诱导共振弯矩。柔性的自支承式的设备，高度大于30m，高度与直径之比大于15，且常年处于多风的地区，设计时应该考虑风诱发共振弯矩。风诱发振动一般可能发生在高径比H/D1值较大的塔设备或加热炉上。如1994年6月下旬，某乙烯生产装置中的乙烯精熘塔发生风诱发振动。该塔高74.537m，内径2. 45m，为西班牙进口设备。该塔在安装阶段的后期尚未装入塔板时，遇到34级阵风，塔体发生剧烈的振动，持续时间长达3h，现场测试发现塔顶沿垂直于风向的方向振幅达325mm。又如2002年9月6日某烷基苯装置中高80m的钢烟囱设计上口内直径2.15m，内衬耐热浇注料， 总重138t。在空烟囱吊装完毕，等待衬里施工期间，风力达到约6级时发生剧烈振动，振动方向与风向垂直，发生振动时总重约100t，用仪器测量烟囱顶部最大振幅达450mm。4.3.2.1.4 地震载荷地震时，地面突然产生水平或垂直的运动，使固定于地面的容器产生惯性力，即地震力。地震波的作用下有三个方向的运动：水平方向振动、垂直方向振动和扭转，其中以水平方向振动危害较大。为此，计算地震力时，一般仅考虑水平地震力对设备的影响，仅在地震烈度较高的区域（烈度为8度或9度）的设备考虑垂直地震力的作用。一般将水平地震力简化为相当的静态力。对于不同结构动态特征的容器，相当静态力的计算方法也不同。对于短而重的立式容器与双支承的卧式圆筒，可认为是刚性结构，即在水平地震力（惯性力）作用下不产生挠曲，因而只相当于作用一个惯性力。对于高而细长的直立设备，在地震力作用下地基相对于容器重心的移动会引起容器的挠曲变形和阻尼振荡，水平地震力与风力相似，会使设备产生弯矩并构成轴向弯曲应力，此时地震力与容器重量以及考虑地震烈度、土地性质和容器自振周期的地震影响系数有关。4.3.2.1.5 温度载荷对于操作温度高于（或低于）室温的容器，在使用时其壁温将高于（或低于）安装温度。根据热胀冷缩的原理，容器元件的壁温变化也就会引起相应的膨胀（或收缩变形）。如果这种由于温度变化产生的变形受到相邻构件或材料的限制，构件内部就会产生温差应力。温差应力的数值与容器元件的材料性质、温度变化的幅度以及约束元件与热变形元件的拉压刚度比有关。一般情况下，仅仅考虑容器的压力载荷，而且只考虑由压力载荷而引起的主要应力。叙述一下圆筒体及和种封头的应力分布情况(主要是薄膜应力)。钢制圆筒形容器由于曲率半径的改变而产生的周向弯曲应力可以由理论推算得出，约为(p为内压力)，它比起其周向薄膜应力是一个可忽略的数值。有些局部应力，局部地方可能产生塑性变形，但是由于它的相邻区域的应力较低，使这局部高应力所产生的塑性变形很快就受到相邻区域的限制而不能继续发展下去，并且使应力重新分布，称之为自限性应力。应力集中产生的局部应力，特征是区域窄、衰减快，同时也受相邻区域的限制，不会产生重要的变形。局部应力产生破坏都是使韧性差的材料发生脆性破坏或反复加载、卸载产生疲劳破坏。4.3.2.2压力容器的应力分类将压力容器中的应力进行分类是分析设计与常规设计的区别之一。常规设计是限制壳壁中的薄膜应力或平均应力，这种方法相对比较简单，但却常常不符合容器的实际受力情况。压力容器承载以后，除了有简单的一次薄膜应力以外，还存在着其他类型的应力。比如：筒体与封头连接处为满足变形连续的弯曲应力；在压力作用下的管板与平封头，沿厚度上分布着的也是弯曲应力；再如，在局部结构不连续处，像开孔或缺口部位，会出现应力集中现象，产生较高的局部应力。在压力容器中应力的重要性取决于它在容器中对失效所起的作用及分布规律。主要指以下两点：a.应力产生的原因，即应力是为平衡机械载荷所产生的、还是在变形协调过程中产生；b.应力的作用区域与分布形式，应力作用的区域是整体的还是局部的，应力沿壁厚分布是均匀的还是线性或非线性的？根据这些性质应力可分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。4.3.2.2.1 次应力P一次应力是指为平衡压力与其他外加机械载荷所必需的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制。一次应力引起的总体塑性流动是非自限的，即当一次应力超过屈服点时结构内的塑性区将不断扩展，使容器发生显著的变形直至破坏。一次应力可以分为以下三种。(1）一次总体薄膜应力Pm 在容器总体范围内存在的薄膜应力即为一次总体薄膜应力。这里的薄膜应力是指沿厚度方向均匀分布的应力，等于沿厚度方向应力的平均值。一次总体薄膜应力达到材料的屈服点就意味着筒体或封头在整体范围内发生屈服，在塑性流动过程之中，一次薄膜应力不会发生重新分布，它将直接导致结构破坏。例如薄壁圆筒或球壳中远离结构不连续部位由内压引起的薄膜应力；厚壁圆筒中由内压产生的轴向应力以及周向应力沿厚度的平均值均属于一次总体薄膜应力。（2）一次弯曲应力Pb 平衡压力或其他机械载荷所需的沿截面厚度线性分布的应力。它在内、外表面大小相等、方向相反。由于沿厚度呈线性分布，故当载荷增加时首先是内、外表面进入屈服，而内部材料仍处于弹性状态。若载荷继续增大，应力沿厚度的分布将重新调整。因此这种应力对容器强度失效的危害性没有一次总体薄膜应力那样大。一次弯曲应力的典型实例是平板盖中心部分由压力引起的弯曲应力。（3）一次局部薄膜应力PL 在总体结构不连续区域，由内压或其他机械载荷产生的薄膜应力和连接边缘效应产生的薄膜应力统称为一次局部薄膜应力。一次局部薄膜应力的应力水平大于一次总体薄膜应力，但作用范围是局部区域。由于包含了结构不连续效应产生的薄膜应力，它还具有一些自限性，表现出二次应力的一些特征，不过从保守角度考虑，仍将它划为一次应力。一次局部薄膜应力的实例有：壳体和封头连接处的薄膜应力；在容器的支座或接管处由外部的力或力矩引起的薄膜应力。一次总体薄膜应力和一次局部薄膜应力是按薄膜应力沿经线方向的作用长度来划分的。若薄膜应力强度超过1.1Sm的区域沿经线方向延伸的距离不大于1.0，则认为是局部的，此处R为该区域内壳体中间面的第二曲率半径，为该区域的最小厚度，Sm为设计应力强度。一次局部薄膜应力强度超过1.1Sm的两个相邻应力区之间彼此隔开，它们之间沿经线方向间距不得小于2.5，否则应划为一次总体薄膜应力，其中Rm=(R1+R2)/2, m=(1+2)/2, R1、R2分别为所考虑两个区域的壳体中间面第二曲率半径；1、2分别为所考虑区域的最小厚度。4.3.2.2.2 二次应力Q二次应力是由于容器自身的约束或相邻部件间的相互约束所引起的正应力或切应力。二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为平衡外载荷，而是使结构在受载时变形协调，实际上，二次应力是同一次应力一起满足变形协调(连续）要求的。这种应力的基本特征是它具有自限性，也就是当局部范围内的材料发生屈服或小量的塑性流动时，相邻部分之间的变形约束得到缓解而不再继续发展，应力就自动地限制在一定范围内。这类应力一般不会直接导致容器破裂，因此其危险性较小。二次应力的实例有a.总体结构不连续处的弯曲应力，如筒体与封头、筒体与法兰、筒体与接管以及不同厚度筒体连接处；b.总体热应力，它指的是解除约束后，会引起结构显著变形的热应力，例如管壳式固定管板热交换器中由于管子和壳体温度不同而产生的温差应力，厚壁圆筒中径向温度梯度引起的当量线性热应力。4.3.2.2.3 峰值应力F峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。峰值应力最主要的特点是高度的局部性和自限性，因而不会引起明显的变形。峰值应力仅对低周疲劳或脆断的失效模式起作用，而对其他失效模式不起作用。它仅是导致疲劳破坏或脆断的可能原因，比同是自限应力的二次应力危险性还要低。局部结构不连续是指几何形状或材料在很小区域内的不连续，只在很小范围内引起应力和应变增大，即应力集中，但对结构总体应力分布和变形没有显著的影响。例如结构上的小半径过渡圆角、未焊透、咬边、裂纹等都会引起应力集中，在这些部位存在峰值应力。局部热应力指的是解除约束后，不会引起结构显著变形的热应力。例如结构上的小热点处（如加热蛇管与容器壳壁连接处）的热应力；碳素钢容器内壁奥氏体堆焊层或衬里中的热应力；复合钢板中因复层与基体金属线膨胀系数不同而在复层中引起的热应力；厚壁圆筒中径向温度梯度引起的热应力中的非线性分量。4.3.2.3 压力容器的局部应力（1）边缘应力压力容器的设计是按无力矩理论进行的，但实际的压力容器大都是组合壳体，并且还装有支座、法兰和接管等。当容器整体承压时，在这些互相连接的部位会因为不能自由变形而产生弯矩。由此引起的弯曲应力有时要比由于内压而产生的薄膜应力大得多。由于这种现象只发生在连接边缘，因此称为边缘效应或边缘问题，而由边缘效应所引起的应力称为边缘应力。边缘应力的特点是它的局部性和自限性。由不同性质的连接边缘产生不同的边缘应力，但它们都有一个明显的衰减波特性，在离连接边缘不远的地方就衰减完了。对于钢制圆筒，边缘应力的作用范围为。由于边缘应力具有局部性，因此在设计中，一般只在结构上做局部处理。如改变连接边缘的结构，边缘区局部补强，保证边缘区的焊缝质量，降低边缘区的剩余应力，以及在边缘区内，尽可能地避免附加其他局部应力或开孔等。另外，边缘应力是由于薄膜变形不连续，以及由此而产生的对弹性变形的互相约束作用所引起的。一旦材料产生了局部的塑性变形，连接部件之间的变形不协调就可以得到缓解， 应力重新进行分布，边缘应力也就自动限制，这就是边缘应力的自限性。因此当压力容器是由塑性较好的材料制成时，在静载荷作用下一般都不考虑边缘应力的影响。因为，在这类容器中即使局部产生了塑性变形，周围尚未屈服的弹性区能抑制塑性变形的扩展，而使容器处于安定状态，所以重点应是如何改进边缘处的结构。设计中是否计算边缘应力的影响，要根据容器的重要性、材料和载荷性质等方面综合考廯来决定。但是，不论设计中是否计算边缘应力，都要尽可能地改进连接边缘的结构，使边缘应力处于较低水平。（2）热应力压力容器的工作条件极其复杂，很多都是在一定的温度下运行。例如石油化工的乙烯裂解、氨的合成等都是在高温下使用的设备，其温度往往达到1000以上。而深冷分离、空气分离等生产中所使用的设备又是处在低温（-100以下）工作条件下运行的。这些容器或部件运行温度远高于或低于其运行前的温度。如果它的热变形受到外部限制或本身温度分布不均匀，就会产生应力。这种因温度变化而产生的变形受到约束所引起的应力称为热应力或温差应力。热应力有时可能很高，足以产生过量塑性变形或断裂。在压力容器中，并不是在所有情况下的温度改变都会引起热应力，而只有在变形受到限制时，才会产生热应力。热应力经常在以下几种情况下产生。容器在较高或较低的温度下运行时因温度变化受到外部的约束或限制。零部件内部的温度分布是均匀的，但其由于温差引起的变形受到某种外部约束或限制而产生热应力。例如：两个支座都是固定的卧式容器，如果运行的温度高于（或低于）设备安装时的温度，它的热变形就会受到限制，在容器的横截面上就会产生热应力。构件内部温度分布不均匀，各部分产生不同的膨胀，这时即使没有任何外部约束或限制，也会由于内部各部分的热膨胀量不一致，相互约束而产生热应力。例如，厚壁圆筒形容器，内外壁存在温差时，由于不同直径处的材料的自由膨胀量不同，相互间的约束阻止这种自由膨胀，使内壁材料的膨胀（或收缩）受到外部材料的约束，在内壁产生压缩（或拉伸）的热应力，而在外壁面产生拉伸（或压缩）的热应力。又如衬里容器或复合钢板容器由于复层与基层材料的热膨胀系数不同，当温度变化时两者的热膨胀量也不同，但互相之间的贴合又不允许各自单独变形，则必然产生温差应力。由两个或两个以上的零部件组成的容器，当温度分布不均匀（各部分温度不等、温升不等或各个零部件材料的线膨胀系数不相等时，也会引起各部分之间的相互作用力，从而引起热应力。例如固定管板式换热器的管子和外壳的温升往往是不相等的，由于膨胀量不同而相互约束产生热应力。热应力是由于零部件的热变形受到约束而产生的，所以它具有自限性。当某一区域应力达到材料的屈服极限时，局部即产生塑性流动，使应力不再增大，并产生有利的应力分布。因此在容器设计时，如果热应力与其他载荷所产生的应力相比比较小，就可以不考虑。例如，对于承受内压的容器，如果壁温之差小于10就可以不计其热应力；具有隔热保温层的高温或深冷贮存容器，如果绝热材料效果良好，壳壁的热应力也可以不考虑；操作温度已达到材料的蠕变温度，一般也不考虑热应力。（3）制造偏差引起的附加应力在制造过程中，由于加工成形与组装过程产生的缺陷，也会在容器上产生附加的应力。1） 截面不圆引起的附加应力制造过程中常因卷板操作不当，筒体在同一截面上存在直径偏差，造成截面不圆。截面不圆一方面影响筒节之间的对接质量，在对接环焊缝处造成错边；另一方面在内压作用下， 不圆的壳体内将产生附加的弯矩和弯曲应力。截面圆公差越大，附加弯曲应力越大。对承受内压的圆筒体来说，随着公差的增大，附加弯曲应力、也不断增大，降低了圆筒体的承载能力。对承受外压的圆筒体来说，截面不圆不仅影响强度，也降低了其稳定性，甚至可使结构在正常载荷下失稳。2） 错边和角变形引起的附加应力错边是指两块对接钢板沿厚度方向没有对齐而产生的错位。筒体纵缝和环缝都有可能产生错边，见图2-1，但环缝错边较多。角变形是指对接的板边虽已对齐，但板的中心线不连续，形成一定的梭角（见图2-2），因此这样的缺陷也称棱角度。筒体的纵缝和环缝都有可能产生角变形，但以纵缝角变形居多，这是由于卷板前钢板边缘没有预弯或预弯不当造成的。另外，单V形坡口焊接时也会造成角变形。错边和棱角度造成结构上的不连续，结构承载后在错边和棱角度部位产生附加的弯曲应力和切应力，造成局部应力升高。错边和棱角度都会降低结构的疲劳强度，缩短结构的疲劳寿命，甚至可以直接造成压力容器断裂事故。错边和棱角度是压力容器制造中常见的结构缺陷，尤其是球罐等大型容器，由于施工现场条件和工装的影响，组装时错边和棱角往往较易产生，必须加以控制。3） 表面凹凸不平引起的附加应力表面凹凸不平主要产生在凸形封头上，包括封头表面局部的凹陷或凸出，以及封头直边上的纵向皱折。前者是由于压制成形时所用模具不合适或手工成形操作不当所造成的，后者常见于相对直边高度过大的封头。（4）焊接接头的局部应力焊接广泛应用于压力容器制造过程。由于焊接过程中在焊接接头各区进行着不同的焊接冶金过程，并经受不同的热循环和应变循环的作用，使得各区的组织和性能存在较大的差异，造成焊接组织的不均匀和力学性能的不均勾性。同时由于焊接接头存在几何不连续，致使其工作应力不均匀，出现应力集中。当焊缝中存在缺陷，焊缝外形不合理或接头形式不合理时将加剧应力集中程度，影响接头强度，特别是疲劳强度。另外，由于焊接过程中的不均匀加热，引起焊接剩余应力及变形。焊接变形可能引起结构的几何形状发生不良改变，产生附加应力。而焊接接头又具有较大刚性，因拘束而产生的局部应力更大。不同接头形式会引起不同程度的应力集中，对接接头的应力集中最小，搭接接头的应力集中最大，T形或十字接头应力集中介于其中。焊接接头的局部应力可以通过改变焊缝形状来减少应力集中，例如改变焊透情况，把角趾加工成圆滑过渡。焊接剩余应力是一种局部应力，但其作用的区域比峰值应力大得多，加热区越宽，则剩余应力波及面也越宽，其作用范围最大可达焊缝两侧200300mm。在厚度不大的焊接结构中，焊接剩余应力基本上是两向的，即在沿焊缝方向及垂直焊缝方向都有焊接应力，通常沿焊缝方向(纵向）的应力比垂直焊缝方向(横向）上的应力大，压力容器焊件大都属于这种情况。而厚度方向的剩余应力很小，可以忽略。只有在太厚度的焊接结构中，厚