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论应力的分类及压力容器的设计发展 贾鹏 ( 泰来县特种设备检验研究所, 黑龙江泰来162400) 1 概述 压力容器都是采用传统的方法进行设计, 它是从基本的薄膜应力出发, 同时将其他应力 对容器安全性的影响, 包括在较大的安全系数 之中, 实际上, 在压力容器中, 除了存在着介 质压力引起的薄膜应力外, 还存在着由于边界 效应(如开孔接管或其他曲率小连续部位) 引 起的局部应力, 以及由于热胀冷缩变形受到限 制而引起的温差应力等。 上述各类应力的性质及其对安全性的影 响各不相同, 但是, 在以往的压力容器设计 中, 由于对容器各部分的受力以及它们对容器 强度的影响, 缺乏全面、精确、深刻的了解, 因而只能在设计中采用较高的安全系数, 以保 证压力容器的运行安全。 传统设计方法是由当时的科学技术水平 决定的, 在很长一段时间内, 这一设计方法对 压力容器设计起着积极的推动作用。由于传统 设计方法简单易行, 具有丰富的使用经验, 各 国依然采用它进行一般压力容器的设计, 如美 国的ASME 锅炉与压力容器规范第Ⅷ卷第一册 和日本标准J1SB8243 等。我国压力容器的国 家标准GB150 也是采用这一方法。但是, 压 力容器的传统设计方法存在着很大的局限性, 其主要缺点是没有区分薄膜应力和其他应力对 容器强度的不同影响, 片面地认为不管是整体 应力还是局部应力, 只要达到材料的屈服极 限。整个容器便失去正常的工作能力, 亦即 “ 失效”。实际上, 当局部应力达到材料的屈服 极限时, 容器大部分区域的应力尚低于这一数 值, 仍处于弹性状态。因此, 此时容器不仅不 会进入屈服, 就是己经屈服的局部区域, 由于 受到周围广大弹性区的约束, 其变形量不可能 进一步增长(即不可能发生过大的塑性流动), 应力的增加也会受到控制, 因而不会引起整个 容器失效。 2 应力分类 2.1 边缘效应 以边缘效应为例, 说明不同种类应力的 特性及其对容器失效的影响,局部应力往往发 生在容器的几何形状产生突变或结构不连续的 区域, 有下列2 种情况: 2.1.1 总体结构不连续处, 如封头与筒体 的连接处;法兰与壳体的连接处;不同厚度的壳 体连接处等在这些连接处, 将产生剪力与弯 矩, 使基本应力得以增强, 其影响可涉及到壳 体相当大的部分。由于局部处总的应力值有了 显著的增加, 有时甚至可能远远超过壳体上的 周向应力而达到材料的屈服极限井引起屈服变 形, 但因受周围弹性材料所包围, 实践证明只 要应力值小于屈服极限的2 倍, 容器是不会遭 到破坏的 2.1.2 局部结构不连接区, 例如开孔周 围、小的圆角半径等在这些局部区域可产生最 高的应力、应变值。但因其分布在很小的区域 内, 对于总体结构的应力与应变不会产生重大 的影响。如果材料具有足够的塑性, 载荷的循 环次数也不致造成疲劳破坏。实践证明, 既使 局部的应变值数倍于材料的屈服应变值, 也不 会造成容器的破坏 根据以上的分析, 为使压力容器的设计 既安全可靠又经济合理, 妥当的做法应该是对 作用在压力容器上的应力进行详细的分类, 井 针对不同的应力分别给予不同的限制范围 2.2 应力分类的原则 以美国的ASME,锅炉压力容器规范第Ⅷ 卷第一册诞生为标志, 压力容器的设计方法发 生了一次革命, 从传统的按规则设计的方法过 渡到以详细的应力分析与评定为设计基准的更 高阶段。 分析设计方法的核心是将压力容器中的 各种应力加以分类, 分清主次, 根据各类应力 对容器安全性的影响程度, 分别规定不同的安 全系数, 以保证设计产品的安全性与经济性 压力容器在外载荷作用下, 满足平衡条件 与变形协调条件后, 容器各个部件中的应力按 其性质的不同分为以下3 类 2.2.1 一次应力 是由外载荷的作用而在容器部件中产生 的正应力或剪应力。它必须满足力与力矩的平 衡方程式。一次应力的基本特点是当它超过材 料的屈服极限时, 将产生过渡的变形而破坏。 一次应力又可分为以下几种 a.总体薄膜应力 由于内压而在圆筒形或球形壳体中产生 的薄膜应力即属此例, 此应力分布在整个壳体 上, 在工作应力达到材料的屈服极限时, 沿壳 体壁厚的材料将同时进入屈服 b.一次弯曲应力 例如由于内压的作用, 在平板盖中央部 分产生的弯曲应力它沿板厚呈直线分布, 当内 压相当大时, 首先是上、下表面处进入屈服, 其它部分仍处于弹性状态如继续增加载荷, 应 力沿板厚的分布将重新调整所以对于一次弯曲 应力可以应用极限设计的概念进行应力分析, 井允许比总体薄膜应力具有较高的许用应力。 c.局部薄膜应力 对于在局部范围内, 由于压力或机械载 荷引起的薄膜应力称为局部薄膜应力例如在容 器支座处由于力和力矩产生的薄膜应力由于这 种应力的局部性, 故也允许比