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压力容器应力分类
及其在边界效应中的应用
近年来，人们对压力容器的理论和实验应力分析技术进行了更加广泛深入的研究。
术文Ｉ谢放华
压
状也越来越复杂，对安全可靠性的 要求越来越严格。近年来，人们对
压力容器的理论和实验应力分析技
术进行了更加广泛深入的研究。应
力是根据各种应力对导致设备失效
所起作用的大小予以分类并确定不 同的限制范围，比较通用的应力分
类方法是分为一次应力、二次应力
和峰值应力。
压力容器边缘强度的应用与发展
压力容器是内部或外部承受气
体或液体压力、并对安全性有较高
要求的密封容器。压力容器在使用
中如果发生爆炸，会造成灾难性事
故。历史上曾多次发生过使成百人
伤亡的压力容器爆炸事故，就是小 型液化石油气瓶的爆炸也会造成人
身伤亡；核电站用反应堆压力容器
如发生事故，就会使放射性物质外
逸，造成更为严重的后果。因此，
防止压力容器发生事故始终是压力
９４ ＰＰＭＰ ２０１００６ 容器设计、制造和使用者首要的任务。
为了使压力容器在确保安全的前提下达
到设计先进、结构合理、便于制造、使
用可靠和造价经济等目的，各国都制定 了有关压力容器的标准、规范和技术条
件对压力容器的设计、制造、检验和使
用等各个方面提出具体和必须遵守的规
定。 压力容器边缘问题（或称边缘效应， 不连续效应）是分析连接边缘区域应力与
变形（包括位移和转角）的问题。
压力容器的边缘问题在工程上是 常见的，例如圆筒和各种类型的封头相
连、圆筒与法兰相连、不同厚度的壳体
的连接等。容器整体承压时，在这些连
接部位会导致变形不协调。由此而产生
的附加应力，有时是很大的，必须在设 备结构设计时，尽量减少两个元件连接
图１尿素合成塔装置 石油石化物资采购
的刚度差（刚度大小和两元件的材料，结
构曲率半径和壁厚等有关）。
工程实际中压力容器的壳体大部分
是由圆筒形、球形、圆锥形等壳体组合 而成，当整体承受压力后，圆筒和与之
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第三章 压力容器常见结构的设计计算方法
常见结构的设计计算方法
4.1 圆筒
4.2 球壳
4.3 封头
4.4 开孔与开孔补强
4.5 法兰
4.6 检验中的强度校核
4.1.1 内压圆筒
1）GB150中关于内压壳体的强度计算考虑的失效模式是结 构在一次加载下的塑性破坏，即弹性失效设计准则。
2）壁厚设计釆用材料力学解（中径公式）计算应力，利用第一强度理论作为控制。
轴向应力：
环向应力：（取单位轴向长度的半个圆环）
校核：
σ1＝σθ，σ2＝σz，σ1＝0
σθ≤[σ]t·φ 2
对应的极限压力：
2）弹性力学解（拉美公式）
讨论：1）主应力方向？应力分布规律？
径向、环向应力非线形分布（内壁应力绝对值最大），轴向应力均布；
2）K对应力分布的影响？
越大分布越不均匀，说明材料的利用不充分；
例如，
k＝1.1时，R＝1.1内外壁应力相差10%；
K＝1.3时，R＝1.35内外壁应力相差35%；
4 常见结构的设计计算方法
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2）弹性力学解（拉美公式）
主应力：σ1＝σθ，σ2＝σz，σ3＝σr
屈服条件：
σⅠ＝σ1＝σθ＝
σⅡ＝σ1－μ（σ2＋σ3）＝
σⅢ＝σ1－σ3＝
σⅣ＝ 3
3）GB150规定圆筒计算公式（中径公式）的使用范围为：p/[σ]·φ≤0.4（即≤1.5）
4.1.2 外压圆筒
1）GB150中关于外压壳体的计算所考虑的失效模式：弹性失 效准则和失稳失效准则（结构在横向外压作用下的横向端面失去原来的圆形，或轴向载荷下的轴向截面规则变化）
2）失稳临界压力的计算
长圆筒的失稳临界压力（按Bresse公式）：
长圆筒的失稳临界压力（按简化的Misse公式）：
失稳临界压力可按以下通用公式表示：
圆筒失稳时的环向应力和应变：
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压力容器设计准则（课件）
压力容器设计准则
失效准则（设计准则）
·一个问题的两个方面，采用何种设计准则就是采用何种失效准则的问题。
·一种设计上的共识，且经过实践验证的。
·防止某一（几）种失效模式发生，不意味着符合某种失效准则时容器就破坏了。
·针对具体的失效模式，选择不同的设计准则，是设计者应该掌握的技能。
2.1 弹性失效准则
为防止容器总体部位发生屈服变形，将总体部位的最大应力限制在材料的屈服点以下，保证容器的总体部位始终处于弹性状态而不会发生弹性失效。
1）规定屈服极限是容器失效的应力，考虑安全系数后，容器实际应力处在弹性范围内。
2）主要着眼于限制容器中的最大薄膜应力或其他由机械载荷直接产生的弯曲应力及剪应力等。
3）应用：常规设计方法准则，如，
GB150、ASME VI I 1－1：内压圆筒、凸形封头等元件设计。
2.2 塑性失效准则
容器某处（如厚壁筒的内壁）弹性失效后并不意味着容器失去承载能力。将容器总体部位进入整体屈服时的状态或局部区域沿整个壁厚进入全屈服状态称为塑性失效状态，若材料符合理想塑性假设，载荷不需继续增加，变形会无限制发展下去，称此载荷为极限载荷。
Treaca屈服条件或
Mises屈服条件
1）外载荷＜极限载荷：结构塑性变形是局部、可控的；
2）将极限载荷作为设计准则的判据加以限制，防止总 体塑性变形，又称极限分析（设计）。
如何求的极限载荷，是该准则的基础。
3）准则应用：
·JB 4732、ASME Vffl－2；
·GB 150：平板、整体法兰（含按整体法兰设计的任意式 法兰）连接的圆筒径部等元件设计或2
应力计算公式。
4）适用范围：材料，载荷
5）极限载荷设计原理的保守性
·用矩形截面梁极限状态作为依据，梁只需要一个塑性铰即到达极限状态，而压力容器可近似看作多个矩形截面梁拼合而 成，即需要多个塑性铰才能塑性失效。是偏安全的。
根据中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局于2008年1月8日颁布的《压力容器压力管道设计许可规则》：
A1级，指超高压、高压容器（注明单层、多层）；
A2级，指第三类低、中压容器；
A3级，指球形储罐；
C1级，指铁路罐车；
C2级，指汽车罐车、长管拖车；
D1级，指第一类压力容器
D2级，指第二类压力容器
SAD级，指压力容器应力分析设计。
为了确保压力容器的安全，许多国家都制定自己的压力容器规范，国外影响较广泛并具有权威规范有：美国的ASME规范、英国的BS5500、日本的JISB8243以及德国的AD规范等。我国有国家质量技术监督局颁布的《压力容器安全技术监察规程》、GB150《钢制压力容器》、GB151《管壳式换热器》等。
这里主要介绍国外压力容器规范
1、美国ASME规范
ASME锅炉及压力容器规范是由美国机械工程师学会制定的，现在已正式成为美国的国家标准。它具有以下主要特点：
(1)规模庞大，内容极其完备，它本身就构成了一个完整的标准体系，而且是当前世界上最大的封闭型标准体系。所谓封闭型标准体系的含义即基本上不必借助于其它标准，其本身可完成压力容器选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。
目前ASME规范共有11卷，总计22册，另外还有2册规范案例，其中与压力容器有关的有：
第Ⅱ卷 材料技术条件
A篇 钢铁材料
B篇 有色金属材料
C篇 焊条、焊丝及填充金属
第Ⅲ卷 核动力装置设备
第V卷 无损检测
第Ⅷ卷 压力容器一第1分篇
压力容器一第2分篇
第Ⅸ卷 焊接及钎焊评定 广—
第X卷 玻璃纤维增强塑料压力容器
第Ⅺ卷 核动力装置设备在役检查规程
(2)、ASME规范技术先进，修订及时，安全可靠。能做到这一点，不仅因为它有力量雄厚的专门班子，完备的修订制度，更主要的是因为它有庞大的科研后盾。
(3)、自从1968年公布了第Ⅷ卷第2分篇以来，ASME规范即实行了压力容器基础标准的双轨制。第Ⅷ卷第亚分篇即按“常规设计”，它的安全系数较高，设计方便，制造检验不太严格，对一般压力容器来说是足以保证安全的。但用于较苛刻的容器则难以确保其安全性。第Ⅷ卷第2分篇即按“分析设计”，安全系数低，要求对压力容器各区域的应力进行详细的计算，并根据各种应力对失效所起的作用予以分类，然后对不同类型的应力采用不同的应力强度条件加以限制。这种设计方法工作量极大，需借助于电子计算机，制造检验严格。这两部基础标准并行，同属有效，可以根据产品的具体情况加以选用。随着计算机的发展和应用，分析设计在压力容器上的应用越来越广泛。
