續(xù)前

（41）充裝壓力與充裝溫度（Filling pressure and　filling temperature）
　　充裝壓力是指氣瓶充裝終了時，瓶內(nèi)介質(zhì)在充裝溫度下達(dá)到的壓力（表壓）；充裝溫度是指氣瓶充裝終了時，瓶內(nèi)介質(zhì)實際達(dá)到的溫度。氣瓶的充裝溫度不等于瓶壁溫度；也不完全相同于充裝系統(tǒng)（貯罐）內(nèi)的氣體溫度；它還與充裝速度有關(guān)。所以氣瓶的充裝溫度一般是在規(guī)定充裝速度下，以充裝系統(tǒng)內(nèi)的氣體溫度或充裝車間內(nèi)的環(huán)境溫度為基準(zhǔn)，按實測的試驗數(shù)據(jù)確定。為了保證所裝的壓縮氣體不超過氣瓶最大充裝量，氣瓶的充裝壓力應(yīng)該控制在按下列公式計算所得之值的范圍內(nèi)：
　　P0=PZ0T0/ZT
式中，Pο是氣瓶的充裝壓力，單位是MPa；Tο是氣瓶的充裝溫度，單位是K；Zο是在Pο、Tο的條件下氣體的壓縮系數(shù)；P是氣瓶的許用壓力，MPa；T是氣瓶的最高使用溫度，333K；Z是在P、T的條件下氣體的壓縮系數(shù)。
　?。?/SPAN>42）氣瓶充裝系數(shù)（Filling ratio of cylinders）
　　氣瓶的充裝系數(shù)是單位氣瓶容積允許充裝的最大介質(zhì)量，一般以kg/L表示。充裝系數(shù)實際就是液化氣體（包括高壓液化氣體與低壓液化氣體）的最大充裝量。高壓液化氣體氣瓶的充裝系數(shù)按所裝入的介質(zhì)在最高使用溫度（333K）下瓶內(nèi)氣體（介質(zhì)已全部氣化）的壓力為氣瓶的許用壓力來確定；低壓液化氣體氣瓶的充裝系數(shù)則是介質(zhì)在最高液相平均溫度（現(xiàn)定為333K）下液體密度的97%。高壓液化氣體與低壓液化氣體的充裝系數(shù)分別按下列公式確定：
　　Fd=(3.47PM/Z)×10—4
　　F′d=0.95rt
式中，Fd是高壓液化氣體充裝系數(shù)，kg/L；F′d是低壓液化氣體充裝系數(shù)，單位是kg/L；P是氣瓶的許用壓力，MPa；M是氣體的分子量；Z是氣體在壓力P及333K正氣壓縮系數(shù)；r_t是介質(zhì)在最高液相平均溫度(333K)時的液體密度,kg/L。
　?。?/SPAN>43）薄膜理論（Membrane theory）
　　薄膜理論常用以分析研究薄壁回轉(zhuǎn)體在壓力作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力及其特性與分布規(guī)律。所謂回轉(zhuǎn)殼體是指殼體的中間面是回轉(zhuǎn)表面，此回轉(zhuǎn)表面是由任何直線或平面曲線繞其同平面內(nèi)的軸線回轉(zhuǎn)而形成的。薄壁是指殼體的壁厚遠(yuǎn)小于殼體的其它尺寸，通常按殼體的外徑與內(nèi)徑的比值大小來劃分，外內(nèi)徑比不大于1.1~1.2者屬薄壁殼體。薄壁理論的分析基礎(chǔ)是假定殼體的壁厚與其直徑相比很小，殼壁就象薄膜一樣，只能承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，應(yīng)力是沿壁厚均勻分布的，安全不能承受彎矩和彎曲應(yīng)力。所以這種理論又稱為無力矩理論。實際上，工程中并不存在象薄膜那機關(guān)報薄壁殼體，即使殼壁再薄，殼體中也還是或多或少地存在一些彎曲應(yīng)力。所以這種理論有其近似性和局限性。只不過薄壁殼體中彎曲應(yīng)力很小，如將其略去不計，其誤差仍在工程計算的允許范圍內(nèi)，而分析計算方法則可以大大簡化。因此，薄膜應(yīng)力在壓力容器的應(yīng)力分析和強度設(shè)計中一直廣泛使用。
　?。?/SPAN>44）薄膜應(yīng)力（Membiane stress）
　　按照薄膜理論分析計算得出的薄壁回轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力，稱為薄膜應(yīng)力。由于薄膜理論是根據(jù)殼壁應(yīng)力沿壁厚均勻分布的假設(shè)來進行應(yīng)力分析的，所以薄膜應(yīng)力實際上是殼壁上的平均應(yīng)力。薄膜應(yīng)力是壓力容器最重要的一類應(yīng)力。過大的薄膜應(yīng)力會直接導(dǎo)致容器的過量塑性變形甚至破裂。掌握薄膜應(yīng)力的基本概念，熟知常用承壓部件薄膜應(yīng)力的計算，對壓力容器的設(shè)計、安全監(jiān)督管理、失效事故分析等都十分重要。壓力容器最常用的承壓部件是球體、圓筒體和錐體等。這些回轉(zhuǎn)殼體在壓力作用下所產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力可以分別按下列公式計算。

式中,σ₄σθ分別是殼體的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力（MPa）；P是殼體承受的內(nèi)壓力（MPa）；D是殼體的中徑（內(nèi)外直徑的平均值）（cm）；s是殼體的壁厚（cm）；α是錐形殼體的半頂角。
（45）不連續(xù)應(yīng)力（Discontinuity stress）
不連續(xù)應(yīng)力是兩個形狀或尺寸不同而相互連接的部件，在承載時產(chǎn)生不同的變形而相互受到限制因而引起的應(yīng)力。例如圓筒形容器中的圓筒體與球形封頭，在內(nèi)壓作用下，圓筒體直徑的自由增量應(yīng)比同樣厚度的半球體直徑的自由增量大一些，但兩者又是焊接在一起而不能分離的，因此兩元件的自由變形就相受到限制，結(jié)果在連接處附件就產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力。這種應(yīng)力只發(fā)生在元件的邊界地區(qū)，所以也稱為邊界應(yīng)力。鍋爐和壓力容器的不連續(xù)應(yīng)力主要產(chǎn)生在以下的一些部位：
（1） 圓筒體與各種型式封頭的連接處；
（2） 壁厚不相同的兩個圓筒體的連接處；
（3） 圓筒體上焊接法蘭或裝設(shè)加強圈處；
（4） 圓筒與管板連接處；
（5） 物理性能不同的材料制造的兩個圓筒的連接處；
（6） 圓筒體或球體上的開孔接管處。
不連續(xù)應(yīng)力的大小，取決于兩連接部件承載時自由變形的差距（包括角變形和線變形），差距越大，引起的不連續(xù)應(yīng)力也越大。例如圓筒體與平板封頭連接時的不連續(xù)應(yīng)力要大于與半球封頭連接時的不連續(xù)應(yīng)力。同是平板封頭，薄的又要比厚的產(chǎn)生的不連續(xù)應(yīng)力大一些。不連續(xù)應(yīng)力只存在兩個部件連接處附近的局部地區(qū)，它以衰減波的形式沿著連接軸線迅速減弱，稍為遠(yuǎn)離連接處的部位即不受其影響；不連續(xù)應(yīng)力也不會降低容器的靜力強度，因為它不會直接導(dǎo)致容器的破壞。但過高的不連續(xù)應(yīng)力會影響容器的疲勞壽命，也可能引起容器脆性破壞。
（46）熱應(yīng)力（Thermal stress）
熱應(yīng)力，或稱溫差應(yīng)力，是結(jié)構(gòu)部件內(nèi)因溫度分布不均勻或溫度變化時的自然膨脹或收縮受到約束所引起的應(yīng)力。在鍋爐和壓力容器中，能引起熱應(yīng)力的主要有以下三種情況：
（1） 部件內(nèi)部的溫度雖是均勻分布，但其溫度變化引起的熱脹冷縮受到外部的約束。例如兩個鞍式支座都是剛性固定的臥式容器，在器壁溫度升高或降低時，整個筒體的軸向伸長或收縮，受到固定支座的限制而不能自由變形，因而在筒體的橫截面上便產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力。
（2） 部件內(nèi)部溫度分布不均勻。例如厚壁容器，因沒有隔熱層而使內(nèi)外壁存在較大的溫度差。當(dāng)內(nèi)壁溫度高于外壁時，內(nèi)層材料的膨脹量即大于外層，因而受到外層的限制，結(jié)果即在內(nèi)層產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，外層產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。
（3） 兩個部件組成的構(gòu)件，因溫度變化不同或材料線膨脹系數(shù)不同而致兩相連的部件產(chǎn)生不同的膨脹量，結(jié)果相互牽制而產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如兩端管板固定的列管式換熱器，由于殼體與列管的操作溫度不同因而伸長量也不同。若列管的伸長量大于殼體，則相互限制的結(jié)果，將是殼體受拉伸而產(chǎn)生軸向拉伸應(yīng)力；列管受壓縮而引起軸向壓縮應(yīng)力。這些都是熱應(yīng)力
　?。?/SPAN>47）一次應(yīng)力（Primary stress）
　　一次應(yīng)力，或稱基本應(yīng)力，是由外載荷（包括內(nèi)壓、外壓、重力、風(fēng)力或其外加力或力矩）的作用而在容器部件中產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。一次應(yīng)力的特征是：它必須滿足外載荷與構(gòu)件內(nèi)力之間的平衡關(guān)系，也就是一次應(yīng)力可由靜力平衡條件加以確定。它屬非自限性的，只要外載荷存在，應(yīng)力就會繼續(xù)保持，而且隨載荷的增大而增大，不會因材料的屈服變形自行限止。一次應(yīng)力還可以分為：
（1） 一次總體薄膜應(yīng)力，即均勻分布于整個殼體及其截面上的薄膜應(yīng)力。如薄壁圓筒、球體、封頭等在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生經(jīng)向、環(huán)向應(yīng)力；厚壁圓筒承受內(nèi)壓時的軸向應(yīng)力等。一次總體薄膜應(yīng)力對殼體強度的影響最大，當(dāng)它達(dá)到材料的屈服極限時，整個容器即膨脹變形，如果材料沒有明顯的應(yīng)變強化，容器可以因過度變形而破裂。
（2） 一次彎曲應(yīng)力，即沿殼壁厚度方向成線性分布的彎曲應(yīng)力。如平板封頭中央部分在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的應(yīng)力。這類應(yīng)力對強度的影響較一次總體薄膜應(yīng)力稍輕一些，因為當(dāng)殼壁表面上的最大應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限而進入塑性狀態(tài)時，其它部分仍處于彈性狀態(tài)，可以繼續(xù)承受載荷，并引起應(yīng)力的重新分布。
（3） 局部薄膜應(yīng)力即在局部范圍內(nèi)由壓力或機械載荷引起的薄膜應(yīng)力。這種應(yīng)力也是沿壁厚均勻分布，但是局限在較小的區(qū)域范圍內(nèi)。局部薄膜應(yīng)力按其特征屬于二次應(yīng)力，但出自保守角度，仍劃屬一次應(yīng)力。
（48）二次應(yīng)力（Secondary stress）
　　二次應(yīng)力是由于結(jié)構(gòu)部件自身約束或受相鄰部件的約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。二次應(yīng)力的特征是：它不是為了滿足和外力的平衡，而是為了滿足變形協(xié)調(diào)條件所引起的應(yīng)力，所以只根據(jù)靜力平衡條件無法確定此類應(yīng)力。它是自限性的，局部區(qū)域內(nèi)的材料產(chǎn)生屈服或小量變形，相鄰部件的相互約束更得到緩解，使變形趨向協(xié)調(diào)而不再繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)力就自動地限制在一定范圍而不能繼續(xù)增大。所以二次應(yīng)力不會直接導(dǎo)致容器的破壞。二次應(yīng)力包括：
（1） 總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力。例如圓筒形容器的筒體與封頭、筒體與法蘭等連接處的彎曲應(yīng)力。
（2） 總體熱應(yīng)力。例如圓筒體上由于軸向溫度梯度產(chǎn)生和應(yīng)力，接管與筒體間的溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力。
　?。?/SPAN>49）峰值應(yīng)力（Peak stress）
　　峰值應(yīng)力是由于局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)（如開孔、小轉(zhuǎn)角半徑、焊縫咬邊等）引起的應(yīng)力集中而加到一次或二次應(yīng)力上的應(yīng)力增量。峰值應(yīng)力的基本特征是：應(yīng)力分布區(qū)域很小，其范圍約與容器的壁厚同一數(shù)量級；它不會引起整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何明顯的變形，而只可能是導(dǎo)致容器產(chǎn)生疲勞破壞和脆性斷裂的根源。峰值應(yīng)力包括：
（1） 局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的總應(yīng)力扣除一次與二次應(yīng)力后的剩余部分。
（2） 碳鋼與奧氏體復(fù)合層中由于二者的線膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力；
（3） 局部熱應(yīng)力。例如容器通往蛇管加熱器時，蛇管進入器壁處的局部高溫點等。
　?。?/SPAN>50）殘余應(yīng)力（Residual stress）
　　殘余應(yīng)力是構(gòu)件在機械加工（冷加工或熱加工）過程中殘留在它內(nèi)部的應(yīng)力。鍋爐與壓力容器部件中的殘余應(yīng)力，有的是有目的地施加或者是加以利用的。例如承壓部件的鉚接或脹接，就是利用殘余應(yīng)力來保證連接的緊密性；厚壁組合圓筒可以通過工藝手段使其內(nèi)層產(chǎn)生殘余應(yīng)力，以改善筒體承受內(nèi)壓時的應(yīng)力分布不均勻狀態(tài)等。但必須是有目的地選擇，即對殘余應(yīng)力的部位、大小和方向都要加以控制。有一些在非選擇性的部位和方向上存在的殘余應(yīng)力則大多是有害的，它可以降低容器的疲勞強度，甚至?xí)?dǎo)致容器的直接破壞。例如焊接殘余應(yīng)力，它是一種分布雜亂的殘余拉應(yīng)力。這樣的非選擇殘余應(yīng)力會對容器的強度或疲勞壽命產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)該通過合理的工藝（預(yù)熱、熱處理等）和在結(jié)構(gòu)上采取措施加以消除，或控制在允許的范圍以內(nèi)。

待續(xù)