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压力容器的强度与设计

（江苏省压力容器检验员培训考核班专题讲座）

第三节 强度理论

一、压力容器的失效

压力容器在设定的操作条件下，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象，称为压力容器失效。尽管失效的原因多种多样，失效的最终表现形式均为泄漏、过度变形和断裂。

压力容器的失效形式大致可分为强度失效、刚度失效、稳定失效和泄漏失效等四大类。

1.强度失效

因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效。包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。

韧性断裂：是压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。其特征是断后有肉眼可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄；没有或偶尔有碎片。厚度过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。

脆性断裂：是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于所用材料的强度极限时所发生的断裂。这种断裂是在较低应里状态下发生，故又称为低应力脆断。其特征是断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。材料脆性和缺陷两种原因都会引起压力容器发生脆性断裂。

疲劳断裂：压力容器在服役中，在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。交变载荷是指大

小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷，它包括压力波动、热应力变化、开车停车等；原材料或制造过程中产生的裂纹，在交变载荷的反复作用下扩展也会导致压力容器的疲劳破坏。

由于疲劳源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。随着交变载荷反复作用次数的增加，疲劳裂纹不断扩展。只有当疲劳裂纹扩展到一定值时，才回发生疲劳破坏。因此，疲劳破坏需要有一定时间。

蠕变断裂：压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂的现象，称为蠕变断裂。按断裂前的变形来划分，蠕变断裂具有韧性断裂的特征；按断裂时的应力来划分，蠕变断裂又有脆性断裂的特征。

腐蚀断裂：压力容器在腐蚀环境下长期受载而导致的断裂，称为腐蚀断裂。因均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀造成的凹坑，所引起的断裂一般有明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征；因晶间腐蚀、应力腐蚀等引起的断裂没有明显的塑性变形，具有脆性断裂的特征。 2．刚度失效

由于构件的过量弹性变形引起的失效，称为刚度失效。如制造、运输和吊装过程中，若发生过量弹性变形，易引起刚度失效。

3. 稳定失效

在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则形状而坍塌所引起的失效称为稳定失效。容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例，且临界压力与材料的强度无关，主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质。但当容器中的应力水平超过材料的屈服点而发生非弹性失稳时，临界压力还与材料的强度有关。

4. 泄漏失效

由于泄漏而引起的失效,称为泄漏失效。泄漏不仅有可能引起中毒、

燃烧和爆炸等事故，而且会造成环境污染。设计压力容器时，应重视各可拆式接头和不同压力腔之间连接接头（如换热管和管板的连接）的密封性能。

压力容器的失效主要是强度失效，包括静载强度不足引起的静载强度失效及交变载荷长期反复作用引起的疲劳强度失效。

承受外压的压力容器部件及元件，既可能产生强度失效，也可能产生失稳失效。

在多种因素作用下，压力容器有可能同时发生多种形式的失效，即交互失效。如腐蚀介质和交变应力同时作用是引发的腐蚀疲劳、高温和交变应力同时作用时引发的蠕变疲劳等。

二、强度设计的任务

绝大多数锅炉压力容器设计时仍采用常规强度设计的方法。常规强度设计的主要任务，是限制锅炉压力容器受压元件中的一次应力，避免锅炉压力容器的静载强度失效。同时也避免外压元件的失稳失效，防范疲劳失效及其他失效。

具体来说，锅炉压力容器常规强度设计的任务是： 1.根据受压元件的载荷和工作条件，选用合适的材料；

2.基于对受压元件一次应力的限制，通过计算确定受压元件的壁厚； 3.根据结构各处等强度的原则，进行结构强度设计，包括焊缝布置及焊接接头结构设计，开孔布置及接管结构设计，筒体与封头、管板、法兰连接结构设计，支承结构设计等。

4.对设备制造质量及运行条件作出必要的规定。

强度设计通常也叫强度计算，因计算条件与目的不同，强度计算分为设计计算与校核计算两种。

设计计算是在已知材料、元件外形尺寸、元件工作温度及载荷的情况

下，决定元件壁厚；校核计算是在已知材料、元件外形尺寸、元件壁厚及使用温度的情况下，核算元件所能承受的压力载荷。两种计算在本质上没有什么不同。

三、强度理论及强度条件

强度理论也叫失效判据，是研究构件在不同应力状态下产生强度失效的共同原因的理论。材料力学介绍过四种强度理论，锅炉压力容器强度设计中经常涉及的，是第一、第三及第四强度理论。

强度条件是依据一定的强度理论建立的强度设计准则或失效控制条件，强度条件通常表达为：

Si?[?]

式中Si为依据一定的强度理论得出的当量应力或应力强度；下角标i表示相应的强度理论，如S1表示依据第一强度理论得出的当量应力，余类推；

[?]为材料的许用应力。

（一）第一强度理论

也叫最大主应力强度理论。该理论认为，无论材料处于什么应力状态，只要发生脆性断裂，其共同原因都是由于构件内的最大拉应力?1达到了极限值。相应的强度条件式为：

S1??1?[?]

压力容器通常都由塑性材料制成；一般不会发生脆性断裂，故不适合用第一强度理论进行失效控制。但第一强度理论是出现最早的强度理论，由于历史原因和使用习惯，美国、日本等国在对压力容器强度设计时，仍采用第一强度理论。我国及世界上多数国家对压力容器进行常规强度设计时，均采用第一强度理论。 （二）第二强度理论

也叫最大主应变理论。该理论认为，无论材料处于什么应力状态，只

要构件内的最大主应变?max达到简单拉伸时发生破坏的应变值?s时即发生破坏。相应的强度条件式为： S2（三）第三强度理论

也叫最大剪应力强度理论。该理论认为，无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服失效，其共同原因都是由于构件内的最大剪应力?max达到了极限值。相应的强度条件式为：

S3??1??3?[?]

第三强度理论适用于塑性材料，与实验结果比较吻合。我国及世界上除美、日之外的多数国家，在对锅炉进行强度设计时，均采用第三强度理论。

（三）第四强度理论

也叫歪形能强度理论。该理论认为，无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服失效，其共同原因都是因为构件内的歪形能（形状变形比能）达到了极限值。相应的强度条件式为： S4?22(?1??2)?(?2??3)?(?1??3)?[?]

222??1??(?2??3)?[?]

第二强度理论适用于脆性塑性材料，与实验结果比较吻合。

与第三强度理论相似，第四强度理论适用于塑性材料，与实验结果吻合较好。但由于计 算较为复杂，概念不够直观，所以在锅炉压力容器强度设计中使用较少，仅用于某些高压厚 壁容器的设计。

四、强度控制原则

在锅炉压力容器常规强度设计中，为避免材料屈服失效，在控制应力及载荷水平时，通常有下列两种控制原则： （一）弹性失效准则

该准则也常称做极限应力法，它认为构件上应力最大点的当量应力达