压力容器应力分类探析

《钢制压力容器——分析设计标准》（JB 4732—2005）把压力容器中的应力分为3类。

1．一次应力P（primary stress）

一次应力也称为基本应力，为平衡压力与其他机械载荷所必需的法向应力或剪切力。

对理想塑性材料，一次应力所引起的总体塑性流动是非自限的，即当结构内的塑性区扩展到使之变成几何可变的机构时，达到极限状态，即使载荷不再增加，仍产生不可限制的塑性流动，直至破坏。因此，它有两个基本特点：满足外部和内部的力及力矩的平衡关系，即可按静力平衡条件加以确定；不具有自限性，当它达到或超过材料的屈服点时，将使容器过度变形而破坏。

一次应力分为3类：

（1）一次总体薄膜应力Pm（general primary membrane stress）

一次总体薄膜应力影响范围遍及整个结构。在塑性流动过程中，一次总体薄膜应力不会发生重新分布，它将直接导致结构破坏。

一次总体薄膜应力是指在容器总体范围内存在的一次薄膜应力，它对容器强度危害最大。当整体即一次总体薄膜应力达到材料的屈服点时，整个容器发生屈服。

一次总体薄膜应力的特点：分布在整个壳体上；沿容器壁厚方向均匀分布；无自限性。

例如，由内压作用在圆柱或球形壳体中产生的薄膜应力，厚壁圆筒在内压作用下的轴向应力就属于此类。此应力分布在整个壳体上，并且沿壁厚均匀分布，在工作应力达到材料的屈服极限时，沿筒体壁厚的材料同时进入屈服状态。

（2）一次局部薄膜应力Pl（primary local membrane stress）

一次局部薄膜应力应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。

当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布。若不加以限制，则当载荷从结构的某一部分（高应力区）传递到另一部分（低应力区）时，会产生过量塑性变形而导致破坏。总体结构不连续引起的局部薄膜应力，虽然具有二次应力的性质，但是从方便与稳妥方面考虑，仍归入一次局部薄膜应力。

在局部范围内，由于压力或其他机械载荷引起的薄膜应力属于局部薄膜应力。例如，在容器支座处，由于力与力矩产生的薄膜应力就属于此类。这种局部薄膜应力和一次总体薄膜应力一样，也是沿着壁厚方向均匀分布的，但不像一次薄膜应力那样沿容器的整体或很大区域分布，而是在局部地区发生。因此，虽然这类应力具有二次应力的特征，但从保守角度考虑，仍将其划分为一次应力。

局部应力区是指经线方向延伸距离不大于，应力强度超过1.1Sm的区域。局部薄膜应力强度超过1.1Sm的两个相邻应力区之间应彼此隔开，它们之间沿经线方向的间距不得小于。其中，Rm为内壳体中面的第二曲率半径，即沿中面法线方向从壳体回转轴到壳体中面的距离；δm为最小壁厚；

（3）一次弯曲应力 Pb（primary bending stress）

一次弯曲应力是指平衡压力或其他机械载荷所需的沿截面厚度线性分布的弯曲应力。例如，平盖中心部位由压力引起的弯曲应力。(www.xing528.com)

一次弯曲应力的特点：沿容器厚度方向呈线性分布。这类应力对容器强度的危害性没有一次总体薄膜应力那么大，这是因为当最大应力（板的上、下表面）达到屈服极限进入塑性状态时，其他部分仍处于弹性状态，仍能继续承受载荷，应力沿壁厚的分布随载荷的增加而重新调整分布，所以,在设计中可以允许比总体薄膜应力有稍高的许用应力。

2．二次应力Q（secondary stress）

二次应力为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的法向应力或剪应力。二次应力的基本特征是具有自限性，即局部屈服和小量变形就可以使约束条件或变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。只要不反复加载，二次应力不会导致结构破坏。

二次应力是由相邻部件的约束或结构的自身约束引起的正应力或切应力，发生在总体变形不连续处，它必须满足变形协调条件。

二次应力具有以下3个特点：

①满足变形协调（连续）条件，而不是满足外力平衡条件。

②具有局部性。即二次应力的分布区域比一次应力的要小，其分布区域的范围与为同一量级（R为壳体平均半径，δ为壳体壁厚）。例如，平板与圆柱壳连接时，边缘应力影响区域为。

③具有自限性。由于应力分布是局部的，当二次应力的应力强度达到材料的屈服点时，相邻部分之间的约束便得到缓和，使变形趋向协调而不再继续发展，应力自动限制在一定范围内。

例如，封头与筒体连接处或其他总体结构不连续处的边缘应力（弯曲应力）及一般的热应力都属于二次应力。

3．峰值应力F（peak stress）

峰值应力是由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加一次与二次应力的应力增量。峰值应力的特征是同时具有自限性和局部性，它不会引起明显的变形；其危害性在于可能导致疲劳裂纹或脆性断裂。非高度局部性的应力，如果不引起显著变形，也属于此类。

它发生在载荷、结构形状突然改变的局部地区。或者说，峰值应力是由于局部结构不连续（如耳孔、小圆角半径等引起的应力集中）而造成一次应力或二次应力上的增量。例如，壳体与接管连接处（内角或外角）、小的圆角半径或小孔边缘等局部处产生峰值应力。

峰值应力具有两个特点：

①应力分布区域很小，其区域范围与容器壁厚为同一量级，引起的变形甚微。

②不会引起整个结构任何明显的变形，但它却是导致疲劳破坏和脆性断裂的可能根源。因此，一般设计中不予考虑，只是疲劳设计中加以限制。

对于压力容器，目前比较通用的分类方法是将容器各部件中的应力按其性质的不同，分为一次应力、二次应力和峰值应力等。