B2 · 术语符号与力学基础

欢迎回到压力容器分析设计培训。本单元B2，术语符号与力学基础，一学时。为什么要专门讲术语？因为分析设计的很多争议不是算错，而是说岔了——你说的设计压力和他说的计算压力根本不是一回事。三个学习目标：第一，分清压力五兄弟：工作压力、设计压力、计算压力、试验压力、最高允许工作压力，各自用在哪、谁大谁小；第二，算对金属温度，弄清工作温度、金属温度、设计温度三者的关系；第三，用好力学语言：载荷直方图、载荷工况组合、五类应力和线性化三步分解。带着问题来：设计压力和计算压力是一回事吗？答案马上揭晓。

各国压力容器标准都把压力、温度、厚度定义为三大基本参数，它们贯穿建造全过程，既有独立定义，又有相互的逻辑关系。4732的术语体系分两路：一路引用GB/T 26929压力容器术语和GB/T 150.1界定的术语；一路是自有定义，主要来源于JB 4732，并新增了失效、失效模式、设计评定准则这些分析设计特有的概念，还修订了棘轮等定义使其更清晰。提醒一点口径：在GB 150系列标准中，除注明者外，所有压力均指表压力。

压力五兄弟，一个一个过。工作压力：正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力，也叫操作压力。设计压力：设定的容器顶部最高压力，与设计温度一起作为基本设计载荷条件，不低于工作压力；一个独立压力腔在特定工况下设计压力唯一。计算压力：在相应设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力等附加载荷——所以设计压力和计算压力不是一回事，计算压力管厚度。试验压力：做耐压试验或泄漏试验时容器顶部的压力。最高允许工作压力MAWP：指定温度下容器顶部允许承受的最大压力，按各受压元件的有效厚度考虑所有载荷算出，取各元件中的最小值；设计文件没给MAWP时，可以认为设计压力就是MAWP。

温度三姐妹。工作温度：正常工作情况下容器内物料的温度——注意是物料的，不是金属的；不同部位物料温度可能不同，必要时应分别指出。金属温度：使用过程中沿元件金属截面的温度平均值，不同元件或同一元件不同部位可以不同。设计温度：正常工作情况下设定的元件金属温度，与设计压力一起作为设计载荷条件。金属温度怎么求？三条路：一是传热计算，圆筒壁内温度沿对数曲线分布；二是在已使用的同类容器上测定；三是金属温度接近介质温度时按内部介质温度近似确定。工程上最常用的简化：薄壁容器壁内温度近直线分布，截面平均温度等于内外壁温的算术平均值，T等于Ti加To除以2；设计温度取大于等于T，T为负时取小于等于T。

进入力学基础。容器承受随时间变化的载荷时，应制定载荷直方图用于循环载荷下的评定。直方图必须涵盖所有随时间变化的重要载荷，以及受压元件上的所有重要事件：启动、正常运行、异常工况和停机。怎么读？载荷循环由矩形块表示：块的高度代表该循环的载荷范围，块的宽度代表循环次数；一个矩形块表示一种等幅循环；加载历史里有多种等幅循环时，就画成一排高矮宽窄不同的并列矩形块。这张图是后面疲劳评定和棘轮评定的输入，画不准，评定就失真。

应力分类法使用弹性应力分析，应力分类时用的弹性名义应力，是假定材料始终处于线弹性状态所得的应力，通常用有限元完成。分析中应至少包括标准表1所列的载荷；除非热应力可以忽略，否则评定时应计入热应力；材料参数的选择会影响结果准确性，应尽量采用4732.2提供的材料参数。有个特别的概念：热膨胀管系的弹性跟随引起的外部载荷，一旦容器进入塑性，这个载荷会跟着变形持续作用，可能导致过量塑性变形垮塌，所以它被视为机械载荷。载荷工况组合按表2，并按可产生最不利结果的方式组合——包括一个或多个载荷不起作用时可能引起的更危险情况。风载荷和地震载荷的组合符号WE，取W与0.25W加E两者中可产生最不利结果的值。

应力分类法的五类应力：一次总体薄膜应力Pm，沿任意实心截面的平均应力，不含不连续效应，内压圆筒远离封头连接处的薄膜应力就是它；一次局部薄膜应力PL，含不连续效应但不含应力集中；一次弯曲应力Pb；二次应力Q，靠自限性维持平衡；峰值应力F，应力集中的主角，疲劳评定用它。有限元给的是连续应力场，评定前要沿应力分类线做线性化，三步分解：第一步薄膜，等于总应力沿厚度的平均；第二步弯曲，按厚度坐标与半厚度之差的线性函数加权积分；第三步峰值，等于该点总应力减去薄膜加弯曲。三维实体单元的结果必须做线性化处理。分类线通常布置在总体结构不连续处，因为高应力区就在几何、材料或载荷突变的地方。

看两道平台现役例题。第一道判断题：一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力共同构成五个应力类别。答案正确，Pm、PL、Pb、Q、F，五类一个不多一个不少。第二道单选题：内压圆筒壳体中，远离封头连接处的薄膜应力应归入哪一类？选Pm。关键词是远离——远离封头连接处就不存在结构不连续效应，这个薄膜应力平衡内压、沿截面均匀分布，是标准的Pm；如果在封头附近，含不连续效应就要归PL。两道题与同族题互相印证，考点都是五类应力的边界。

小结本单元，一张语言对照卡。压力五兄弟：工作管实际、设计管载荷条件、计算管厚度、试验管试验、MAWP管上限。温度三姐妹：工作温度是物料的，金属温度是截面平均的，设计温度是设定的金属温度，薄壁简化T等于Ti加To除以2。载荷与组合：循环载荷画直方图，块高是载荷范围、块宽是次数；组合取最不利，包括载荷不起作用的工况；WE取W与0.25W加E的最不利者。应力五类：Pm、PL、Pb、Q、F；线性化三步：膜取平均、弯做加权积分、峰等于总应力减膜减弯；分类线布置在总体结构不连续处。

课后自测三题：第一题判断，计算压力与设计压力是同一概念——错误，计算压力包括液柱静压力等附加载荷，专门用来确定元件厚度；第二题单选，MAWP取各受压元件计算值的最小值，选B；第三题多选，Pm不含不连续效应、PL含不连续效应不含应力集中、F用于疲劳评定，ABC全对。下一讲B3，材料总体要求与选用：TSG 21协调地位、奥氏体不锈钢直接选用、境外牌号六项规定、质量证明书与复验、冶炼要求、使用温度上下限。带着问题来：为什么奥氏体型不锈钢可以直接选用？我们下讲见。