思考题参考答案

思考题参考答案
第1章压力容器导言
思考题1.1
我国《压力容器安全技术监察规程》根据整体危害水平对压力容器进行分类。

压力容器破
裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。

设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害（I级）、
高度危害（n级）、中度危害（川级）、轻度危害（w级）等四个级别。

介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。

压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化
气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为
严重的财产损失和人员伤亡。

因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度
愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。

例如，Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，
容器上的A、B类焊接接头还应进行 100 %射线或超声检测，
且液压试验合格后还应进行气密性试验。

而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低
得多。

又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构
思考题1.2
筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主
要的受压元件之一；
封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；
密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；
开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压
力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。

支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。

安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。

思考题1.3
《压力容器安全技术监察规程》依据整体危害水平对压力容器进行分类，若压力容器发生
事故时的危害性越高，则需要进行安全技术监督和管理的力度越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。

压力容器所蓄能量与其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储藏的能量越大，发生破裂爆炸时产生危害也越大。

因此，《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，不仅要根据压力的高低, 还要视压力与容积的乘积 pV大小进行分类。

思考题1.4
《压力容器安全技术监察规程》与GB150适用范围的相异之处见下表：
思考题1.5
GB150 :《钢制压力容器》中国第一部压力容器国家标准，适用于压力不大于35Mpa的钢
制压力容器的设计，制造，检验和验收。

设计温度根据钢材允许的温度确定。

以弹性失效和失稳失效为设计准则。

只是用于固定的承受载荷的压力容器
JB4732 :《钢制压力容器一一分析设计准则》是分析设计准则，适用压力低于100Mpa。

设
计温度以钢材儒变控制设计应力的相应温度。

采用塑性失效，失稳失效，疲劳失效为设计准
则。

JB/T4735 :《钢制焊接常压容器》属于常规设计准则。

适用压力-0.02Mpa〜0.1Mpa的低压
容器。

不适用于盛装高度毒性或极度危害介质的容器。

采用弹性失效和失稳失效准则思考题1.6
安全可靠
满足过程要求
综合经济性好
易于操作、维护和控制
优良的环境性能
（具体内容参照课本绪论）
思考题 1.7
理论上应力集中的地方，是假设材料在弹性区域内计算出来的，而压力容器破坏时材料已经处于塑性区域，不再满足弹性理论的条件，而应力按照塑性规律重新分布，此时应力最大的地方已经不再是连接处的地方。

所以首先破坏不在离连接处而是处于封头与筒体连接处一段距离的地方。

第2章压力容器应力分析
思考题2.1
1•在内压作用下，这些壳体将产生应力和变形，当此应力超过材料的屈服点，壳体将产生
显著变形，直至断裂。

2•壳体在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩薄膜应力，其大小与受相等内压时的拉伸
薄膜应力相同。

但此时壳体有两种可能的失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；
另一种是因刚度不足，发生失稳破坏。

思考题2.2
对于给定外直径 Do和壳壁厚度t的圆柱壳，波纹数和临界压力主要决定于，圆柱壳端部边
缘或周向上约束形式和这些约束处之间的距离，即临界压力与圆柱壳端部约束之间距离和圆
柱壳上两个刚性元件之间距离L有关。

临界压力还随着壳体材料的弹性模量E、泊松比卩
的增大而增加。

非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。

弹性失稳的临界压力与材料强度无关，故采用高强度材料不能提高圆柱壳弹性失稳的临界
压力。

思考题2.4
对于承受周向外压的圆筒，短圆筒的临界压力比长圆筒的高，且短圆筒的临界压力与其
长度成反比。

故可通过设置合适间距的加强圈，使加强圈和筒体一起承受外压载荷，并使长圆筒变为短圆筒（加强圈之间或加强圈与筒体封头的间距L<Lcr），或使短圆筒的长度进一
步降低，从而提高圆筒的临界压力。

若设置的加强圈不能使长圆筒变为短圆筒（L> Lcr）, 则所设置的加强圈并不能提高圆筒的临界压力。

设置加强圈将增加制造成本；而且，当L/Do 很小时，短圆筒可能变为刚性圆筒，
此时圆筒的失效形式已不是失稳而是压缩强度破坏，此时再设置额外的加强圈已无济于事。

因此，加强圈的数量并不是越多越好，应当设计合理的间距。

思考题2.5
短圆筒最小临界压力近似计算式：
2.59Et2
P er -------------------
LD°，D o t
对于钢质长圆筒，临界压力计算式为：
对于给定的D 和t 的圆筒，有一特征长度作为区分
n=2的长圆筒和n>2的短圆筒的
界限，此特性尺寸称为临界长度， 以Lx r 表示。

当圆筒的计算长度 L >L er 时属长圆筒；当L<L er 时属短圆筒。

如圆筒的计算长度
L =L er 时，上述两式相等即
3
2.59E
L
er / ；
t
D
D
o I D
思考题2.6 受轴对称均布载荷薄圆板的应力有以下特点
①板内为二向应力 r 、 。

平行于中面各层相互之间的正应力 z 及剪力Q r 引起的
切应力 均可予以忽略。

② 正应力 r
、
沿板厚度呈直线分布，在板的上下表面有最大值，是纯弯曲应力。

③ 应力沿半径的分布与周边支承方式有关，工程实际中的圆板周边支承是介于两者之 间的形式。

④ 薄板结构的最大弯曲应力 max
与Rt 成正比，而薄壳的最大拉（压）应力
max
与
R
t 成正比，故在相同 R
t 条件下，薄板的承载能力低于薄壳的承载能力。

思考题2.7
1. 挠度 周边固支和周边简支圆平板的最大挠度都在板中心。

周边固支时，最大挠度为
P er 2.2E
D o
2 2E
L er
i.i7
D o D o
周边简支时，最大挠度为
.者之比为
对于钢材，将 °・3
代入上式得
这表明，周边简支板的最大挠度远大于周边固支板的挠度。

2. 应力
周边固支圆平板中的最大正应力为支承处的径向应力，其值为
3pR 2
周边简支圆平板中的最大正应力为板中心处的径向应力，其值为
二者的比值为
f
W max
PR 4
64D
s
max
5 pR 4
1 64D
s
W
max
W
max
s max f max
5 0.3 1 0.3
4.08
s r max
33 ____ _pR^ 8 t 2
r max ~f~ r max
对于钢材，将
°・3
代入上式得
这表明周边简支板的最大正应力大于周边固支板的应力。

思考题2.10
内加热情况下内壁应力叠加后得到改善，而外壁应力有所恶化。

外加热时则相反，内壁应 力恶化，而外壁应力得到很大改善。

（综合应力沿厚壁圆筒分布见课本 2.3厚壁圆筒应力分析） 首先屈服点需要通过具体计算得出，可能是任意壁厚上的点。

思考题2.11
微元体的平衡方程是从力的平衡角度列出的，不涉及材料的性质参数（如弹性模量，泊松 比），不涉及应力与应变的关系，故在弹塑性应力分析中仍然适用。

思考题2.12 成立。

思考题2.13
不相同。

采用多层圆筒结构，使内层材料受到压缩预应力作用， 而外层材料处于拉伸状态。

当厚壁圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布由按 Lam e （拉美）公式确定的弹性应力和
残余应力叠加而成。

内壁处的总应力有所下降，
外壁处的总应力有所上升， 均化沿筒壁厚度
方向的应力分布。

从而提高圆筒的初始屈服压力，也提高了爆破压力。

思考题2.14
通过压缩预应力，使内层材料受到压缩而外层材料受到拉伸。

当厚壁圆筒承受工作压力时，
筒壁内的应力分布由按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成， 内壁处的总应力有所 下降，外壁处的总压力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的应力分布， 从而提高圆筒的初始屈
服压力。

思考题2.15
① •壳体的厚度、曲率及载荷连续，没有突变，构成壳体的材料的物理性能相同。

壳体的
s
r max ~f~ r max
3.3 2
1.65
厚度发生突变处，曲率突变及开孔处和垂直于壳面的集中载荷作用区域附近，无力矩理论是不适用的。

②．壳体的边界处不受法向力和力矩作用。

③•壳体的边界处约束的支承反力必须作用在经线的切线方向，边界处的变形，转角与挠度不受到
限制。

思考题 2.16
不能。

材料在承受内外压的同时与单独承受时，材料内部的力学形变与应力是不一样的。

例如，筒
体在承受相同大小的内外压时，内外压差为零，此时筒壁应力不等于零。

思考题 2.17
热应力是由温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束所引起的。

要减少热应力从两个方面
考虑： 1、减少温度变化； 2、减少约束。

要严格控制热壁设备的加热、冷却速度。

必要是要采取保温层措施来减少温度变化。

工程上应尽量避免外部对热变性的约束、设置膨胀节(或柔性元件) ，同样容器得形状也
对约束有关系，球形由于其关于球心完全对称，其膨胀受到容器本身的约束就小的多了。

但由于球形加工的难度，工程上应尽量采用椭球形。

思考题 2.18
圆筒的形状缺陷主要有不圆和局部区域中的折皱、鼓胀或凹陷，在内压作用下，圆筒有消除不圆度
的趋势，这些缺陷，对内压圆筒强度的影响不大；对于外压圆筒，在缺陷处会产生
附加的弯曲应力，使得圆筒中的压缩应力增大，临界压力降低，因此形状缺陷对外压圆筒的影响较大。

思考题 2.19
(1)应力集中系数法 :
a应力集中系数曲线
b.应力指数法
(2)数值计算 ;
(3)应力测试
思考题 2.20
除受到介质压力作用外，过程设备还承受通过接管或其它附件传递来的局部载荷，如设备的自重、
物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等。

这些结构不连续处，
如截面尺寸、几何形状突变的区域、两种不同材料的连接处等，也会在局部区域产生附加应力。

载荷通常仅对附件与设备相连的局部区域产生影响。

此外，在压力作用下，压力容器材料或
思考题 2.22 由于壳体的总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的的应力增
大现象，称为“不连续效应”。

不连续应力具有局部性和自限性两种特性。

思考题 2.23 （应力分布特征见课本 2.3 厚壁圆筒应力分析）由单层厚壁圆筒的应力分析可知，在内压力作用下，筒壁内应力分布是不均匀的，内壁处应力最大，外壁处应力最小，随着壁厚或径比K 值的增大，内外壁应力差值也增大。

如按内壁最大应力作为强度设计的控制条件，那么除内壁外，其它点处，特别是外层材料，均处于远低于控制条件允许的应力水平，致使大部分筒壁材料没有充分发挥它的承受压力载荷的能力。

同时，随壁厚的增加， K 值亦相应增加，但应力计算式分子和分母值都要增加，因此，当径比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。

思考题 2.24
1.假设壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后变形是小变形；壳壁各层纤维在变形后互不挤压。

2.所受载荷轴对称。

3.边界条件轴对称。

思考题 2.25 半椭圆形端盖的应力情况不如半球形端盖均匀，但比碟形端盖要好。

对于长短轴之比为2 的椭圆形端盖，从薄膜应力分析来看，沿经线各点的应力是有变化的，顶点处应力最大，在赤道上出现周向应力，但整个端盖的应力分布仍然比较均匀。

与壁厚相等的筒体联接，椭圆形端盖可以达到与筒体等强度，边缘附近的应力不比薄膜应力大很多，这样的联接一般也不必考虑它的不连续应力。

对于长短半轴之比为 2 的椭圆形端盖，制造也容易，因此被广泛采用，称为标准椭圆盖。

思考题 2.26
在理论上是可以的 .微元体的取法不影响应力分析的结果 ,但对计算过程的复杂程度有很大影响。

第3章压力容器材料及环境和时间对其性能的影响
思考题 3.1
压力容器用钢基本要求是有较高的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质的相容性。

改善钢材性能的途径有化学成分的设计，组织结构的改变和零件表面改性。

思考题 3.2
材料选用是应考虑以下的因素
1）压力容器的使用条件
2）零件的功能和制造工艺
3）材料的使用经验
4）材料价格
5）规范标准
思考题 3.3
在常温下钢经过塑性变形后，内部组织将发生变化，晶粒沿变形最大的方向被伸长，晶格被扭曲，从而提高材料的抗变形能力。

这种现象称为应变硬化或加工硬化。

例如，在常温下把钢预拉到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，材料的比例极限将提高而塑性降低。

思考题 3.4
氢脆指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。

氢的来源有两种途径：一是内部氢，指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢；二是外部氢，指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。

容器在外部氢环境中使用造成的氢脆称为环境氢脆 .
在高温、高氢分压环境下工作的压力容器，氢会以原子渗入到钢中，被钢的基体所溶解吸收。

当容器冷却后，氢的溶解度大为降低，形成分子氢的富集，造成氢脆。

思考题 3.5
压力容器在交变载荷作用下，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。

疲劳破坏有裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段，因而疲劳断口一般由裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。

裂纹源往往位于高应力区或有缺陷的部位。

裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域。

常呈现贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。

扩展区的大小和形状取决于压力容器的应力状态、应力幅度及结构形状等因素。

瞬时断裂区为裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。

由于疲劳破坏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。

思考题 3.6
钢在高温、应力长期作用下，由于珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象， Fe3C-->3Fe+C（石墨）,称为石墨化或析墨现象。

石墨化现象只出现在高温下。

对碳素钢和碳锰钢，当在温度 425oC 以上长期工作时都有可能发生石墨化。

温度升高，使石墨化加剧，但温度过高，非但不出现石墨化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体。

要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、鈦、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。

思考题 3.7
但在高温下，钢材的金相组织和力学性能发生变化，即发生材料性能的劣化。

在高温下长期工作的钢材，材料性能的劣化主要有：蠕变脆化、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆。

（具体内容见教材 3.3 环境对压力容器用钢性能的影响）
思考题 3.8
压力容器的工作环境对压力容器材料性能也有着显著的影响。

环境的影响因素很多，主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。

这些影响因素往往不是单独存在，而是同时存在、交互影响的。

（具体内容见 3.3 环境对压力容器用钢性能的影响）
思考题 3.9
壁厚过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。

壁厚过薄大致有两种情况：壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄。

操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等会引起超压。

例如，压力较高的气体进入设计压力较小的容器、容器内产生的气体无法排出等。

思考题 3.10
韧性断后有肉眼可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。

脆性断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；在较低应力状态下发生,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。

产生的危害较韧性断裂更大。

思考题 3.11
（参考答案：影响材料价格的因素主要有冶炼要求（如化学成分、检验项目和要求等）、尺寸要求（厚度及其偏差、长度等）和可获得性等
一般情况下，相同规格的碳素钢的价格低于低和合金钢，不锈钢的价格高于低合金钢。

当所需不锈钢的厚度较大时，应尽量采用复合板、衬里、堆焊或多层结构。

与介质接触的复层、衬里、堆焊层或内层，用耐腐蚀材料，而外层用一般压力容器用钢。

）
思考题 3.12
1．为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两方面采取措施，如尽量减少焊接接头数量，相邻焊缝间保持足够间距，尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区，避免十字焊缝，焊前预热等。

2．常见缺陷有：裂纹，夹渣，未熔透，未熔合，焊瘤，气孔和咬边。

3.图见课本 3.2.2 节
思考题 3.13 在高温情况下，弹性模量和屈服点随温度升高而降低，而抗拉强度先随温度升高而升高，但当温度达到一定值时，反而很快下降。

在低温下，随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。

当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。

这一
温度通常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。

低温变脆现象是低温压力容器经常遇到的现象。

思考题 3.14 硫和磷是钢中最主要的有害元素。

硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。

磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。

将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐射脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。

思考题 3.15
1.珠光体球化（已发生球化的钢材采用热处理的方法使之恢复原来的组织）
2.石墨化（要阻止石墨化 , 可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素）
3.回火脆化（一方面应严格控制微量杂质元素的含量;另一方面应使设备升降温度的速度尽
量缓慢）
4.氢腐蚀（钢中加入铬钒钨钛等能形成稳定的化合物的元素）
氢脆（容易造成氢脆的容器 ,应先降压 , 保温消氢后 ,再降至常温）
思考题 3.16 应力腐蚀破坏过程分为三个阶段，即孕育阶段；裂纹稳定扩展阶段；裂纹失稳阶段。

第三阶段不一定总会发生，在第二阶段形成的裂纹与可能使压力容器泄漏，导致应力下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏。

预防措施：
1.合理选择材料
2.减少或消除残余拉应力
3.改善介质条件
4.涂层保护
5.合理设计
思考题 3.17 焊接接头的检验方法有破坏性检验和非破坏性检验两类。

其中非破坏性检验方法有：
1.外观检查
2.密封性检验
3.无损检测：如射线透照检测，超声检测，表面检测（包括磁粉检测，渗透检测和涡流检测等）。

思考题 3.18 在高温，高氢分压环境下工作的压力容器，氢会以原子形式渗入到钢中，被钢的基体所溶解吸收。

当容器冷却后，氢的溶解度大为降低，形成分子氢的富集，造成氢脆。

第4章压力容器设计
思考题 4.1
压力容器设计应综合考虑材料、结构、许用应力、强（刚）度、制造、检验等环节，这些环节环环相扣，每个环节都应予以高度重视。

压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件，遵循现行的规范标准规定，在确保安全的前提下，经济、正确地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。

结构设计主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；强（刚）度设计的内容主要是确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行；密封设计主要是选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。

思考题 4.2
压力容器的设计文件，包括设计图样、技术条件、强度计算书，必要时还应包括设计或安装、使用说明书。

若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。

思考题 4.3
将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，就可判别压力容器是否会失效。

这种判据，称为失效判据。

因为压力容器存在许多不确定因素 ,失效判据一般不能直接用于压力容器的设计计算。

为有效地利用现有材料的强度或刚度，工程上在考虑上述不确定因素时，较为常用的方法是引入安全系数，得到与失效判据相对应的设计准则。

压力容器设计准则大致可分为强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳定失效设计准则和泄漏失效设计准则。

对于不同的设计准则，安全系数的含义并不相同。

压力容器设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计规范标准，再按规范要求进行设计和校核。

思考题 4.4
为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力。

而最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。

对于盛装液化气体的容器，由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸气压，在规定的装量
系数范围内，与体积无关，仅取决于温度的变化，故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。

此外，还要考虑容器外壁有否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

思考题 4.5
设计温度取温度平均值 T,选材以设计温度为准.
思考题 4.6
计算厚度(S)是按有关公式采用计算压力得到的厚度。

必要时还应计入其它载荷对厚度的。