解：高压厚壁圆筒承受内压时沿壁厚分布的应力，可分为两类：平均应力和应力梯度。平均应力满足与载荷平衡的条件。如果载荷加大，平均应力和所相应的形变也因而增大，当平均应力超过材料的屈服限，将引起总体过度变形、甚至破坏，使筒体失效。应力梯度是筒壁内应力中不均匀部分，在筒体内壁面的应力值最大，但仅仅是局部位置，随半径增加，应力值下降，属边缘应力，具有局部性，在材料塑性和韧性较好时，具有自限性。使容器失效的应力是平均应力。周向平均应力和径向平均应力为：
pDpD????2?2?按第三强度理论
p?r??
2????r??????pD2?????ptpDipp?D???t???????2?22?
13. 为什么GB150中规定内压圆筒厚度计算公式仅适用于设计压力p≤0.4[σ]φ？
答：因形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁圆筒初始屈服压力与实测值较为吻合，因而与形状改变比能准则相对应的应力强度σ
eq4
t
能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平
?eq4与中径公式相对应的应力强度为
3K2?2pc K?1?eqm?K?1pc
2?K?1??eq4?eqm随径比K的增大而增大。当K=1.5时，比值?eq4?eqm?1.25表明内壁实际应力强度是按中径
公式计算的应力强度的1.25倍。由于GB150取ns=1.6，若圆筒径比不超过1.5，仍可按中径公式计算圆筒厚度。因为液压试验（pT=1.25p）时，圆筒内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.25×1.25=1.56倍，说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。当K=1.5时，δ=Di(K-1)/2=0.25Di，代入中径公式得：
0.25Di?2?????pctpcDi0.5?????1.25pctt
pc?0.4????
t这就是中径公式的适用范围规定为：pc≤0.4[σ]φ的依据。 14. 椭圆形封头、碟形封头为何均设置短圆筒？
答：短圆筒的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。
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15. 从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头的特点，并说明其主要应用场合。 答：从受力情况排序依次是半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头，由好变差；从制造情况顺序正好相反。
半球形封头是从受力分析角度，最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量较大。半球形封头常用在高压容器上。
椭圆形封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。
碟形封头由半径为R的球面体、半径为r的过渡环壳和短圆筒等三部分组成。碟形封头是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其他部位，故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单，使碟形封头的应用范围较为广泛。 锥壳：由于结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。
平盖封头的应力分布属弯曲应力，最大应力与平盖直径的平方成正比，与板厚的平方成反比，受力状况最差。但制造方便，在压力容器上常用于平盖封头、人孔和手孔盖、塔板等。 16. 螺栓法兰连接密封中，垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？
1有垫片比压力y和垫片系数m两个。○2垫片比压力y的物理意义为形成初始密封条件时垫片单位面答：○
积上所受的最小压紧力；垫片系数m的物理意义为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力。
17. 法兰标准化有何意义？选择标准法兰时，应按哪些因素确定法兰的公称压力？
1简化计算、降低成本、增加互换性。 答：○
2容器法兰的公称压力是以16Mn在200℃时的最高工作压力为依据制订的，○因此当法兰材料和工作温度不
同时，最大工作压力将降低或升高。在容器设计选用法兰时，应选取设计压力相近且又稍微高一级的公称压力。当容器法兰设计温度升高且影响金属材料强度极限时，则要按更高一级的公称压力选取法兰。 18. 法兰强度校核时，为什么要对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制？
答：当锥颈有少量屈服时，锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配，锥颈已屈服部分不能再承受载荷，其中大部分需要法兰环来承担，这就使法兰环的实际应力有可能超过单独对锥颈和法兰环的强度限制条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制。 19. 简述强制式密封，径向或轴向自紧式密封原理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。
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答：强制密封的密封原理：依靠主螺栓的预紧作用，使垫片产生一定的塑性变形，填满压紧面的高低不平处，从而达到密封目的。
径向自紧式密封原理：依靠密封元件在容器内部介质压力下，使径向刚度小的密封元件产生径向变形，压紧在径向刚度大的被连接件上，形成密封比压达到密封的目的。 轴向自紧式密封原理：依靠密封元件在容器内部介质压力下，使轴径向刚度小的密封元件产生轴径向变形，压紧在轴径向刚度大的被连接件上，形成密封比压达到密封的目的。 如图所示的双锥环密封，在预紧状态，拧紧主螺栓使衬于双锥环两锥面上的软金属垫片和平盖、筒体端部上的锥面相
接触并压紧，导致两锥面上的软金属垫片达到足够的预紧密封比压；同时，双锥环本身产生径向收缩，使其内圆柱面和平盖凸出部分外圆柱面间的间隙消失而紧靠在封头凸出部分上。为保证预紧密封，两锥面上的比压应达到软金属垫片所需的预紧密封比压。内压升高时，平盖有向上抬起的趋势，从而使施加在两锥面上的、在预紧时所达到的比压趋于减小；双锥环由于在预紧时的径向收缩产生回弹，使两锥面上继续保留一部分比压；在介质压力的作用下，双锥环内圆柱表面向外扩张，导致两锥面上的比压进一步增大。为保持良好的密封性，两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封比压。 20. 按GB150规定，在什么情况下壳体上开孔可不另行补强？为什么这些孔可不另行补强？
答：GB150规定：当在设计压力≤2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径≤89mm时，满足下表的情况下，可不补强
接管公称外径 最小厚度 25 32 3.5 38 45 48 57 65 76 89 4.0 5.0 6.0 因为这些孔存在一定的强度裕量，如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，可以不预补强。
21. 采用补强圈补强时，GB150对其使用范围作了何种限制，其原因是什么？
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答：用在静载、常温、中低压情况下；材料标准抗拉强度低于540MPa；补强圈厚度≤1.5δn；δn ≤38mm。原因为：补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力；补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。
22. 在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？
1筒体内径≤300mm的压力容器；○2容器上设有可拆卸的封头、盖板或答：符合下列条件之一可不开孔：○
3无腐蚀或轻微腐蚀，无其他能够开关的盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸；○4制冷装置用压力容器；○5换热器。 需做内部检查和清理的压力容器；○
23. 试比较安全阀和爆破片各自的优缺点？在什么情况下必须采用爆破片装置？
答：安全阀的优点：仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易。安全阀的缺点：密封性能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。
爆破片的优点：密闭性能好，能做到完全密封；破裂速度快，泄压反应迅速。爆破片的缺点：泄压后爆破片不能继续使用，容器也被迫停止运行，一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产。 当安全阀不能起到有效保护作用时，必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置。 24. 压力试验的目的是什么？为什么要尽可能采用液压试验？
答：压力试验的目的：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。对外压容器，在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，与缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。
由于在相同压力和容积下，试验介质的压缩系数越大，容器所储存的能量也越大，爆炸也就越危险，故应用压缩系数小的流体作为试验介质。气体的压缩系数比液体的大，因此选择液体作为试验介质，进行液压试验。
25. 简述带夹套压力容器的压力试验步骤，以及内筒与夹套的组装顺序。
答：对于带夹套压力容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，然后进行夹套内的液压试验。在确定了夹套试验压力后，还必须校核内筒在该试验压力下的稳定性。如不能满足外压稳定性要求，则在作夹套液压试验时，必须同时在内筒保持一定的压力，以确保夹套试压时内筒的稳定性。 26. 为什么要对压力容器中的应力进行分类？应力分类的依据和原则是什么？
答：对压力容器中的应力进行分类的原因：应力产生的原因不同，如薄膜应力是由于与外力平衡而产生的；边缘应力是由于保持不连续处的变形协调而产生的；应力沿壳体壁厚的分布规律不同，如薄膜应力是均匀
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分布，边缘弯曲应力是线性分布；对壳体失效的贡献不同，与外力平衡产生的应力无自限性，对失效的贡献大，有自限性的应力对失效的贡献小。
压力容器分类的依据：是应力对容器强度失效所起的作用的大小。
压力容器分类的原则：满足外载荷与内力及内力矩平衡的应力，即“非自限性”的应力；相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的应力，在材料为塑性材料时具有“自限性”的应力；局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加在上述两原则下的应力之上的应力增量，具有高度的“局部性”。 27. 一次应力、二次应力和峰值应力的区别是什么？
答：一次应力具有“非自限性”，二次应力在材料为塑性材料时具有“自限性”，峰值应力具有高度的“局部性”。
28. 分析设计标准划分了哪五组应力强度？许用值分别是多少？是如何确定的？
1一次总体薄膜应力强度SⅠ；○2一次局部薄膜应力强度SⅡ；○3一次薄膜（总体或答：五组应力强度为：○
4一次加二次应力（PL+Pb+Q）强度SⅣ；○5峰值应力强度SⅤ（由局部）加一次弯曲应力（PL+Pb）强度SⅢ；○
PL+Pb+Q+F算得）。
前四组强度的许用值是在所考虑点上，每组对应与该点的最大主应力与最小主应力之差；峰值应力强度 SⅤ是该点的最大主应力与最小主应力之差值的一半。
29. 在疲劳分析中，为什么要考虑平均应力的影响？如何考虑？
1在非对称循环的交变应力作用下，平均应力增加将会使疲劳寿命下降，因此必须考虑平均应力的影答：○
响。
2考虑平均应力对疲劳寿命的影响，将具有平均应力的相应交变应力幅按照等寿命原则，按照某些修正方○
法，折算到相当于平均应力为零的一个当量交变应力幅。修正相应的对称循环疲劳曲线。
习题
1. 一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa，设计温度为50℃；圆筒内径Di=1200mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质列毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率K≤0.1mm/a，设计寿命B=20年。试在Q2305-A·F、Q235-A、16MnR三种材料中选用两种作为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。
解：pc=1.85MPa，Di=1000mm，φ=0.85，C2=0.1×20=2mm；钢板为4.5~16mm时，Q235-A 的[σ]=113 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]= 170 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。 材料为Q235-A时：
t
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