承压设备应力及安全系数的概念

第1章 绪论 关于应力、应变和材料弹性的基本概念是在1660～1822年逐步形成的。胡克、伯努利、欧拉、库仑、柯西等著名科学家为此做出了重要的历史贡献。柯西在1822～1828年发表了一系列论文，明确提出了应变、应变分量、应力和应力分量等力学概念[1]。相关理论经过约200年的发展，经典的应力分析、计算应力分析及试验应力分析不断结合与深化，机械力学、土木建筑工程力学和地质力学等诸多力学学科持续扩展，特别是以有限元法为代表的计算固体力学高速发展[2]，极大地促进了应力及其相关概念的普及、应用及创新。 1.1 应力词汇面临的问题 承压设备设计相关技术中经常通过引入安全系数来调整结构材料的许用应力，有时也通过其他各种系数来调整特定结构在某种载荷工况下的应力许可极限值，以判断结构应力的计算结果是否可以通过校核。对结构应力和材料力学性能的认识越清楚，所需的安全系数越低，反之则所需安全系数越高。从这一关系来说，应力词汇面临的问题在一定程度上也是与安全系数间接相关的问题。 1.1.1 应力概念复杂化的现实性 1.力学理论体系的分支发展使同一物理量名称出现差异 从学术发展历史来看，严格而自由的学术理论研究先天地带有创新立异的冲动，名词概念可以在深化认识中进行适当修正，而对于事后通过项目运作来规范已流行的学科名词术语则显得力所不及，名词本身可以被规范，实际上却难以迭代。原全国自然科学名词审定委员会主任钱三强在《力学名词》[3]一书的序言中指出，统一我国的科技名词术语，是一项繁重的任务，它既是一项专业性很强的学术性工作，又涉及亿万人使用习惯的问题；审定工作中要认真处理好科学性、系统性和通俗性之间的关系，主科与副科之间的关系，学科间交叉名词术语的协调一致，专家集中审定与广泛听取意见等问题。 力学的基础部分是物理学的一部分，且和数学有着密切的联系；力学的应用部分则主要涉及工程技术学科。因此，力学发展中的名词术语问题很突出。仅就材料力学而言，关于应力与应变的数学定义并无歧义，只是名称上“各自为政”[4]，例如，物体内部任意剖面上某点的应力，就有剪应力与切应力，线应变与正应变，剪应变、切应变与角应变。由力的分解方向区分为作用面的法向分量与切向分量，由法向分量定义的内力集度称为正应力并无混乱，但切向分量对应的内力集度有剪应力与切应力两种名称。早期教材中均将其称为剪应力，其主要原因在于shear stress 与shear deformation都采用了同一单词shear。事实上，在扭转、弯曲基本变形模式中也存在该应力，应力的定义并不依赖于特定变形模式，所以采用变形模式的名称定义应力名称不甚合适。而切应力的名称体现了对应内力分量(或者应力分量)的方向，相对而言比较贴切。国家标准《力学的量和单位》(GB/T 3102.3—1993)[5]中规定的标准名称为切应力，这也是后期教材(包括改版教材)多采用切应力的原因。即将替代《钢制压力容器——分析设计标准(2005年确认)》(JB 4732—1995)[6]的国家标准《压力容器——分析设计第1部分：通用要求》征求意见稿(以下称为分析设计新标准修改稿)的目录中也把“剪应力”改称为“切应力”，同时，在正文关于“切应力”的定义中，增加了“切应力也称剪应力”的提法；将二次应力定义中的“剪应力”改称为“切应力”等。鉴于剪应力一词当前在多个学科中的应用，本书保留其作为一个等同于切应力的独立词汇概念。 弹性力学教材中规定，应力正负的符号体系可简单概括为“正面正向与负面负向为正，反之为负”，此规定对于正应力与切应力均适用。 由弹性力学体系定义的应力与应变符号体系中，正应力与正应变的符号与材料力学符号完全相同，但是切应力与切应变符号不同，表现在[4]：弹性力学体系中，切应力符号遵循正面正向与负面负向为正，反之为负，而切应变以直角变小为正；材料力学体系中，切应力以使微单元体顺时针转动为正，逆时针转动为负，而切应变以直角变大为正；除应力圆部分，材料力学教材采用弹性力学符号体系，包括采用二阶张量矩阵的坐标转换法则给出应力转轴公式，以及采用三阶实对称矩阵特征值问题分析主应力(特征值为主应力，特征向量为主方向)。材料力学的特色是分析方法和表现形式与工程应用密切相关，其中概念与结果的图像表征深入人心，应力圆部分也是重点内容。只要应力圆部分存在，材料力学教材就无法把弹性力学符号体系贯穿始终。关于弹性力学与材料力学中莫尔应力圆(Mohr stress cirde)(简称莫尔圆)理论概念的对应关系及其应用，可参见4.1.7节。 2.应力概念存在相互交织的依存惯性 概念的相互依存是指对某一应力概念的说明中经常需要引用另一个应力概念，这一方面反映新概念需要相关理论的支持，反映不同概念之间具有某些共同特性，也反映概念的非独立性或概念边界的模糊性，如果引用不当很容易混淆概念内容；另一方面暗示了其中隐匿着具有研究价值的概念体系，如果开发得当会加深对已有理论的认识，提升新概念的理论水平。 部分概念的相互依存是基于其中内容的共识来追求表达的简洁，这是值得肯定的；但是也有部分概念的相互依存是无意识的，有时是故意的、多余的，这是需要注意的。例如，关于名义应力的解释，“名义应力是指在并无结构不连续(包括总体及局部)处的应力，是由元件的基本理论计算所得的基准应力”，其中就指向“基准应力”这另一个应力概念。在上述名义应力的解释中，去掉“基准”一词不会对概念的理解造成不良影响。这与报道中偶见的应力概念混用现象是不同的，混用是无意识地涉及两个不同内涵的概念，却以为是同一个概念的两种表达，导致的结果可能是错误的，例如，“基准应力”与“基体应力”、“约束应力”与“约化应力”都是相互之间没有交集的不同概念；又如，“热点应力”与“热斑应力”、“热应力”或“点应力”与“集中应力”在概念上也是无关的。 平时，大多数人使用“应力”这个词时过于随意，会造成内容边界的模糊和概念的泛化，有可能妨碍交流者对其本质复杂性的认识。应力的影响因素，除了与应变和材料弹性有关，还与温度有关，温度既可以直接引起热应力，也可以通过材料性能随温度变化这一路径间接影响有关应力。大多数技术人员都需要在继续工程教育中理解和掌握部分应力词汇的概念内涵，并能在诸多同时具有关联性和差异性的应力词汇中准确无误地确定相关词汇的本质特点而加以利用。 随着人类社会的进步和科技的发展，“基础学科”内涵也会有所变化，但把它概括为人们通常说的“数理化天地生”仍然是比较准确的。数学很多分支学科的发展大都是为了表述力学行为而出现和发展的，典型的就是微积分的发明和完善[7]。从历史看，力学是其他基础学科发展的基础，而其他学科得到充分发展之后，又与力学进一步发展形成一系列的交叉学科，由此而来的概念相互交织是学科间的现象，有别于上述承压设备所在机械学科内部的概念相互交织现象，读者可在正文所摘录的全国科学技术名词审定委员会术语在线栏目关于应力词汇定义的例子中看到，这里就不展开讨论。 3.应力词汇的概念内涵在学科内生动力下的动态调适 专业词汇作为独*的表征符号，其技术语义具有高度浓缩的个性和一定的时代特色，其概念内涵常常体现一门学科的发展方向和学术前沿，一个专业的研究深度、技术方法和先进手段，也反映一个行业的工程困境和核心技术。除了不同学科内对同一应力词汇的概念定义不同之外，同一学科内对应力词汇的调适也具有多种表达方式。 词汇的扬弃或淘汰是极端的调整方式。在基于理论解释现实问题以及根据问题寻觅相关理论的研究中，可能碰撞出具有创新性甚至颠覆性的新专题，从而有新词汇的提出或倡导应用，这是较为强烈的一种调整。 词汇概念的孪生成组是较为一般的调和诉求，是新名词无法替代原有名词情况下的累积效果，同一专题下的新词汇反映了技术理论的拓展，可通过一系列具有某种应力共性的内容来表达归属于同一专题的基础，再依据拓展的个性来构建概念新的部分。其中的近义词组给读者的**感觉就是似而有别，类而不同，近义词组的字面差别与新的概念交互印证其中的个性，就包含学科调适，已经被业内认可。 同一应力词汇的名称不变而内涵微调是较为自然的调节诉求，有时这种情况不过是从主观上对某一现象获得更深刻认识，或者是应用在不同的研究对象时进行更加灵活的表达。 可见，随着设备理论和工程的发展，词汇概念自身也在发展。从已有的变化历程看，应力词汇的调适内容较零碎，调适周期较长，调适力度较弱，调适动态不明显。这种动态虽然存在但是相当低调，尚未能上升为一个鲜明的特色，调适仅增添了概念的复杂性。一般的研究者个体在其整个有限的学术生涯中对这些调适动态几乎毫无觉察。 1.1.2 应力概念信息化的规范性 1.承压设备的创新发展使复杂化的应力概念亟待规范 18世纪从英国发起的技术革命是技术发展史上的一次巨大革命，它开创了以机器代替手工劳动的时代，它以工作机的诞生为开始，以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志，被称为**次工业革命或者产业革命。为了维护蒸汽机的正常运行，产生蒸汽的锅炉、输送蒸汽的管道和储存蒸汽的汽缸组成了早期承压设备的主要类型。 人类发现和利用石油、天然气已有几千年的历史，但石油形成一门工业，只有100多年。石油作为高质量的能源、多用途的宝贵化工原料，在国民经济各部门被迅速广泛地利用，引起了世界消费能源结构的巨大变化。1859年，美国人德雷克在宾夕法尼亚州钻成**口具有现代工业意义的油井——德雷克井，这标志着近代石油工业的开始。*初的石油工业发展可以分为两个时期。一个是1860～1900年的煤油时期，煤油的主要用途是照明和民用燃料。19世纪60～70年代，美国石油工业从勘探、开采、炼制加工、储运到销售，已经形成了完整的产业链并迅速发展起来。另一个是20世纪初，石油成为内燃机的主要动力，人类的石油利用终于从煤油时期进入汽油时期(动力时期)。石油产业链中使用的换热器、蒸馏塔、反应器和储罐等组成了发展期承压设备的主要类型，这些设备名称使用至今。 随着社会经济的发展，石油炼制拓展到石油化工。化肥工业、煤化工业、能源工业和其他化学工业的发展进一步丰富了承压设备家族，锅炉、压力容器和压力管道三大类*终被确定为承压设备的主要类型，每一大类又可以分为若干小类。有些新工艺的压力容器在结构上体现了传统压力容器与其他钢结构一体化的特点。 组合环管式反应塔结构就是一种集钢结构框架、反应容器和压力管道于一体的特种设备[8]，它用于采用料浆法工艺生产聚丙烯/聚乙烯，包括若干条高达50～60m的直套管、在水平方向连接夹套的连通管、连接两条直套管内管端口的180°回弯头以及连接两条直套管外管的多层连接横梁。内管规格约为609mm，外夹套管规格约为700mm，两者的壁厚则从底部到顶部逐渐减薄，180°回弯头两个端部开口的中心距通常为4200mm。其中，每两条直套管于其内管端口与两个弯头一一对应依次串联连接成一个上下反复盘绕的连通流道。在直套管内管流动的是反应介质，因聚合反应为放热反应，会产生大量热量，故设置直套管的外夹套作为冷却水的流道，并通过外夹套连通管将夹套流道也一一对应依次串联连接成一个连通流道，外夹套管上还设置波形膨胀节、安装支座和支梁座，连接横梁通过螺栓与支梁座连接，把直套管连接组合成一个立体框架的钢结构。此外，有原料进口的直套管底部的内管端口还与大功率轴流泵相接。由此可见，环管反应器属于特种结构[9]，是多基础支承立式管柱钢结构形夹套容器，同时具有反应和换热功能，如图1.1所示。 图1.1 某石化装置30万吨/年聚烯烃环管反应器 另一个*新的案例是某燃煤烟气高温脱硝反应器，其基本结构由烟气入口段、催化反应主体和烟气出口段三部分组成，长×宽×高的尺寸约为8m×9m×19.2m，主要由梁、柱、加强筋和壁板等连接而成，总体结构与局部不连续，其应力分布和