确压力容器开孔的强度问题

(1)开孔引起的应力
压力容器壳体开孔以后，可引起三种应力：
a．局部薄膜应力
压力容器壳体一般承受均匀的薄膜应力，即一次总体薄膜应力。壳体开孔以后，使壳体上开孔所在截面的承载面积减少，使该截面的平均应力增大。开孔边缘应力分布的特点是应力分布很不均匀。在离开孔边缘较远处，应力几乎没有变化，而增大的应力则集中分布在开孔边缘。由此在孔边引起很大的薄膜应力，即所谓的局部薄膜应力。
b．弯曲应力 -
容器开孔以后，一般总需设置接管或人孔等，即有另一个壳体与之相贯，相贯的两个壳体在压力载荷作用下，各自产生的径向膨胀(直径增大)通常是不一致的。为使两部件在连接点上变形相协调，则必然产生一组自平衡的边界内力(包括横剪力与弯矩)。这些边界内力将在壳体的开孔边缘及接管端部主要地引起局部的弯曲应力，属于二次应力。
c．峰值应力
在壳体开孔边缘与接管的连接处还会产生一种由于应力集中现象造成的分布范围很小，而数值可能很高的应力，称为峰值应力。
可见，压力容器壳体由于开孔使开孔边缘造成了比较复杂的强度问题。
(2)不同应力对应的破坏形式
容器在压力载荷下产生的一次总体薄膜应力是最基本的应力，是为平衡压力载荷所产生的。这种应力如超过材料的许用应力达到材料屈服点，则容器将产生很大的变形(径向膨胀)，如不计壳体材料的应变强化效应，则壳体材料发生塑性流动，导致容器爆破。这种破坏是在一次加载条件(方式)下就发生的，称为静力强度失效。
由于相贯壳体变形协调产生的边界内力引起的局部弯曲应力具有自限性，不会使容器在一次加载条件下发生破坏。但它可能在多次加载条件下，即多次加压卸压的加载方式下，造成开孔附近的局部破坏。即发生所谓失去安定性的塑性疲劳破坏(大应变疲劳破坏)。
由于应力集中现象引起的峰值应力不会使容器在一次或多次加载方式下发生破坏，但可能在频繁的加压卸压的反复加载方式下，使开孔接管的连接部位首先出现裂纹，继而扩展，最终导致容器开孔附近的破裂，称为疲劳破坏。
容器中上述几种应力虽然是同时存在的，但其破坏形式则是与加载方式(加卸压循环次数)密切相关的。因此，压力容器强度设计，首先应根据容器使用条件的加载方式(一次、多次或反复加载)确定所应考虑的破坏形式，然后区别对待和处理各种应力，以确保容器的安全使用，又使设计费用经济合理。
(3)压力容器的加载方式与设计要求
一次加载方式的压力容器，其强度仅需满足一次总体薄膜应力的静力强度要求，可不考虑二次应力的安定问题及峰值应力的疲劳问题。事实上仅承受一次加载方式的压力容器几乎是不存在的。通常的压力容器在其整个使用寿命中，往往每使用(加压)一段时间(如半年不等)后，需进行一次卸压检修。因此一般容器是以多次加载方式进行工作的。对这类压力容器的强度设计不仅应满足一次总体薄膜应力的静力强度要求，而且尚须满足局部应力的安定性强度要求，但可不计峰值应力的疲劳强度问题。
对于少数频繁加载卸载工作条件下的压力容器，如每经数小时就需卸压加压一次，其强度设计不仅需要满足一次总体薄膜应力的静力强度要求和局部应力的安定性要求，而且尚应计及峰值应力并满足疲劳的要求。
可见容器使用条件的加载方式不同，设计所应考虑的应力及强度条件也不同，从而设计中所采用的计算方法也有很大的区别。
为满足一次静力强度要求的压力容器壳体的强度计算方法，如球壳、圆筒、锥壳等可由简单的静力平衡条件导出，较为简便。
为满足二次应力安定性要求的压力容器强度分析，一般需由基于弹性板壳理论的分析方法导出，较前复杂。
而须计及峰值应力疲劳强度的计算，则往往须依赖有限元进行分析。不仅分析难度较大，计算成本也大为提高，但这是为确保压力容器的安全运行所必须的。至今国内外由于疲劳强度问题引起的压力容器的爆炸事故已不鲜见，故切不可等闲视之。
所谓压力容器的疲劳设计，实际上主要地就是指开孔部位的疲劳强度校核。因为压力容器上应力最高的部位，通常即在开孔接管附近。如该部位的疲劳强度能满足要求，则其它部位的疲劳强度一般也就不成问题了。
(4)峰值应力破坏问题
在此所谓的峰值应力是通过疲劳形式破坏的过程，是指材料在塑性状态下的失效行为。它并不适用于材料发生脆性断裂的情况。
当材料在发生脆性断裂时，无论一次应力，二次应力和峰值应力都是同样起破坏作用的。只要局部区域的应力总值达到某一数值，即可能形成裂纹，并不断扩展引起脆断。所以在有脆性破坏可能的情况下，即使不存在疲劳的可能，但对结构的峰值应力也要予以消除。为此对低温容器(在不存在疲劳操作的情况下)要采取消除峰值应力的措施：如对接管端部等结构突变处打磨圆角，防止焊缝咬边等。
同样对屈强比高的高强钢(σb>540MPa)和CrMo钢等对脆性较敏感的材料制造的容器也要求对接管端部等打磨圆角及限制焊缝咬边等。其目的都是为了避免峰值应力的存在，以降低结构的总应力水平，对防止材料脆断是很重要的。
此外，对存在应力腐蚀情况的容器。由于应力腐蚀主要与应力的大小相关：材料在高应力下会引起金属晶格的扭曲，降低电极电位，造成应力腐蚀。与应力的性质(一次、二次、峰值)关系不大，故从防止应力腐蚀的角度出发，也应尽量消除高应力(峰值应力)的存在，故对容器的高应力部位应进行打磨圆角等处理，以消除峰值应力，降低材料的总应力，提高设备的抗应力腐蚀的能力。
为全面降低容器结构中的高应力，防止脆断等的发生。容器上另一个必须消除的高应力源是焊接残余应力。焊缝残余应力是不可避免的，其应力水平很高，且焊接应力随板厚更甚，根据试验测定，这种应力水平可达到材料的屈服限。如此高的应力对存在脆断及应力腐蚀可能的容器是必须避免的。为此对低温容器和高屈强比的塑性并不很好的材料制造的容器及有应力腐蚀可能的容器，往往要求进行焊后消除应力的热处理。
但反过来，焊接残余应力，虽然可能很高，但它是焊接过程残留的，不会发生交变，其对容器的疲劳破坏来说；并不产生大的影响。材料疲劳破坏过程主要与交变应力的应力波动幅值有关。而残余应力并不波动，故对疲劳破坏不会有大的作用。为此对疲劳容器并无进行焊后消除应力的热处理要求。
可见同样对应力来说，它对脆性破坏的影响大于对塑性破坏的影响。在脆性破坏和应力腐蚀时，应力不分一次、二次和峰值，也不分是交变还是“恒定”，只要应力的总值达到一定值，就可能发生脆断，或应力腐蚀。应力对塑性破坏来说，则按应力的性质分为一次、二次、峰值，其破坏还与载荷的交变方式相关，不同加载方式有不同的破坏形式。对峰值应力来说，还必须是交变“频繁”时才起作用，为此对既非低温又无应力腐蚀且也不存在疲劳破坏可能的容器，对峰值应力并不计较，故也就不必要求打磨圆角等。
相比之下，在有脆断可能的情况下，对应力的限制更为严格，故制造要求 (如打磨圆角，不允许咬边和进行消除应力热处理)也相对较严。