【技术讨论】何为峰值应力，峰值应力对压力容器设计有何影响？

1. 峰值应力的概念

峰值应力：是指由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加在一次加二次应力上的应力增量。其特征是同时具有自限性（即局部屈服和小量塑性变形就可使变形连续条件得到部分或全部满足，从而塑性变形不再发展）和局部性，不会引起明显的塑性变形。典型例子：接管与壳体连接处相贯区的接管根部内表面处会产生较大的峰值应力(Path1.3根部红色 区域)。

2. 峰值应力对压力容器设计的影响

峰值应力对压力容器的影响主要有两方面：一是导致脆性断裂，二是导致疲劳破坏，因而对有脆性断裂倾向及在交变载荷作用下会产生疲劳工况的压力容器应通过有效手段降低峰值应力的大小。

    一. 当材料发生脆性断裂时，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，因为脆断取决于最大总应力，只要最大总应力达到一定的值，就可能形成裂纹，并不断扩展引起脆性断裂，而压力容器会产生脆断的情况主要有下述三种情况：

(1).低温设备—塑性韧性降低，硬度和脆性增加，会产生脆断；

(2).高强钢和CrMo钢等脆性敏感材料—此类材料碳含量较高，虽然强度和硬度比较高，但塑性降低因而脆性倾向比较大，容易产生脆断；

(3).应力腐蚀情况—应力腐蚀主要与应力的大小有关，材料在高应力下，会产生晶格扭曲，降低电极电位，进而引起应力腐蚀。

上述脆性断裂只与最大总应力值(= 一次应力+二次应力+峰值应力)的大小有关，而与应力性质（一次、二次或峰值）无关，因局部结构不连续处产生的峰值应力数量级比一次和二次应力均高很多，导致最大总应力值很大，因为对于处于上述三种工况的压力容器应严格控制峰值应力进而最大限制的降低最大总应力：

二.疲劳破坏的机理：在应力最大处或材料有缺陷的地方，当交变应力超过一定的限度，并经过一定的应力循环后，萌生很细微的裂纹（即裂纹源），随应力循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，经过长期运转后，构件有效承载面积逐渐减小，在减小到一定程度后，在偶然一次较大的载荷作用下突然发生脆性断裂。因而由疲劳破坏的机理不难看出，其最终的破坏形式也是脆性断裂，且也与其承受的最大交变总载荷有关，即最大交变总应力超过材料的疲劳极限时发生突然断裂。因而疲劳设备与低温设备一样，也应严格控制交变峰值应力的大小，以降低最大交变总应力。

(a) 脆性断裂显微镜形态

 (b) 疲劳破坏机理

3. 低温和疲劳设备设计注意事项

基于以上分析，对于低温设备和疲劳设备应采取有效措施降低最大总应力，因峰值应力在总应力中数量级比较大，一般最有效的方法就是降低峰值应力，但有些特殊情况下如一次应力或二次应力较大导致最大总应力超出限制的时候，则需要降低一次+二次应力进而控制最大总应力值：

(1).增加壳体和接管厚度降低一次应力，控制壳体与接管厚度比来降低二次应力，以达到降低一次+二次应力的目的；

(2).避免产生过大的温度梯度，以减少温度梯度过大导致的二次温差应力；

(3).结构应尽量简单，减少约束，减少因约束而产生的二次应力；

(4).尽量避免结构形状的突然变化，以减小局部应力集中；

(5).接管端部应打磨圆角，使圆滑过渡，以有效的降低峰值应力；

(6).控制焊缝质量，尤其不能出现咬边（咬边会导致母材承载面积减小，增大应力）；

(7).不应使用不连续的或点焊的焊接，以减小应力集中；

(8).避免两构件的直接相焊导致的局部高应力区，应通过垫板有效分散焊接高应力；

(9).通过焊后热处理降低焊接残余应力进而降低总应力。

4. 设计思考

(1).对于非低温非疲劳的一般压力容器，是否有必要在接管根部倒圆角？

    在压力容器设计过程中，一般都有一条技术要求“接管根部倒圆角R≥3mm”，对于低温和疲劳设备则要求“接管根部倒圆角R≥5mm”，从上面分析也不难看出，低温设备和疲劳设备倒圆角是必须的，能极大的降低峰值应力，进而降低最大总应力；但对于非低温非疲劳设备是否有必要在接管根部倒圆角呢？从理论上来说，对于非低温非疲劳设备，峰值应力不会导致设备强度破坏，而是一次应力和二次应力起决定作用的，倒圆角会降低峰值应力，但并不会降低一次或二次应力，所以笔者以为，对于一般压力容器，倒圆角和不倒圆角对设备强度保障效果是一样的，并不会因为倒圆角使得强度更好的得到保证，这一点也可以从ANSYS分析过程中得到验证，会发现倒圆角和不倒圆角的一次应力或一次+二次应力几乎相同，不同的只是峰值应力的大小，而对一般压力容器我们评定的只有一次应力和一次+二次应力，而并不考虑峰值应力，所以倒圆角和不倒圆角最后强度评定结果是一样的。

但 “接管根部倒圆角R≥3mm”的要求，还是存在一定的必要性的，从结构上来说，虽不能根本上控制强度问题，但能使结构趋于平缓降低最大总应力；另外，如需要采用分析设计进行强度校核的时候，倒圆角不会造成应力奇异，也可使应力云图不会因为应力值相差较大造成云图分布的不均匀性和美观性的欠缺。

(2).为什么对于低温设备需径向焊后热处理，而疲劳设备则不需要进行焊后热处理？

对于低温设备，进行焊后热处理当然是降低焊后残余应力，控制最大总应力值，防止产生脆性断裂；但对于疲劳设备焊后热处理不适用，因为焊后热处理主要是降低焊接焊接残余应力，而这种焊接残余应力并非是交变应力，不会引起疲劳破坏，这就是对于低温设备需要焊后热处理，而对于疲劳设备，则不需要进行焊后热处理消除焊接残余应力的原因。