民用空调制冷体系构建的器械硬度预设规律

2一次应力

2.1薄膜应力

承压部件的应力由多种应力叠加而成，但是，某些类型部件或者在部件中某些区域承受的弯矩、扭矩、横剪力都比较小，以致可以忽略不计，就把仅由作用在壳体中面的切平面内的法向力和剪力表征的应力状态称为无矩应力状态，又称为薄膜应力状态。

压力容器设计规范中规定当容器外径与内径之比≤1.2时，属于薄壁容器，可以认为薄壁容器的器壁上，应力沿壁厚是均匀分布的，本文讨论的对象基本上属于这类部件。

薄壁容器筒体的纵向应力为：

环向应力：

式中σm――纵向应力，MPa；σθ――环向应力，MPa；P――工作压力，MPa；Dm――中面直径，或称平均直径，mm；δ――壁厚，mm.

薄壁圆筒状承压部件的爆破试验结果表明，筒体上均出现纵向裂缝，所以，现行压力容器设计标准中，普遍把以上环向应力的计算方法作为薄壁圆筒状容器应力考核的依据，尽管有时会因为直径的计算基准不同，或者需要考虑到温度、焊缝的影响而进行一些修正，使具体的表达形式有一些差异。

2.2应力分析

一次应力就是指第一位的、首要的应力，它是平衡压力与机械载荷所必须的应力，包括法向应力与剪应力。一次应力是维持结构各部分平衡直接需要的，无此应力结构就会发生破坏，它对容器失效影响最大。一次应力超过材料屈服极限时，将会引起过量的总体塑性变形而造成结构破坏，一次应力没有自限性。

一次应力又细分为一次薄膜总体应力、一次弯曲应力和一次局部薄膜应力。

①一次总体薄膜应力。影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力。在塑性流动过程之中，一次总体薄膜应力不会发生重新分布，将直接导致结构破坏，因此，可以说它对容器的危险性最大。例如，壳体在承受内压时的环向与轴向的薄膜应力，就属于一次总体薄膜应力。

②一次弯曲应力。平衡压力或其他机械载荷所需的沿厚度均匀分布的应力。当进入屈服以后，一次弯曲应力可以发生应力重新分布，致使某些构件的承载能力可以提高。

③一次局部薄膜应力。应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。局部区域是指经线方向延伸距离不大于（R―筒体外径，δ―筒体的壁厚）的区域。

二次应力是为了满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所必须的应力。二次应力不是为满足平衡外载荷所必须的，是由于变形协调的需要而产生的一个自平衡力系。二次应力可以看作是为满足变形连续要求的附加应力。二次应力的主要特征是具有自限性。

自限性取决于该应力对平衡外部机械载荷所引起的作用。在一次应力控制在弹性范围内，弹性变形所引起的不连续性是比较小的，如果二次应力超过屈服以后，产生了局部塑性变形。一旦这种变形弥补了一次应力引起的弹性变形不连续性，变形协调要求得到满足，塑性变形就会自动停止，不再发展。在一次加载的情况下，破坏过程就不会继续下去。弹性失效准则把发生塑性变型作为失效的依据，是以一次应力产生的效应，若仅有二次应力导致的局部塑性变形，而且具有自限特性，而承压部件的其余区域仍然处于弹性变形状态，则仍然应判断该部件处于弹性变形状态。

峰值应力是由局部结构不连续或局部热影响所引起的附加于一次应力与二次应力之上的增量。峰值应力的特征是局部性与自限性，它不引起任何显著变形。峰值应力仅对低周疲劳或脆断的失效模式起作用，而对其他失效模式不起作用。

2.3结构设计基本准则

筒体结构尽量采用小直径，如果可能应避免出现纵向焊缝；封头结构尽量采用球型或标准椭圆型（a＝2b）结构，应尽量避免采用锥型封头尤其是平封头；对于小尺寸的部件，推荐采用与筒体一体成型的标准椭圆型封头结构。关于承压部件结构的细部处理，可参考本文所列的参考资料等，在此不作进一步讨论。

至于承压部件的材料，必须符合相关技术规范的规定。由于制冷系统承压部件的应用特点，相关的设计规范可能会对部分材料的应用范围提出较为严格的限制，例如，JB／T4750规定，Q235－B和Q235－C仅限用于设计温度大于等于0℃的部件；至于工作压力范围，用于制作壳体时，Q235－B仅限用于设计压力小于等于1.6MPa的部件，而Q235－C仅限用于设计压力小于等于2.5MPa的部件。而且，结构材料必须与相应的制冷剂以及配套的润滑油等物质有良好的相容性。

3局部应力

3.1边缘应力

3.1.1边缘效应的概念

典型的承压部件是由圆柱壳（筒体）和端部封头（椭圆封头、球形封头、平封头）连接而成，正常使用时不允许在连接处或截面形状有变化的地方出现变形异常，如凸起、凹陷或开裂等变形不连续的情况。以筒体和标准椭圆封头或球形封头相联接为例，按理论计算，在端部边缘处它们的薄膜位移值均不相同，因此，在连接处会出现位移值的不连续情况。但是，实际上相应部位并没有出现变形异常情况，原因是在工作压力下除了整体的薄膜应力作用外，在边缘处还有其它的应力存在，使得筒体与封头连接处的变形连续条件得以满足。这种应力就叫做“边缘应力”，这种应力对筒体或封头的影响称为边缘效应。边缘效应具有很强的局部性质。边缘效应不仅存在于筒体与封头的连接区，而且筒体或封头开孔接管区，承压部件的支座区等都有这种效应存在。总之，凡是不同几何形状的壳体与其它部件连在一起时，都会产生边缘应力。

边缘应力具有以下特点：

①与薄膜应力是为了平衡载荷不同，边缘应力是为了满足容器各部分之间的变形协调而产生的，边缘应力因而具有“自限性”，即材料的部分屈服和小量变形便可以使变形协调要求得以满足。

②边缘应力具有局部性，边缘应力状态具有急剧衰减特征，影响范围与是同一数量级的。而薄膜应力则遍布于整个承压部件。

③选用半球形封头与标准椭圆封头时，在筒体上所产生的边缘应力比薄膜应力并不高很多；但是，在开孔接管处与支座附近就可能会出现比较高的边缘应力。

3.2.2边缘效应区的强度设计

在结构不连续区，尽量采用整体过渡结构形式，同时，避免边缘效应区上布置导致应力集中的结构要素。焊缝之间应有合理的间距，以尽可能减少焊接热效应与边缘效应区重叠的机会。在距结构不连续处的区域，边缘效应形成的局部应力已经衰减至5％左右。

3.2应力集中

3.2.1应力集中概念

在受力结构中，有时截面尺寸会有急剧的改变，在截面突变附近的局部小范围内，应力数值会急剧增加，而离开这个区域稍远，应力则大为降低，趋于均匀，这种现象称为“应力集中”。应力集中出现的根本原因是，由于孔的存在，孔边缘附近的应力状态与无孔时的应力状态相比发生了较大变化。

孔边应力集中是局部现象，应力集中程度越高，局部性越强，即局部应力随着离孔的距离增大而很快区趋于无孔时的应力。带小孔的平板受到拉伸时，靠近孔边缘的小范围应力很大，而离孔边缘稍远处的应力便衰减下来并趋于均匀。对于塑性材料，由于小孔边缘处的应力急剧增大，可能会出现屈服现象引起塑性变形，应力集中因而得到缓和，应力状况得到改善。

一些资料称，孔边的应力集中是因为截面减小了，所以造成了应力增加，这种说法是不正确的。因为即使截面比无孔时只减小百分之几或更少，也会出现应力集中，而且应力集中的高低与开孔大小没关系。

3.2.2开孔准则

在承压部件上开孔的强度设计中，应考虑由于圆筒上开孔应力集中系数大于在球壳上开孔的应力集中系数，因此，开孔时应尽量避免在筒体上开孔，而应在球形封头上开孔，或在凸形封头球冠区开孔。对于小尺寸部件，推荐采用整体式翻边开孔补强结构。

应力集中程度与开孔的形状有关，圆孔应力集中程度最低，其次是椭圆孔，如果不能开圆孔可以开椭圆孔。若在圆筒形容器上开设椭圆孔时，应当令其长轴垂直于筒体轴线。

4环境影响

4.1应力腐蚀

4.1.1应力腐蚀概念

应力腐蚀开裂是指金属材料在固定拉伸应力和特定介质的共同作用下引起的破裂。当金属和合金处在特定环境中，同时承受一定的应力，就有可能产生应力腐蚀开裂。超过某一极限值的应力是发生应力腐蚀开裂的必要条件之一。在应力腐蚀系统中，应力主要来源于三个方面：

①部件在制造过程中，尤其是在焊接过程中产生的热应力、形变应力等残余应力；②运行过程中承受的外应力和系统内部压力形成的应力载荷等；③由于腐蚀产物的体积效应而产生的不均匀应力。

这三类应力叠加构成了应力腐蚀开裂过程的推动力。

在许多情况下，仅残余应力就足以产生应力腐蚀。焊接接头往往是钢制构件最易遭受破坏的薄弱部位，尤其是在各种应力作用下，应力腐蚀开裂往往发生在焊接接头的熔合线或热影响区。

在焊缝金属和近焊缝热影响区内均具有拉伸焊接残余应力，且沿焊缝方向的纵向残余应力均远大于垂直于焊缝方向的横向残余应力，当残余应力达到一定水平时，焊接接头在腐蚀介质中将发生应力腐蚀，最终导致破损。

4.1.2降低应力腐蚀的措施

产生应力腐蚀的有效应力是拉伸应力，因此，切实有效地降低或消除应力是预防和减轻应力腐蚀开裂的最直接有效途径。降低或消除应力可以采取以下措施：

①改进结构设计，避免或减少局部应力集中；②采取热处理退火(退火炉全电玻璃制品的介绍)等工艺消除应力。

控制和消除焊接过程中的应力和应变，在焊接过程中，采用预热法降低温差、平衡冷却速度，同时结合其它合理的焊接规范可以有效减少焊接应力。但是，在焊接过程中进行应力控制，有时还不能达到更严格的控制焊接残余应力要求，必须采用焊接后热和焊后热处理来进一步降低残余应力。焊接后热可以使焊接残余应力得以少部分地松弛，但是，效果不一定满足要求，所以，对于钢制承压部件，工程上常推荐使用200～300℃保温0.5～1.0小时的后热工艺，或选择550℃作为温度下限的焊后热处理工艺。

避免采用以16MnR为代表的高强度钢材，是降低应力腐蚀的另一项有效措施，这类材料制作的承压部件通常残余应力较大，而且应力腐蚀敏感性高，此外，焊接加工的工艺条件要求比较高，导致制造成本较高。而一般的家用空调制冷机组生产企业，具备高水平的高强钢材焊接加工能力有一定困难，建议采用钢铁材料的承压部件，仅限于选用以Q235为代表的低强度碳素结构钢，由于焊接工艺水平要求较低，易于保证产品质量。若需要了解进一步情况，可参考本文所列的参考资料等。

金属部件在化学清洗过程中，有可能在微观金相组织的间隙中残留含有氢离子的物质，随着时间推移，这些物质与金属材料发生化学反应生成的氢气残留在微间隙中，逐步使间隙扩大，削弱这些部件的机械强度，严重的将形成宏观裂纹，由此导致结构件破裂就是裂纹发展到贯穿的程度。所以，应尽量避免采用酸洗或其它可能对材料结构造成潜在损害的工艺，若无法避免，应采取能够有效消除这些不良后果的措施，例如，利用真空脱氢工艺对相应的零部件进行处理。此外，加入缓蚀剂是防止化学清洗过程导致氢脆的一种有效措施，由于加入的缓蚀剂可以减小基体金属的腐蚀速度和氢离子还原速度，因而吸收的氢就会减少。

4.2低温脆断

GB9237规定在无论是在停机还是运行状态，只要零部件承受的温度超出－10～50℃范围，都要经过验证，以确保材料的温度性能满足要求。在寒冷区域安装的空调制冷系统即使在冬季停机时，较低的气温可能导致未经过验证的制冷系统中部分零部件发生低温脆断而损坏；而近年随着热泵供暖技术的发展，热泵系统运行的室外温度一再降低，一些机组的设计运行温度已经低至－15～－25℃。显然，低温强度是这类空调制冷系统强度设计必须认真考虑的问题。

根据家用空调制冷系统的运行特点，通常采用使承压部件满足低温低应力条件的方式解决低温脆断问题。蒸汽压缩式制冷系统使用的制冷剂，在温度降低时其饱和蒸汽压力随之降低，从而具有形成低温低应力状态的基础。所以，承压部件虽处于低温环境，但是由于系统内制冷剂压力随温度的降低而下降，使得应力低于某个量值时，断裂推动力过小而导致不可能发生脆断。也就是说处于低温低应力状态的部件，可以不按低温承压部件对待，不必使用压力容器用低温用钢，其设计温度可取为实际使用温度与50℃的代数和。本文把低温低应力状态下，实际使用温度与50℃的代数和称为等效设计温度。JB／T4750把同时满足使用温度下的一次总体薄膜应力小于或等于材料常温屈服点的1／6，且小于或等于50MPa，作为低温低应力状态的考核依据。由于篇幅所限，有关低温强度设计要求的问题，可参考本文所列的参考资料等，在此不作进一步讨论。

5疲劳强度

5.1疲劳强度分析

构件在长时间承受交变载荷作用后，虽然应力远低于材料的强度极限，但构件会突然发生破坏。破坏的开始常常带有纯粹的局部性，由于结构的、工艺的或金相组织的因素在构件上出现了高应力区域，在此会首先出现微裂纹，裂纹尖端的高度应力集中，促使裂纹逐渐扩展，构件截面不断削弱。又因为裂纹尖端材料处于三维应力状态，不像单向应力状态那样容易出现塑性变形，所以，当裂纹扩展到一定程度时，在偶然的超载瞬间，构件就在削弱的截面发生突然的断裂，导致承压部件失效。

试验证明，在同一循环特性下，应力循环中的应力越大，试件在破坏前经历的循环次数越少；反之，应力循环中的最大应力值越小，破坏前经历的循环次数越多。当最大应力减小到某一临界值以后，试件就可以经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏，这个临界值就称为疲劳极限。

5.2应力集中的影响

承压部件中总是存在着局部不连续与总体结构不连续的地方，如开孔、接管、补强、壁厚的变化，以及焊接时的咬边、未焊透等都会导致局部区域的应力增高。在静载荷作用下，局部区域的高应力直接影响该区域的强度。对于塑性材料，由于局部高应力的存在会使局部区域率先进入屈服，导致应力重新分布，因此，应力集中对结构强度带来的影响不像脆性材料表现的那么直接与明显。在交变载荷的情况下，应力集中会导致疲劳强度的降低。对于塑性材料，由于高应力区出现塑性变形，应力集中对疲劳强度产生的影响不同于弹性状态。因此，引入“疲劳强度减弱系数Kf”来衡量疲劳强度的降低程度。定义为：在承压部件及其附件上经常采用各种角焊缝，如插入式接管周围，一些非整体部件的连接处等，都有较高的应力集中现象。美国ASME规范和我国标准都规定其疲劳强度减弱系数为4.0.

5.3提高疲劳强度的措施

①降低应力集中

应力集中造成局部区域的高应力，其峰值应力成为裂纹萌生与扩展的根源，因此，可从设计与制造两个方面采取措施。在设计方面，要适当加大峰值应力部位的截面尺寸，加大圆角半径，改善外载荷的分布状态，例如，减小连接管路系统的作用力。在制造上要注意提高焊缝质量，有些疲劳裂纹多发生在焊缝附近，焊缝应尽量避开应力集中部位；加工中要注意减小成型偏差，消除局部结构不连续；注意表面质量，提高表面光洁度，避免划伤与刮痕。承压部件的焊缝通常都要求进行打磨，使焊缝表面光滑，而且与基体连接流畅，主要就是为了降低焊接连接处的应力集中程度。

②消除残余应力的热处理

在圆筒和封头的成形加工中，往往会在器壁内表面产生拉伸残余应力，在对接的焊件中，在焊缝熔合区也会引起拉伸残余应力，而在这些拉伸残余应力区，也往往是介质压力引起最大拉伸应力的区域，会影响结构的疲劳寿命。热处理的目的就是消除或降低这些残余应力，避免焊接结构出现裂纹。

6安全系数

6.1本质压力安全措施

作为机械产品的安全设计的基本技术原则，第一，按照实现产品具备本质安全特性的要求进行设计，利用产品自身所具备的安全特性防止危险产生，尽可能消除或减少风险；第二，对不能消除的某些风险采取必要的防护措施。利用产品本质安全特性满足安全要求的方法，有时也称为直接安全技术。

GB9237对制冷机械的本质压力安全措施定义为，通过限制系统内部单位容积的制冷剂注入量，实现无需配置保护装置，就能确保所有部件所承受的制冷剂压力，在最高温度条件下不超过最高工作压力。本质压力安全特性的基础，是制冷系统在制冷剂不超过一定量时，在一定温度范围内系统压力将低于所处温度对应的制冷剂饱和温度，而且具有相对稳定的特性。

本质压力安全是小型制冷系统安全设计的重要技术措施。如果有效限制系统内部单位容积的制冷剂注入量，在许多非正常工作的状态下，压力可以被限制在一定水平，通过合理地配置系统，大多数情况下就可以把压力限制在规定的范围。在此前提下，一些压力保护装置，例如，压力开关、减压阀、安全阀、易熔塞等等就可以省去。压力安全装置本身也存在可靠性问题，虽然省去一些压力安全装置，但是，通过提高系统固有的内在安全性，系统的安全性并没有降低。在A1类制冷剂注入量小于等于10kg的家用空调制冷系统中，仅采用本质压力安全措施作为系统安全手段的情况比较常见。有关家用空调制冷系统的本质压力安全设计要求和安全防护措施要求，可参考本文所列的参考资料等。

6.2安全系数的规定

基于弹性失效准则，GB9237第5.1.1.1.1条规定，作为考核部件屈服强度的试验压力，以最高工作压力的1.25倍，考核采用轧制或拉伸工艺生产的材料制作的承压部件；以最高工作压力的1.5倍，考核采用铸造工艺生产的材料制作的承压部件；气密性试验压力不高于最高工作压力。

基于爆破失效准则，GB9237第5.1.1.1.2条规定，考核部件爆破强度的试验压力，为最高工作压力的3倍。结合SB／T10345.

2－2001《制冷系统和热泵－安全和环境要求第2部分：设计、建造、试验、标记与文件编制》第5.4.2.4条的规定，对本质压力安全特性认定的依据之一，就是系统的最高工作压力不超过爆破压力的1／3.因此，对本质压力安全系统的强度考核，应以最高工作压力的3倍作为爆破强度试验压力，而且，要求承压部件应能够同时通过屈服强度试验和爆破强度试验两个项目考核。

应该指出，并非所有制冷系统的承压部件都要满足的强度要求。JB／T4750对制冷装置用压力容器按1.25倍的设计压力进行屈服强度考核，通常不需要考核爆破强度。JB／T4750第3.8条规定，承压部件的结构材料若采用碳素钢、低合金钢，抗拉强度安全系数为3.0；若采用铜或铝及其合金，抗拉强度安全系数为4.0.显然，稳定通过3倍的最高工作压力作为强度考核，抗拉强度的安全系数必须大于3.0.作为前提，GB9237第5.7.2.2条规定的确定最高工作压力方法，实际上提高了对系统承压能力的要求。因此，如果不是以本质压力安全作为基本的安全措施，就不必按较高的最高工作压力作为强度计算基础，也就不必以3倍的最高工作压力作为爆破强度试验要求。

6.3影响安全系数的因素

安全系数较大，就意味着承压部件的制造成本相应较高，这是以本质压力安全作为基本安全措施的代价，以此换取的得益就是系统压力保护装置的配置能够得到简化，使这部分的设置成本降低甚至全部省去，同时，由于整体可靠性的提高而促进系统安全性随之提高。在制冷量小于等于50kW的小型系统中，由于承压部件尺寸较小，通常壁厚较薄，有时从工艺性或抗机械损伤的角度，需要适当增加壁厚，所以，小尺寸的承压部件具有较大的抗拉强度安全系数可能是其它因素导致，并非为满足本质压力安全要求而付出的代价，在这种情况下，采用本质压力安全方案仅是充分利用承压部件的设计裕度，技术经济代价较小，这就是小型系统采用本质压力安全措施的优势之一。

即使没有本质压力安全的要求，适当提高安全系数对于解决某些强度问题而言仍然是合理的。在低温强度设计过程中，较高的安全系数可以有效降低一次总体薄膜应力水平，为满足低温低应力要求创造条件，有时是一项具有良好技术经济性的措施。至于疲劳强度设计，常常要求承压部件具有较低的一次总体薄膜应力水平，也是通过提高安全系数实现的。

不过，以上的强度要求，不适用于一些由专项标准或专门条文规定的承压部件。例如，空调制冷压缩机的外壳承压能力，按相应的安全标准规定，处于高压侧的压缩机外壳爆破强度，为制冷剂在70℃时饱和压力的3.5倍；若仅处于低压侧的压缩机外壳爆破强度，为制冷剂在20℃时饱和压力的5倍。对于使用R22的系统而言，高压侧爆破压力为10.5MPa；低压侧爆破压力为4.

0MPa.又如，GB9237第5.4.6条规定，公称内径小于150mm的截止阀壳体，应能够承受系统高压侧最高工作压力5倍的爆破强度试验。因此，对于使用R22的系统而言，类似分体式机组上使用的截止阀，其壳体的爆破强度大于等于12.5MPa.

7强度设计准则

空调制冷系统承压部件强度设计的基本准则归纳如下：

①材料选用

承压部件的材料必须符合相关应用规范的要求，尤其注意对部分材料在设计温度以及工作压力范围方面的限制，而且，必须与相应的制冷剂以及配套的润滑油等物质有良好的相容性。关于钢结构材料的选用，材料的韧性比强度更为重要，原则上，仅限选用低强度碳素结构钢，避免采用类似16MnR的高强度材料。

②结构设计

筒体结构尽量采用小直径，如果可能应避免出现纵向焊缝；封头结构尽量采用球型或标准椭圆型结构，应尽量避免采用锥型封头尤其是平封头；对于小尺寸的部件，推荐采用与筒体一体成型的标准椭圆型封头结构。

③边缘效应区

在结构不连续区，尽量采用整体过渡结构形式，同时，避免边缘效应区上布置导致应力集中的结构要素。焊缝之间应有合理的间距，以尽可能减少焊接热效应区与边缘效应区重叠的机会。

④开孔结构

在承压部件上开孔的强度设计中，应考虑由于圆筒上开孔应力集中系数大于在球壳上开孔的应力集中系数，因此，开孔时应尽量避免在筒体上开孔，宜在球形封头上开孔，或在凸形封头球冠区开孔。对于小尺寸构件，推荐采用整体式翻边开孔补强结构。

开孔的形状应优先考虑圆孔，其次是椭圆孔，若在圆筒形部件上开椭圆孔时，其长轴应垂直于筒体轴线。

⑤减轻应力腐蚀

有效降低或消除局部应力是减轻应力腐蚀的最有效途径，可以采取以下措施：

a.改进结构设计，避免或减少局部应力集中；b.尽量减少化学清洗过程中，残留在金属表面的氢离子；c.采取热处理退火等工艺消除应力。

⑥低温低应力防止承压部件发生低温脆断的措施，应优先采用满足低温低应力条件的方案。

⑦降低应力集中

结构设计应适当加大峰值应力部位的截面尺寸，加大圆角半径，改善外载荷的分布状态。在制造上，焊缝应尽量避开应力集中部位；加工中应减小成型偏差，消除局部结构不连续；改善表面质量，提高表面光洁度，避免划伤与刮痕。

⑧安全系数

采用轧制或拉伸工艺生产的材料制作的部件，屈服强度安全系数大于等于1.25；采用铸造工艺生产的材料制作的部件，屈服强度安全系数大于等于1.5.安装在仅采用本质压力安全措施系统中的承压部件，结构材料若采用碳素钢、低合金钢，抗拉强度安全系数大于等于3.0；若采用铜或铝及其合金，抗拉强度安全系数大于等于4.0.

8结语

承压部件的强度设计以控制一次总体薄膜应力水平作为基本要求；边缘应力和应力集中这类局部应力问题，应通过合理的局部结构处理措施将其影响限制在合理的范围；应用环境因素产生的应力腐蚀和低温脆断，是强度设计中必须重视的问题，合理的技术措施是解决环境影响的关键；减少应力集中的影响是强度设计中提高部件疲劳强度的基本途径；合理的结构设计和合理的安全系数构成承压部件强度设计的基本要求。