淺析壓力容器結構設計的要求

【摘 要】壓力容器結構設計直接關系著壓力容器的安全使用，所以在進行壓力容器設計是，需要確保壓力容器設計的強度，對影響壓力容器安全的各種結構因素進行具體的分析，確保其結構的可靠性。本文對壓力容器結構設計的原則進行了分析，并進一步對壓力容器設計中的具體要求進行了闡述。

【關鍵詞】壓力容器；結構設計；原則；要求

1 壓力容器結構設計的原則

1.1 應力的均勻性。壓力容器在使用過程中需要承受較大的應力變化，所以在設計時需要確保其殼體結構的連續(xù)性，避免導致突變現(xiàn)象的發(fā)生，對于殼體結構實在沒辦法連續(xù)的地方，要采用平滑過渡的形式來確保其應力的均勻性。

1.2 應力集中或削弱強度的結構相互錯開。壓力容器設計時，當出現(xiàn)局部強度有所削弱的結構或是應力較為集中的地方，則需要將二者錯開來，避免發(fā)生應力又疊加的情況發(fā)生。

1.3 避免采用剛性過大的焊接結構。當焊接材料具有較大剛性時，其在焊接過程中由于發(fā)生膨脹和收縮時會產(chǎn)生較大的焊接應力，這樣就會約束殼體發(fā)生變形，而導致附加彎曲應力的產(chǎn)生，所以在設計時要避免采取剛性過大的焊接材料。

1.4 減少對受熱部件應力的束縛。當部件受熱后會導致熱膨脹的發(fā)生，這樣就會使其在內(nèi)部或是外部產(chǎn)生熱應力，對結構的安全性帶來較大的影響，所以在設計時需要盡可以的減少受熱部件自身所受到的約束，使其避免受到外部的約束，從而減少受熱部位應力的束縛。

1.5 為了保證水循環(huán)的良好性，需要對受熱面進行科學、合理的布置，確保其冷卻的可靠性。

1.6 對壓力容器結構的其他要求：壓力容器在運行時發(fā)生膨脹要按照設計的預定方向進行，而且在確保其受壓部件要具有較好的強度，而且在配備相應的安全保護擴。同時在設計時，要避免發(fā)生應力集中及復合應力的情況發(fā)生。爐膛內(nèi)要具有防爆措施，確保其具有良好的密封性。由于壓力容器在使用過程中需要進行清洗，所以在設計時要便于安裝、檢修和清洗地。在設計時還要確保承重結構的強度、剛度、穩(wěn)定性和防腐蝕性能夠達到設計載荷的要求。

2 壓力容器設計時的相關要求

2.1 對封頭及法蘭結構的要求

2.1.1 對封頭的要求

（1）橢球形封頭。由于橢球殼體環(huán)向應力為壓應力，為了使這部分殼體不至于失穩(wěn)，對于標準橢球形封頭，規(guī)定其有效厚度應不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，其他橢球形封頭的有效厚度應不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%。

（2）球形封頭。理論上球形封頭的壁厚為圓筒形的一半即可，但在實際工作中，往往所采用的厚度是一樣的，這樣可以更便于焊接的進行。但如果采用球形封頭，其成型較為困難，而且在焊接過程中會有較多的焊縫產(chǎn)生，所以在實際壓力容器設計中應用的較少。

（3）碟形封頭。由于碟形封頭的球面部分與過渡區(qū)、過渡區(qū)與直邊段的曲率半徑不同，造成結構不連續(xù)，會引起連接處的局部高應力，因此規(guī)定碟形封頭球面部分的半徑一般不大于筒體內(nèi)徑，通常取0.9倍的封頭內(nèi)直徑，而封頭轉(zhuǎn)角內(nèi)半徑應不小于簡體內(nèi)直徑的10%，且不得小于3倍封頭名義壁厚。

（4）錐形封頭。錐形封頭分為無折邊錐形封頭和帶折邊錐形封頭兩種。對于錐體大端，當錐殼半頂角a<30°時，可以來用無折邊結構；當a>30°時，應采用帶過渡段的折邊結構。大端折邊的過渡段轉(zhuǎn)角半徑應不小于封頭大端內(nèi)直徑的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。

（5）平蓋。平蓋封頭具有較差的受力情況，所以在設計時，受壓條件相同下，利用平蓋封頭則需要壁厚增加不少，但由于平蓋封頭結構及制作上都較為簡單，所以通常都會在壓力不高，而直徑也不大的容器中進行使用。同時在高壓容器中，由于利用凸型封頭制作難度較大，所以采用平板封頭的情況較多。

（6）凸形封頭的拼接。均多塊扇形板組拼的封頭必須具有中心圓板，中心圓板的直徑應不小于封頭直徑的1/2。

2.1.2 對法蘭的要求

壓力容器中由于泄漏而導致事故發(fā)生的情況較多，而法蘭如果密封不好，則極易導致泄漏的發(fā)生。由于法蘭是一種可拆卸的結構，所以在確保其連接處的緊密性，則需要對壓緊面形式的合理性進行選擇。通常較為常用的壓緊面有平面、凹凸面、槽面和梯形槽等。由于平面型壓緊面密封性較差，結構簡單，所以在壓力不高的容器中會采用，對于清洗和防腐都具有較大的便利。而在中壓及溫度較高的地方則會采用凹凸形壓緊面，由于此種壓緊面墊片適中，具有良好的密封性，而且在壓緊后墊后也不易被擠出；而利用槽形壓緊面是，往往是應用于用于易燃、易爆和有毒介質(zhì)的密封容器，雖然其密封性能非常好，但卻有一個弊端，想進行墊片的更換具有較大的難度。利用梯形糟壓緊面時，通常會需要與橢圓墊和八角墊相互配套使用，這種壓緊面使用時通常都是在結構壓力和溫度都呈現(xiàn)較高的時候才會采用。

2.2 對壓力容器用鋼材的要求

2.2.1 具有良好的力學性能

第一，制造、壓力容器的材料應具有適當?shù)膹姸龋ㄖ饕侵盖姸群涂估瓘姸龋?，以防止在承受壓力時發(fā)生塑性變形甚至斷裂。對于和中、高溫壓力容器，還應考慮材料的抗蠕變性能，測定材料的高溫性能指標，即蠕變極限和持久強度。

第二，制造、壓力容器的材料必須具有良好的塑性，以防止、壓力容器在使用過程中因意外超載而導致破壞。

第三，制造、壓力容器的材料應具有較高的韌性，使、壓力容器能承受運行過程中可能遇到的沖擊載荷的作用。特別是操作溫度或環(huán)境溫度較低的壓力容器，更應考慮材料的沖擊韌性值。

2.2.2 具有良好的工藝性能。由于、壓力容器的承壓部件，大都是用鋼板滾卷或沖壓成形的，所以要求材料有良好的冷塑性變形能力，在加工時容易成形且不會產(chǎn)生裂紋等缺陷。制造、壓力容器的材料應具有較好的可焊性，以保證材料在規(guī)定的焊接工藝條件下獲得質(zhì)量優(yōu)良的焊接接頭。材料具有適宜的熱處理性能，容易消除加工過程中產(chǎn)生的殘余應力，而且對焊后熱處理裂紋不敏感。

2.2.3 具有良好的耐腐蝕性能和抗氧化性能。設計壓力容器時，必須根據(jù)其使用條件，選擇適當?shù)哪透g材料。對于和高溫壓力容器，所選用的材料還應具有抗氧化性能。

2.3 對焊接的要求

壓力容器結構需要焊接的地方較多，但在焊接過程中必會存在著一定的應力，所以需要對焊接應力盡可能的進行消除，從而避免發(fā)生焊接缺陷。對于焊接應力的消除可以在焊接過程中采取各種技術措施，同時還要在焊接完成后進行一定的應力熱處理和合理的焊接規(guī)范，這樣在一定程度上可以提高焊縫的質(zhì)量。焊接應力及焊接變形不可能完全消除，而且在處理過程中如果采用的措施不科學，則還會導致新問題的發(fā)生，所以在焊接過程中需要從焊接材料、方法和工藝等多方面采取必要的措施，在結構設計時，盡量應用最合理的焊接結構，從而確保焊接的質(zhì)量。

3 結束語

壓力容器的安全性與其結構設計的合理性息息相關，所以需要在壓力容器設計時要給予足夠的重視，確保壓力容器運行的平穩(wěn)性和可靠性。

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[責任編輯：曹明明]