壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

李新偉

摘要：當(dāng)前隨著我國工業(yè)化發(fā)展及工業(yè)化水平的不斷提高，一些工業(yè)生產(chǎn)中常用到的設(shè)備具有了更加廣闊的市場，壓力容器就是其中之一。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，壓力容器指的是那些具有承壓的設(shè)備，其主要是由筒體、支座、法蘭、密封元件、開孔、封頭以及接管等零部件組成的。壓力容器的應(yīng)用范圍也十分廣泛，不僅僅在化工領(lǐng)域，在能源領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、機械制造領(lǐng)域等中，其都有著十分重要的應(yīng)用。同時壓力容器也是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)件，所以其對焊接的要求很高，尤其要保證焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

關(guān)鍵詞：壓力容器；焊接；結(jié)構(gòu)設(shè)計

焊接是制造壓力容器的重要工藝，焊接質(zhì)量在很大程度上決定了壓力容器的制造質(zhì)量及使用安全性。壓力容器需全面地、正確地考慮并應(yīng)用焊接技術(shù)要求，規(guī)定正確、合理、可靠、可行的焊接技術(shù)條件，從設(shè)計源頭保證壓力容器的質(zhì)量和本質(zhì)安全。

一、壓力容器的焊接接頭結(jié)構(gòu)

常見的壓力容器的焊接接頭結(jié)構(gòu)有3類，一類是搭接接頭，一類是角接接頭，還有一類是對接接頭。其中搭接接頭屬于角焊縫，其是由兩個零件相互連接，中面平行而接頭處有部分重合，且接頭處結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，接頭部位的受力較差；這種接頭常出現(xiàn)在壓力容器與凸緣的焊接、殼體與加強圈間的焊接以及支座墊板間的焊接當(dāng)中。角接接頭是由兩個零件相互連接，中面相交成一定角度，其接頭一般會形成角焊縫，且接頭處結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，接頭部位的受力較差，存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象；這種接頭常出現(xiàn)在凸緣與管板間的焊接、法蘭的焊接、夾套的焊接以及接管的焊接等當(dāng)中。對接接頭是由兩個零件相互連接，中面處于同一個弧面或平面，其優(yōu)點在于受力對稱、受熱均勻、無損檢測方便，所以在質(zhì)量上更加容易得到保障。

二、壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一） 應(yīng)力分析

壓力容器的殼體壁較薄，殼體及底部的主要構(gòu)成是二維面積承載件，其可以承受均勻分布的平面載荷。壓力容器主要承受的是內(nèi)壓靜載，對于每個環(huán)形單元來說，其環(huán)向合力與切向應(yīng)力都是相等的，可以通過列內(nèi)力與外力平衡方程來計算壓力容器殼體各處切向應(yīng)力σt：2σyΔlt=PeDiΔlσy=DiPe/2t由力學(xué)平衡條件可知，軸向合力與縱向力相等，可以通過列內(nèi)力與外力平衡方程來計算壓力容器殼體各處縱向應(yīng)力σl：σlπDit≈PeDi2π/4σl≈DiPe/4tσt為σl的兩倍，若壓力容器的周、縱兩向焊縫的厚度一樣，那么在處于破裂壓力時，容器殼體會沿縱向裂開。再者，在殼體內(nèi)表面上的內(nèi)部靜壓力還會產(chǎn)生向壓力Pe，其是逐漸向外減少的，至外表面時為0，可計算出平均徑向應(yīng)力σr：σr=-Pe/2另外在承受內(nèi)部靜壓的同時，壓力容器還會承受焊接內(nèi)應(yīng)力。在容器壁上，材料的變形性能會因兩向拉應(yīng)力狀態(tài)而大大降低，達到極限時可能引起脆性斷裂。

（二）材料選擇

在壓力容器的材料選擇時，需要充分考慮到設(shè)計壓力、溫度、焊接性能以及介質(zhì)特性等。GB150.2材料的設(shè)計壓力應(yīng)≥35MPa，溫度應(yīng)≥-253℃。碳素鋼和低合金鋼鋼板材料在選擇時也可參照GB150.2標(biāo)準(zhǔn)。

（三） 縱向及周向焊縫設(shè)計

壓力容器的縱向及周向焊縫在設(shè)計之時，一者首先要遵循焊接的基本規(guī)范及工藝，二者還要注意正確選擇焊接接頭形式，盡量避免采用角焊縫形式，最好是應(yīng)用對接焊縫形式。再者為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最好要將多個縱向焊縫錯開。

（四）門環(huán)形凸底壁厚計算

對于圓柱形壓力容器且凸底無開口的，理論上可以通過半球形底來最大化地利用其材料性能，從而使殼體只承受壓力而不會發(fā)生彎曲。但在實際上，由于半球形通常較高，不方便養(yǎng)護，因此一般常應(yīng)用門環(huán)形凸底。門環(huán)形凸底是由半球和具有圓柱形邊緣的曲面組成的，其會引起應(yīng)力變向，當(dāng)壁厚不足時，區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生皺褶。根據(jù)門環(huán)形凸底計算系數(shù)（一般取10mm）可計算出門環(huán)形凸底壁厚。

（五）凸底與殼體不等厚截面的焊縫設(shè)計

假設(shè)壓力容器的殼體設(shè)計厚度為k，環(huán)形凸底的設(shè)計壁厚為r，k與r差別較大，則除要選擇對接焊縫外，還要選擇圓弧或斜坡過渡的接頭形式。

（六）壁上開口處補強

在壓力容器的設(shè)計中，一般殼體、底部都會開設(shè)一些開口并連接上接管，其主要目的是為了方便安裝維修及操作。但這些開口會在一定程度上降低容器的強度，并且還會產(chǎn)生一些局部的外載荷，而其峰值應(yīng)力和許用應(yīng)力若與焊接應(yīng)力相迭加，則可能會造成壓力容器的破壞，所以要進行補強。補強方式一般有兩種，一種是在接管處再焊接一個圓環(huán)板，另一種是在開口接管處再焊接一個補強管。

三、結(jié)論

綜上所述，隨著壓力容器應(yīng)用范圍的不斷擴大，對壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接影響著整個壓力容器的質(zhì)量及安全性，所以必須要得到重視。只有做好壓力容器的焊接工作，才能夠切實保障其質(zhì)量。