壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

壓力容器是典型的焊接結(jié)構(gòu)件，合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及良好的焊接質(zhì)量，是保證壓力容器安全使用的兩個(gè)重要因素。本文主要從壓力容器應(yīng)力分析、材料選擇、壁厚設(shè)計(jì)、開口補(bǔ)強(qiáng)、焊縫設(shè)計(jì)等問題討論其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題[1]。

1.門環(huán)形無開口凸底；2.殼體；3.帶接管的門環(huán)形凸底；4.開口補(bǔ)強(qiáng)環(huán)；5.接管；6.周向焊縫；7.縱向焊縫。圖1 壓力容器的基本結(jié)構(gòu)

最常見的鋼制圓柱形壓力容器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩底封閉的薄壁空心圓柱體，殼體和底部主要采用對接焊縫連接。它必須能夠承受由工作壓力、自重和熱應(yīng)力所產(chǎn)生的載荷且要絕對密封。其縱向和周向焊縫不用像鋼結(jié)構(gòu)一樣作為特別的連接來計(jì)算，而是根據(jù)焊縫考慮許用計(jì)算應(yīng)力利用程度的系數(shù)[2]。

要設(shè)計(jì)一個(gè)工作壓力1.5 MPa，工作溫度為常溫，容積為2600 L的圓柱形焊接壓力容器，需要對其進(jìn)行應(yīng)力分析，選擇其材料，計(jì)算各處所需壁厚并進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)。

1 應(yīng)力分析

壓力容器屬于薄壁殼體類零件，其殼體和底部是由二維面積承載件構(gòu)成，像薄膜一樣承受由工作壓力所產(chǎn)生的均勻分布的平面載荷。

如圖2(a)所示，主要受內(nèi)壓靜載的壓力容器，對于每一個(gè)環(huán)形單元體，根據(jù)力學(xué)平衡條件由內(nèi)壓力產(chǎn)生的環(huán)向合力與殼體縱向截面上的切向應(yīng)力相等，列內(nèi)力和外力的平衡方程可以求得圖所示的壓力容器殼體每一處的切向應(yīng)力σt。

2σtΔlt=PeDiΔl

σt=DiPe/2t

如圖2(b)所示，根據(jù)力學(xué)平衡條件，內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向合力與殼體橫截面上的縱向力相等，列內(nèi)力和外力的平衡方程可以求得圖所示的壓力容器殼體每一處的縱向應(yīng)力σ1。

σ1≈DiPe/4t

縱向焊縫的切應(yīng)力σt為周向焊縫的縱向應(yīng)力σ1的兩倍，如果壓力容器的周向焊縫和縱向焊縫厚度相同，當(dāng)達(dá)到破裂壓力時(shí)，圓柱形容器殼體總是沿縱向裂開。

圖2 壓力容器殼體應(yīng)力

如圖2(c)所示，內(nèi)部靜壓力在殼體內(nèi)表面上還產(chǎn)生一個(gè)徑向壓力Pe，它向外逐漸減少，到達(dá)殼體外表面時(shí)等于0，可取平均徑向應(yīng)力σr=-Pe/2[3]。

壓力容器承受內(nèi)部靜壓的同時(shí)還承受焊接內(nèi)應(yīng)力，容器壁上為兩向拉應(yīng)力狀態(tài)，材料的變形性能會(huì)大幅降低，在極限情況下，會(huì)導(dǎo)致無變性的脆性斷裂，根據(jù)材料力學(xué)第三強(qiáng)度理論最大切應(yīng)力強(qiáng)度理論，當(dāng)量應(yīng)力為最大和最小主應(yīng)力之差：

σv=σmax-σmin

=σt-σr

σzu1—零件的許用應(yīng)力。

2 材料的選取

壓力容器用鋼板材料的選取是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壁厚計(jì)算前要完成的關(guān)鍵工作，材料選取要綜合考慮設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)特性、焊接性能等。

GB150.2材料選用標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計(jì)溫度不低于-253℃，設(shè)計(jì)壓力不低于35MPa的壓力容器，在該標(biāo)準(zhǔn)中，壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鋼板引用了GB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板，其中常用的鋼板有Q245R(舊牌號20g)、Q345R(舊牌號16Mng)、Q370R(舊牌號15MnMoNbR)、12CrMoVR(舊牌號12Cr1MoVg)等。

對碳素鋼及低合金鋼鋼板的選用可參照以下規(guī)定：

1)在選擇材料時(shí)鋼板的標(biāo)準(zhǔn)、使用狀態(tài)及許用應(yīng)力可查閱GB150.2材料選用標(biāo)準(zhǔn)；

2)用于多層容器內(nèi)筒或殼體厚度大于36 mm的Q245R及Q345R鋼板應(yīng)在正火狀態(tài)下使用；

3)殼體用鋼板應(yīng)按GB150.2材料選用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷檢測，質(zhì)量等級按JB/T4730.3的規(guī)定，例如對于厚度大于30 mm的Q245R鋼板，其超聲檢測質(zhì)量等級應(yīng)不低于Ⅲ級；

4)設(shè)計(jì)溫度大于200℃時(shí)應(yīng)要求鋼板按批次進(jìn)行設(shè)計(jì)溫度下的高溫拉伸實(shí)驗(yàn)；

5)厚度大于100 mm的殼體用鋼板及焊接接頭應(yīng)按最低設(shè)計(jì)溫度規(guī)定嚴(yán)格的沖擊實(shí)驗(yàn)，各種材料鋼板的使用溫度上下限要符合GB150.2材料選用標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

對于設(shè)計(jì)案例，參考GB713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》預(yù)選擇最常用的Q245R熱軋鋼板，非合金結(jié)構(gòu)鋼只能用于DiPe≤20000(Di為殼體內(nèi)徑，mm；Pe為許用最大工作壓力，bar)的場合，參考GB713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》預(yù)選擇最常用的Q245R材料，取設(shè)計(jì)內(nèi)徑Di≈1 100 mm，則DiPe=1 100×15=16500<20000，說明選擇Q245R材料是合適的，其室溫下許用應(yīng)力為245MPa。

3 殼體所需壁厚及焊縫設(shè)計(jì)

3.1 殼體所需壁厚計(jì)算

式中：Da-殼體外徑；Pe-許用最大工作壓力(MPa)；K-壓力容器的強(qiáng)度特征值；S-安全系數(shù)；v-焊縫考慮許用計(jì)算應(yīng)力利用程度的系數(shù)；C1-材料厚度負(fù)偏差；C2-腐蝕裕量。

對于材料為Q245R熱軋鋼板的圓柱形壓力容器，取K=245 N/mm2,安全系數(shù)S=1.6，材料厚度負(fù)偏差C1=0.5 mm，腐蝕裕量C2=1 mm。由于一般壓力容器的焊縫檢測成本較低，焊縫許用計(jì)算應(yīng)力須乘以0.87的系數(shù)，即v=0.85。初步取外徑Da=1 120 mm，可計(jì)算出壁厚t=8.3 mm，設(shè)計(jì)壁厚取9 mm可以滿足強(qiáng)度條件[4]。

3.2 縱向焊縫及周向焊縫設(shè)計(jì)

壓力容器的縱向焊縫及周向焊縫是重要焊縫，在焊接時(shí)除了遵循基本的焊接規(guī)范和工藝外，還需注意縱向焊縫及周向焊縫要避免采取角焊縫形式，均應(yīng)采用對接焊縫形式，為避免應(yīng)力集中，多個(gè)縱向焊縫要錯(cuò)開。常見等厚殼體焊接的坡口形式、周向焊縫及縱向焊縫節(jié)點(diǎn)圖如圖3所示。

(a)周向焊縫 (b)縱向焊縫圖3 壓力容器對接焊縫

4 凸底所需壁厚及其與殼體對接焊縫設(shè)計(jì)

4.1 門環(huán)形凸底所需壁厚計(jì)算

對凸底于不帶開口的圓柱形壓力容器，理論上采用半球形底可以最大程度地利用材料的性能，殼體只承受壓力，不受彎曲，但半球形較高，養(yǎng)護(hù)不方便，所以目前最常用的是門環(huán)形凸底，是由半球和有著圓柱形邊緣的過渡曲面組合而成的。

由于其曲率半徑不均勻，這種底會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力變向，在外緣處半球部分的拉應(yīng)力變?yōu)樵谶^渡曲面處的彎曲壓應(yīng)力，這樣當(dāng)壁厚不足時(shí)會(huì)在該區(qū)域形成皺褶，對于門環(huán)形無開口凸底，其所要求的過渡曲面壁厚按下式計(jì)算：

β-門環(huán)形凸底計(jì)算系數(shù)。

對于門環(huán)形的完整底，取計(jì)算系數(shù)β=3；對于單件底取系數(shù)v=1，根據(jù)公式可計(jì)算出過渡曲面處的壁厚t=9.7 mm，設(shè)計(jì)厚度可取10 mm。

對于帶管接頭的門環(huán)形底，由于凸底強(qiáng)度被管接頭削弱，其應(yīng)力更大，取其計(jì)算系數(shù)β=4.1，其過渡曲面處所需壁厚t=12.7 mm，取設(shè)計(jì)厚度為13 mm。

4.2 凸底與殼體不等厚截面對接焊縫設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)案例中，壓力容器殼體的設(shè)計(jì)厚度為9 mm，帶管接頭的門環(huán)形凸底的設(shè)計(jì)壁厚為13 mm，兩者壁厚差別較大，此時(shí)除采用對接焊縫外，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要采取圓弧或斜坡過渡的焊接接頭形式，常見的殼體與凸底不等厚對接接頭連接形式如圖4所示，均采取削薄厚壁邊緣后再對接的方法，若機(jī)加難度較大可以采用堆焊的方法將薄板邊緣焊成斜面。

圖4 不等厚截面對接接頭形式

5 容器壁上開口處補(bǔ)強(qiáng)問題

設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)正常的操作和安裝維修，在殼體或底部上往往開設(shè)各種開口并連接接管，這些開口不僅會(huì)削弱容器的整體強(qiáng)度，而且還會(huì)造成開口邊緣的局部應(yīng)力集中，加上接管有時(shí)還會(huì)有局部的外載荷，這些部位的峰值應(yīng)力和許用應(yīng)力就會(huì)和焊縫處的焊接應(yīng)力相迭加，因此開口附近往往會(huì)成為容器的破壞源，其破壞形式通常是疲勞破壞或脆性裂口，在壓力容器中必須考慮開口處補(bǔ)強(qiáng)的問題。

通常采用兩種補(bǔ)強(qiáng)方法，一種是如圖5(a)在接管焊接一個(gè)圓環(huán)板補(bǔ)強(qiáng)圈來增加容器壁局部厚度，另一種如圖5(b)在開口接管處焊接一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)管，補(bǔ)強(qiáng)材料一般與殼體材料相同。需注意補(bǔ)強(qiáng)材料沿殼體壁厚要對稱分布，補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體或接管在外形上圓滑過渡，使其不再引起額外的應(yīng)力集中[5]。

(a)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) (b)補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)圖5 開口補(bǔ)強(qiáng)接頭形式

6 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

焊接應(yīng)力產(chǎn)生的局部塑性變形會(huì)使器壁沿著焊縫發(fā)生彎曲、扭曲或撓曲，在內(nèi)壓作用下又會(huì)發(fā)生附加彎曲應(yīng)力，造成應(yīng)力集中，這是壓力容器的安全隱患，合理的焊接結(jié)構(gòu)可以最大程度地減少焊接應(yīng)力的危害。

在保證焊接質(zhì)量的前提下，接頭的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則：1)焊縫填充金屬應(yīng)盡量少；2)合理選擇坡口角度、鈍邊高、根部間隙等結(jié)構(gòu)尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，減少焊接缺陷產(chǎn)生的可能；3)有利于減少焊接工作量，且方便操作；4)按等強(qiáng)度要求，焊條或焊絲強(qiáng)度應(yīng)不低于母材強(qiáng)度；5)焊縫應(yīng)盡量連續(xù)、光滑，減少應(yīng)力集中。

對于壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)注意以下關(guān)鍵點(diǎn):

(1)重要的焊接接頭應(yīng)避免采用角焊縫

因單面坡口角接焊縫的焊接在結(jié)構(gòu)上的不對稱性，以及其根部容易產(chǎn)生未焊透等缺陷，會(huì)使焊縫內(nèi)表面軸向彎曲應(yīng)力變大，往往超出材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致使用時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展，據(jù)計(jì)算角焊縫的疲勞壽命僅為對接焊縫的20%。壓力容器殼體的縱向和周向焊縫均應(yīng)采用對接接頭，且焊接時(shí)避免焊縫母材未熔合、夾渣、氣孔、咬邊等缺陷[6]。

(2)不等厚截面對接應(yīng)采取圓滑過渡的方式

設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，相鄰兩元件如果壁厚差別較小，可采取等厚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)截面突變，造成應(yīng)力集中。當(dāng)壁厚差別較大或幾何形狀突變時(shí)，連接處不可避免會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性，應(yīng)采取圓滑過渡的方式 ，過渡角不超過30°，避免邊緣效應(yīng)[7]。

(3)焊縫應(yīng)盡量錯(cuò)開，開口等應(yīng)力集中部位應(yīng)盡量遠(yuǎn)離焊縫

據(jù)對焊接結(jié)構(gòu)的壓力容器破壞事故的統(tǒng)計(jì)分析，大多數(shù)都是由于疲勞循環(huán)狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展引起的，其原因是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上焊縫交叉或角焊縫受到其它焊縫熱影響區(qū)的影響，會(huì)產(chǎn)生微裂紋或其它焊縫缺陷。容器焊接時(shí)每個(gè)焊縫的熱源對周圍焊接構(gòu)件區(qū)域都會(huì)形成不均勻的溫度場，產(chǎn)生不均勻的焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力隨焊接構(gòu)件的形狀、尺寸、焊縫布置、焊接工藝的不同而變化和互相影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量錯(cuò)開焊縫，例如壓力容器殼體的縱向焊縫要錯(cuò)開，壓力容器開口補(bǔ)強(qiáng)部位要遠(yuǎn)離焊縫。

7 結(jié)論

壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到其強(qiáng)度和安全性，應(yīng)該在對其進(jìn)行應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行材料選擇，計(jì)算其各處設(shè)計(jì)厚度，對開口處考慮補(bǔ)強(qiáng)，在焊縫設(shè)計(jì)上盡力避免焊接應(yīng)力的危害。在合理地設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為了消除焊接殘余應(yīng)力及防止各種焊接缺陷，可以在焊前、焊后和焊接過程中采取各方面的措施，如焊前預(yù)熱、焊后緩冷、焊后熱處理及選擇適宜的焊接規(guī)范等措施，改善焊接質(zhì)量。

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