壓力容器設(shè)計及制造過程中降低應(yīng)力集中的措施

王康 姜正乾

江蘇炬峰機(jī)械有限公司 江蘇淮安 211700

目前國內(nèi)壓力容器設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品時，最關(guān)心的是產(chǎn)品的性能，以保證設(shè)備能夠安全運行，在制造工藝性方面更多的是考慮材料的工藝性（包括焊接性、沖壓性、切削加工性、熱處理性等），對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝性考慮的不是很充分，造成了制造過程中裝配、拆卸、焊接、轉(zhuǎn)動、搬運、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)較為困難，具體表現(xiàn)在有的需要設(shè)計龐大的專用工裝，增加制造成本；有的需要工人在狹小空間作業(yè)，增加勞動強(qiáng)度，且有安全隱患；有的結(jié)構(gòu)易造成產(chǎn)品碰撞損傷，帶來質(zhì)量風(fēng)險。

1 壓力容器的主要特點

1.1 具有很高的安全要求

壓力容器與其他容器的主要不同之處在于，它主要用于特種設(shè)備，并且經(jīng)常在高溫，高壓，低溫和低壓等各種特殊環(huán)境中使用。像易燃易爆的液化氣體和非常危險的化學(xué)介質(zhì)一樣，它們中的大多數(shù)都容納在壓力容器中，如果發(fā)生故障，不僅會導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失，而且在嚴(yán)重的情況下會出現(xiàn)很多的人員傷亡。因此，在設(shè)計和制造的過程中，首先要堅持安全原則，要遵守國家的有關(guān)法律法規(guī)，嚴(yán)格監(jiān)控制造過程，有效提高壓力容器使用的安全性和可靠性。

1.2 專業(yè)性強(qiáng)

與一般工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計和制造相比，壓力容器的設(shè)計和制造具有很強(qiáng)的專業(yè)性，設(shè)計和制造過程涉及各種專業(yè)領(lǐng)域和技術(shù)。例如，不但需要冶金工業(yè)、機(jī)械和機(jī)械加工方面的知識，還需要自動化，化學(xué)保護(hù)，質(zhì)量控制，甚至計算機(jī)軟件的操作和開發(fā)技能方面的知識和技能。任何一個缺點都會影響壓力容器的設(shè)計和制造，并且需要從事壓力容器的設(shè)計和制造的技術(shù)人員通常需要具有更專業(yè)的技術(shù)知識、經(jīng)驗，并熟練地將各種法律、法規(guī)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于實際工作，積極溝通并相互協(xié)調(diào)，以確保最終設(shè)計和制造產(chǎn)品的壓力容器的安全性和可靠性。

2 壓力容器制造過程中的應(yīng)力集中問題分析

應(yīng)力集中是一種常見的彈性力學(xué)問題，也是影響脆性材料實際應(yīng)用的主要問題之一。在物體應(yīng)用的過程中，如果物體存在形狀急劇變化的地方，例如缺口、孔洞等，則很容易發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生此類現(xiàn)象時，物體很容易產(chǎn)生疲勞裂紋等。在部分極端情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)物體發(fā)生靜載斷裂的情況，從而直接影響到物體的使用。因此，需要盡可能避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。在壓力容器制造的過程中，也容易出現(xiàn)此類問題。壓力容器的制造需要進(jìn)行大量的切割、焊接等工作。如果工序處理不當(dāng)，就會在壓力容器上留下形狀急劇變化的地方，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生[1]。

3 壓力容器制造降低應(yīng)力集中的方法

3.1 零部件無裝配調(diào)節(jié)余量

①管束折流板無柔性可調(diào)空間。某些換熱器管束結(jié)構(gòu)圖紙上折流板與縱向隔板要求焊接成剛性整體，這種結(jié)構(gòu)焊接存在的輕微變形就會導(dǎo)致管孔不同心，造成后續(xù)穿管困難。此問題優(yōu)化方案為，取消折流板與縱向隔板焊縫，管束折流板之間采用拉桿、定距管連接即可，立管架時初步調(diào)同心后，穿管時有折流板有柔性微調(diào)空間，避免穿管出現(xiàn)“卡死”問題。②管束與殼體套裝間隙過小。管殼式換熱器，殼體與管束套裝間隙過小，有些設(shè)計圖紙殼體內(nèi)徑與折流板外徑的間隙只有2mm，由于卷焊筒體的橢圓度、不直度，折流板冷作下料尺寸偏差等，實際最大間隙若控制在2mm 以內(nèi)，則局部區(qū)域間隙會＜2mm，甚至為負(fù)值，造成套裝干涉。此問題優(yōu)化方案為，適當(dāng)加大殼體與管束間隙，保證間隙名義尺寸至少有5mm[2]。

3.2 提高設(shè)計師的個人能力和素質(zhì)

設(shè)計是產(chǎn)品質(zhì)量的最主要保證，為了確保壓力容器的質(zhì)量和安全，要不斷提高壓力容器設(shè)計者的技術(shù)水平和綜合素質(zhì)，設(shè)計者必須有廣泛的知識，正確地理解和運用國家的各項法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。此外，通過培訓(xùn)和工程實踐，設(shè)計人員可以靈活地使用各種相關(guān)知識，例如力學(xué)、材料、計算、焊接、測試、測試、安裝、使用和維護(hù)等方面的知識，以便于設(shè)計人員可以控制某些特定的設(shè)計約束條件，例如需要能夠控制設(shè)計方法、材料選擇、結(jié)構(gòu)圖、成本管理、時間安排等，這些影響設(shè)計的因素稱為內(nèi)部約束。它們不是靜態(tài)的，設(shè)計人員根據(jù)特定情況進(jìn)行管理，收集相關(guān)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，放松某些條件以形成某些可以實施的設(shè)計模式，并使用這些內(nèi)部約束條件進(jìn)行最終的評估，并選擇和查找“最佳”設(shè)計，使這些設(shè)計能夠充分發(fā)揮設(shè)計師的才能。

3.3 做好防腐蝕設(shè)計

大多數(shù)壓力容器由金屬材料制成，在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)腐蝕的情況，因此，設(shè)計和制造時必須嚴(yán)格遵守防腐蝕設(shè)計，這樣才能有效地延長壓力容器的使用壽命。另外，檢查和操作人員還需要定期檢查壓力容器，以確保金屬顆粒在壓力容器的金屬外表面上均勻分布。進(jìn)而降低設(shè)備腐蝕和爆炸的可能性。在壓力容器的制造中，還可以適當(dāng)?shù)靥砑鱼t元素以改善壓力容器的耐腐蝕性[3]。

4 結(jié)語

壓力容器的設(shè)計制造對其應(yīng)用有著重要的影響。為了推動壓力容器的應(yīng)用發(fā)展，本文通過分析壓力容器的設(shè)計制造現(xiàn)狀，對其中的應(yīng)力集中問題進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合壓力容器制造中應(yīng)力集中問題的影響因素，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計要點與制造工藝改進(jìn)方法進(jìn)行了探討。這些研究對壓力容器的設(shè)計制造與應(yīng)用有很好的幫助。