壓力容器設(shè)計(jì)及制造過程中降低應(yīng)力集中的措施

劉保江

摘 ?要：制造質(zhì)量、磨損和腐蝕、人為因素等。會(huì)導(dǎo)致壓力容器的安全事故，不僅影響安全生產(chǎn)，而且危及生命安全。在壓力容器的設(shè)計(jì)制造階段，需要制定詳細(xì)的工藝規(guī)程和設(shè)計(jì)生產(chǎn)的檢驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，以保證壓力容器的制造質(zhì)量;在運(yùn)行和使用階段，要建立相應(yīng)的運(yùn)行和安全管理規(guī)章制度，提高操作人員的技術(shù)水平和安全意識(shí)，避免人為因素造成的安全事故的發(fā)生。同時(shí)，要對壓力容器進(jìn)行定期安全檢查和設(shè)備維護(hù)，確保壓力容器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：壓力容器設(shè)計(jì);制造過程;降低應(yīng)力集中;措施

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，石油能源在現(xiàn)代生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。在石油工業(yè)發(fā)展過程中，壓力容器的應(yīng)用越來越受到人們的重視。長期以來，我國高度重視壓力容器的應(yīng)用和發(fā)展，逐步建立了相對成熟的壓力容器設(shè)計(jì)制造體系，為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了必要的基礎(chǔ)。

1壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn)

首先，壓力容器有極高的安全要求。在壓力容器的實(shí)際應(yīng)用過程中，壓力容器需要儲(chǔ)存大量的易燃易爆氣體等高危物質(zhì)。如果壓力容器的安全性不足，很容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)展，進(jìn)而影響壓力容器的廣泛應(yīng)用。其次，壓力容器對專業(yè)性要求高。壓力容器一般用于儲(chǔ)存特殊物質(zhì)，其中大量具有腐蝕性。不同的儲(chǔ)存材料對壓力容器的性能特性有不同的要求。所以對壓力容器的專業(yè)要求很高。此外，壓力容器需要許多不同的結(jié)構(gòu)。為了充分滿足不同物質(zhì)的儲(chǔ)存要求，壓力容器需要設(shè)計(jì)多種不同的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下不同物質(zhì)的良好儲(chǔ)存，從而增加了壓力容器的設(shè)計(jì)難度。

2壓力容器設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展現(xiàn)狀

為了適應(yīng)壓力容器未來的發(fā)展和應(yīng)用，壓力容器的設(shè)計(jì)和制造一直是一個(gè)重點(diǎn)研究課題。我國一直高度重視壓力容器設(shè)計(jì)和制造的發(fā)展，并逐步建立了相對成熟的壓力容器設(shè)計(jì)和制造體系。

目前，壓力容器的制造工藝已經(jīng)成熟?，F(xiàn)有的壓力容器制造工藝主要包括原材料驗(yàn)收、切割、焊接、無損檢測、后處理等。經(jīng)過一系列工藝處理，可以保證制造的壓力容器完全滿足人們的需求。在壓力容器的制造過程中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起了人們的關(guān)注。壓力容器的結(jié)構(gòu)決定其工作性能和壓力。如果壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，很容易造成制造質(zhì)量達(dá)不到安全使用壓力容器的要求。

3設(shè)計(jì)選材要點(diǎn)

3.1根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和生產(chǎn)工藝要求確定材料類型

壓力容器廣泛應(yīng)用于化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中，其結(jié)構(gòu)形式和對原材料物理、機(jī)械和工藝性能的要求是不同的。因此，在初步設(shè)計(jì)階段，有必要首先明確容器的運(yùn)行條件，然后根據(jù)其運(yùn)行溫度范圍、介質(zhì)特性、運(yùn)行壓力等參數(shù)選擇材料，并與設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行比較。其次，要結(jié)合原材料的采購成本和供應(yīng)周期優(yōu)化材料的選擇，必要時(shí)選擇與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)推薦的材料性能相似的材料，并進(jìn)行必要的試驗(yàn)和分析，以確保替代材料的各項(xiàng)性能在壓力容器的運(yùn)行條件下能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2基于局部應(yīng)力分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料選擇

在壓力容器的管口和預(yù)留的檢修孔處，由于板上的開孔破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，導(dǎo)致局部承載力損失和應(yīng)力集中。如果設(shè)計(jì)過程是基于避免這些零件的載荷大于材料屈服極限的原則，那么主體材料的厚度和容器殼體的直徑等參數(shù)就會(huì)過大。不僅浪費(fèi)材料，還增加了加工和質(zhì)量控制的難度，增加了集裝箱的質(zhì)量，使運(yùn)輸和吊裝更加困難。因此，應(yīng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)分析壓力容器的應(yīng)力集中和弱承載能力。一方面要準(zhǔn)確計(jì)算開孔引起的殼體承載力損失，設(shè)計(jì)加固技術(shù)方案;另一方面，合理選擇壓力容器的壁厚等參數(shù)，局部采用高性能材料保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力。

4壓力容器制造過程中的應(yīng)力集中

4.1壓力容器制造過程中的應(yīng)力集中分析

應(yīng)力集中是彈性力學(xué)中常見的問題，也是影響脆性材料實(shí)際應(yīng)用的主要問題之一。在物體應(yīng)用過程中，如果物體有尖銳的形狀變化，如縫隙、孔洞等。，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，物體容易產(chǎn)生疲勞裂紋等。在一些極端情況下，物體甚至可能在靜載荷下斷裂，直接影響物體的使用。所以要盡量避免應(yīng)力集中。

在壓力容器制造過程中，很容易出現(xiàn)這種問題。壓力容器的制造需要大量的切割和焊接。如果處理不當(dāng)，會(huì)在壓力容器上留下急劇的形狀變化，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中的發(fā)生。

4.2壓力容器制造中應(yīng)力集中的影響因素分析

為了解決壓力容器制造中的應(yīng)力集中問題，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)了其影響因素：

（1）壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷。在壓力容器的設(shè)計(jì)過程中，需要對其封頭等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證壓力容器的密封性。由于某些設(shè)計(jì)方案的不合理性，平頭等設(shè)計(jì)方案容易出現(xiàn)缺口，導(dǎo)致應(yīng)力集中的發(fā)生。

（2）壓力容器制造工藝不完善。由于特殊情況下的應(yīng)用要求，有些壓力容器需要制造成角形結(jié)構(gòu)。如果這種結(jié)構(gòu)處理不好，很容易造成應(yīng)力集中。目前廣泛使用的加工方法不能完全滿足壓力容器棱角的制造，這也是重要的影響因素之一。

5壓力容器制造降低應(yīng)力集中的方法

5.1壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低應(yīng)力集中最重要的方法。根據(jù)應(yīng)力集中的特點(diǎn)，在壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)壓力容器的實(shí)際應(yīng)用要求，選擇合理的結(jié)構(gòu)方案。一般來說，壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)首先采用旋轉(zhuǎn)殼體和模制封頭。這種結(jié)構(gòu)一般采用集成制造的方法，不易出現(xiàn)縫隙等漏洞，減少了應(yīng)力集中的問題。

在某些情況下，壓力容器需要連接多個(gè)結(jié)構(gòu)。為了避免連接過程中的應(yīng)力集中，應(yīng)盡可能減小不同結(jié)構(gòu)之間的剛度差異。根據(jù)剛度差異的影響因素分析，應(yīng)注意材料、曲率半徑、厚度等的選擇。在壓力容器設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)制造應(yīng)盡可能使用相同的材料，連接件的曲率半徑應(yīng)盡可能保持一致。

5.2壓力容器制造工藝改進(jìn)方法分析

除了優(yōu)化壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還需要改進(jìn)其制造工藝，以減少壓力集中的發(fā)生。

目前，焊接仍然是壓力容器制造中不可缺少的一部分，也是保證壓力容器制造質(zhì)量的重要因素。在焊接過程中，如果不能控制超高等因素，很容易導(dǎo)致壓力容器結(jié)構(gòu)不合理，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，在焊接壓力容器時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)手段嚴(yán)格控制超高。焊接工作完成后，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定對壓力容器的焊縫進(jìn)行打磨。同時(shí)，為了保證壓力容器的使用質(zhì)量，有必要避免使用點(diǎn)焊等焊接方法制造壓力容器。

結(jié)束語

化工壓力容器的運(yùn)行可靠性極高。在設(shè)計(jì)和選材過程中，應(yīng)根據(jù)用戶的生產(chǎn)工藝要求，綜合考慮壓力容器的使用性能、制造工藝和操作維護(hù)難度，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)準(zhǔn)確測量各種設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化容器的選材、結(jié)構(gòu)和加工工藝。

參考文獻(xiàn)

[1] 王娜.壓力容器設(shè)計(jì)制造中的典型問題及對策[J].化工管理，2020（02）：128-129.