壓力容器設計及制造過程中降低應力集中的措施

孫猛

（湖南中化工程設計有限公司，湖南 岳陽 414000）

能源在現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展和進步中發(fā)揮了重要作用，壓力容器在工業(yè)中的安全使用是社會關注的焦點，我國高度重視壓力容器的使用和發(fā)展，逐步形成了較為完善的設計和制造體系，為我國石化設備的發(fā)展提供了重要保障。隨著新技術的不斷發(fā)展和應用，壓力容器的設計和制造存在不足，為了促進壓力容器行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，在現(xiàn)有技術的基礎上解決壓力容器的應力集中問題引起了廣泛關注。

1 壓力容器概述

隨著經濟、科技的不斷發(fā)展，壓力容器的設計、制造和管理日趨成熟。近年來，科學技術和生產理論的不斷涌現(xiàn)，為壓力容器的生產和制造開辟了一條新的途徑，形成了壓力容器生產和制造的基礎，滿足了我們對壓力容器的需求。我們應仔細分析應力集中在工作中的表現(xiàn)，確保焊接質量符合預期標準和相關要求。一般來說，壓力容器由氣缸、密封、鉆孔、承壓軸承、支架、連接管等部件組成。此外，一些裝置必須配備安全裝置、測量裝置和其他輔助部件。這些部件的應用對于確保壓力容器的質量和耐久性非常重要，也是壓力容器安全可靠運行的基礎。[1]

2 壓力容器的設計原理及應用特點

壓力容器制造技術過程設計中的試驗壓力、結構設計中的試驗腔體壓力主要就是針對我們壓力容器的每個腔和試驗容器腔體，它也可以看作是我們壓力容器結構設計時的檢驗腔體壓力，一般是作為要求試驗容器腔體工作壓力如何計算確定、材料如何選擇、分類和壓力容器試驗制造的重要依據(jù)，也是我們如何確定每個腔的設計試驗腔體壓力和容器零部件和如何準確計算每個試驗腔體壓力的最重要依據(jù)。例如，中國石油工業(yè)液化學和天然氣體工程壓力容器每個腔的設計壓力結構要求很高，一般要求根據(jù)其采用低于安全爆破片的自動安全爆破開啟工作腔的壓力，或采用低于爆破工作腔的設計壓力以及采用低于超過安全閥的自動爆破方式來開啟容器工作腔的壓力并分別進行計算確定?？偟膩碚f，壓力容器結構設計時的工作壓力一般要求不得超過該容器內部工作腔的設計壓力。如果一個容器內部安裝了安全閥的爆破開啟裝置，則不應采用壓力低于安全爆破墊圈的自動安全爆破開啟工作腔的壓力，或采用低于安全閥的自動爆破開啟容器工作腔的壓力。

目前，各種壓力容器廣泛應用于化工、石油工業(yè)等多個領域，并在其中一直發(fā)揮著重要主導作用。事實上，壓力容器材料可以用于承受相對較高的儲存壓力，并為所有不同類型的各種危險品原料創(chuàng)造一個安全的壓力儲存容器環(huán)境。我國作為中國最重要的幾個工業(yè)化發(fā)達國家之一，石油工業(yè)的快速發(fā)展一直以來是我們密切關注的一個焦點。各種壓力容器以其自身的技術特點已經發(fā)揮著越來越重要的技術作用。根據(jù)目前我國各種壓力容器的實際應用發(fā)展現(xiàn)狀，總結了各種壓力容器的幾種應用技術特點：第一，壓力容器的安全性能要求很高。在各種壓力容器的實際生產應用中，壓力容器必須用于儲存大量易燃易爆有毒氣體等高度危險化學物質。如果各種壓力容器的使用安全性不夠，就很容易引發(fā)各種安全事故，這將直接影響各種壓力容器的廣泛生產使用。第二，壓力容器必須具有高度的安全專業(yè)性。通常，壓力容器可以用于加壓儲存大量含有各種有毒腐蝕性化學物質的特殊危險物質。不同的壓力儲存容器材料對各種壓力容器的安全性能及其特性也具有不同的技術要求。[2]

3 應力集中和應力腐蝕

壓力應力集中腐蝕是一種導致整個壓力容器體的應力集中腐蝕的主要影響因素。其中應力集中腐蝕是指由于壓力容器體的幾何整體形狀和容器外形尺寸的突然發(fā)生變化，局部區(qū)域的張力顯著增加的現(xiàn)象構件。通常在整個壓力容器整體表面容易出現(xiàn)焊接裂紋或其他類似焊接裂紋的加工缺陷。焊接結構不連續(xù)，焊接時使用溫度高，焊接后的基材、焊接管道、焊接和其他焊接部件補強的缺陷存在程度超過技術標準；熱處理不當容易導致整個壓力容器整體表面焊接出現(xiàn)大量裂紋。生產使用過程中材料裝配牢固；加工材料生產使用過程中材料加工生產工藝不科學容易造成材料機械上的損傷；材料在加工生產以及制造使用過程中不完全符合相關技術標準，存在一些表面加工缺陷等上述問題是造成應力集中的主要原因。

4 改善應力集中的合理措施

4.1 從應力分析出發(fā)

應力集中不僅是一個常見的彈性問題，也是影響材料實際應用的一個主要問題。當物體形狀突然改變時，例如在幾何中斷的情況下，孔和缺口，或在剛性連接的情況下，焊接和法蘭連接很容易產生應力集中，如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，會導致脆性材料的靜載荷斷裂和韌性材料的疲勞裂紋，直接影響使用的安全性。

壓力容器的設計不可避免地會改變結構的形狀，制造過程中需要大量的焊接工作。如果工藝處理不當，應力集中問題會成為壓力容器安全運行的主要風險。

4.2 制造過程中的控制

容器焊接和檢查后，組裝和熱處理期間必須避免應力集中。焊接過程中嚴格控制焊接電流能量，通過小電流多道焊實現(xiàn)；不允許固定安裝和成型，設備上不得刻有鋼印和材料標記；焊接區(qū)域（包括殘余表面）應無裂紋、氣孔、咬邊或其他缺陷，形狀不得急劇或平滑變化；在開噴嘴口和切割殼體時，使用鉆孔機確保坡口表面狀況，使焊縫在焊接過程中受熱均勻，減少焊接過程中的應力集中；材料表面經過沖擊和氧化處理，以提高其疲勞強度。[3]

4.3 封頭的選用

從應力分布分析，封頭按受力狀態(tài)的優(yōu)次順序為：半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭、錐形封頭、窄口、平封頭?？紤]到負荷、產量和材料消耗，橢圓封頭是壓力容器最合適的封頭。封頭是壓力容器最重要的受壓元件之一，封頭的選型取決于整個設備的成本和外部荷載的大小。不同類型封頭的荷載條件差異很大，但如果與簡化結構相關，則必須根據(jù)標準封頭的要求預留25mm 或40mm 的直邊段。

4.4 壓力容器的結構設計要點分析

壓力容器的設計是減少應力集中發(fā)生的最重要方法。根據(jù)應力集中的特點，在設計壓力容器時，首先要根據(jù)壓力容器的實際應用要求，選擇合理的結構方案。一般來說，壓力容器的設計首先應采用旋轉殼體，這種結構一般采用集成制造的方法，不會形成縫隙和其他漏洞，以減少應力集中的問題。在分析影響剛度差的因素后，應選擇材料、曲率半徑、厚度等。應注意的是，在建造壓力容器時，結構施工應盡可能使用相同的材料，接頭的曲率半徑應盡可能一致。

4.5 倒圓、倒角設計

通過有限元計算和應力測量，可以確定如果物體有小孔和缺口，受外力作用后，物體附近的應力將遠大于其他部位的應力。這種應力集中的增加稱為應力集中。為了減少壓力容器中的應力集中，在壓力容器結構設計中應采取有效措施，以充分延長不同類型圓弧的圓角半徑，可在尖角處進行圓角或縮放。這一系列措施可避免壓力容器在使用過程中因多個外力而產生應力集中。

壓力容器管口采用特定的方式設計，將局部結構斷裂引起的峰值荷載降至最低，并避免在應用過程中對壓力容器造成疲勞或脆性損壞。同時，底板必須固定在支架上。在焊接過程中，禁止直接焊接、敲擊或展示受拉部件，以免破壞容器。此外，焊接后，硬化區(qū)可能在熱處理過程中軟化，氫含量降低，微觀結構改變，以提高壓力容器的機械性能。在壓力容器的設計中，大多數(shù)情況下必須基于硬度理論，應適當采用低穩(wěn)定性和精確的彈性擾動，計算中應合理應用板膜理論，在應力方面，通常應用成型封頭和回旋殼體，減少平蓋封頭和矩形容器的使用。[4]

4.6 減小兩連接件的剛度差

我們經常看到設計壓力容器的壁厚不均勻，以提高材料載荷，降低成本，提高經濟效益。從應力分析來看，如果簡單接頭兩段連接部分因壓力而產生不協(xié)調的自由變形，就會導致兩個緊固件連接部分產生較大的裕量荷載。另外，應削薄一側或兩側的厚板邊緣，或根據(jù)相同要求通過拉伸表面將薄板邊緣焊接到斜面上，削薄長度和表面光潔度大于或等于兩個連接器之間厚度差的三倍。這確保了兩個簡單部分的厚度平滑過渡，避免了兩個連接部分形狀的突然變化，降低了兩個連接件的張力集中，避免了在應力腐蝕介質的影響下發(fā)生應力腐蝕。

4.7 壓力容器制造工藝的改進方法分析

焊接一直以來都是各種壓力容器連續(xù)使用生產的重要工藝技術控制組成部分，也是我們如何確保各種壓力容器連續(xù)使用生產工藝產品質量的重要技術控制組成因素，如果不能嚴格控制每個焊接點和殘余點的高度等因素，就會很容易造成各種類型壓力容器外部焊接結構不合理和內部結構張力集中的不良現(xiàn)象。因此，在采用機械進行焊接各種類型壓力容器時，必須根據(jù)目前國內現(xiàn)有的機械焊接生產技術手段，同時應嚴格控制每個焊接點的殘余高度。采用機械進行焊接后，壓力容器的所有連接焊縫和零部件也都應按照國家有關焊接技術標準規(guī)定及時進行焊接加工以及打磨，同時為有效地保證各種壓力容器的連續(xù)生產使用焊接生產工藝質量，應盡量避免連續(xù)使用焊接點電弧焊等其他機械式的焊接連續(xù)生產工藝。

4.8 通過邊緣應力降低應力集中

在壓力容器的設計和制造過程中，我們應盡最大努力將連接部件的剛度控制降至最低，并減少因內部壓力的影響而造成的變形，導致不協(xié)調。邊緣應力通常由幾何結構的突然變化引起。結構之間的相互應力約束直接導致結構邊緣彎曲和產生邊緣拉伸應力，從而直接導致邊緣彎曲應力。如果荷載保持不變，可以通過減小連續(xù)構件之間的剛度差來降低荷載。邊緣應力具有較強的局部性。因此，AI 壓力容器的設計和制造中應考慮局部壓力，并改進邊緣結構，以提高邊緣區(qū)域的局部含量，提高邊緣焊接質量，有效避免附件局部負荷集中，確保壓力容器的質量滿足使用標準。例如，如果兩個圓筒的壁厚與相關制造材料和直徑有較大差異，因為在相同的內壓下，變形會不一致，造成很大的邊緣應力。為了有效控制邊緣應力，應稀釋較厚的圓柱體。在制造過程中，較厚零件的變薄過渡不僅可以提高焊接質量，而且可以改善焊接條件。

4.9 優(yōu)化規(guī)則設計下的壓力容器結構選擇

首先，在設計之初，優(yōu)化材料選擇和使用具有更好韌性和足夠強度的材料可以有效降低壓力容器壓力部件的整體應力水平，以減少應力集中的負面影響。其次，盡量減少結構破壞。設計人員應避免使用平蓋，要使用凸蓋進行系統(tǒng)設計，優(yōu)化管口布置系統(tǒng)，減少不必要的連接開口，避免在焊縫周圍設置開口，避免在底座和壓力容器之間開口設置連接基板，避免需要連接各種曲率高和半徑相同的連接元件，并至少選擇一種具有相同元件名稱和同樣厚度的連接材料等。[5]

4.10 采用合理的焊接結構和工藝

考慮到結構強度，壓力容器的大量受壓元件采用焊接連接，因此有必要盡量降低焊接結構中的應力值。

1.與角接相比，焊接對接式的連接在強度和避免應力集中方面具有絕對優(yōu)勢。特別需要選擇具有直邊、嵌入式接管或法蘭、高頸對接法蘭的頭部，并接管頭部的上部開口。

2.確保焊接連接尺寸的應力水平較低。稀釋厚度不均勻的壓力部件，角焊縫必須具有簡潔平滑的過渡，必要時必須清除多余的焊接。這也會對焊接過程產生影響。例如，使用合適的焊接材料將焊接電阻保持在合適的范圍內，可以有效降低母材的強度;使用小的焊接電流可以將導電能量控制在一定水平以下，直接降低焊接接頭本身的應力值；焊接時，多層多道焊也能有效降低焊接殘余應力；焊后無應力熱處理也是從源頭上降低應力集中的措施之一。

5 結語

就工業(yè)生產而言，壓力容器的質量直接關系到工業(yè)生產的質量和效率。工業(yè)生產中有許多化工產品，一旦壓力容器的氧化膜損壞，直接接觸化工產品會損壞壓力容器的表面，并產生腐蝕，嚴重影響壓力容器的性能和安全，在應力作用的影響下容易開裂，使壓力容器無法再使用，為了避免這些問題，必須采取有效措施消除壓力容器的應力集中，確保工業(yè)生產的安全。