壓力容器設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中降低應(yīng)力集中的措施

孫猛

摘 要 壓力容器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造越來(lái)越多地受到現(xiàn)代人們的高度重視，受限于傳統(tǒng)容器設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展限制，壓力容器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造中往往存在著應(yīng)力是否集中的復(fù)雜問(wèn)題，為了有效地促進(jìn)傳統(tǒng)壓力容器的推廣使用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，本文詳細(xì)總結(jié)了以下壓力容器的設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)，以期能對(duì)改進(jìn)我國(guó)目前壓力容器的設(shè)計(jì)和制造有所裨益。

關(guān)鍵詞 壓力容器 設(shè)計(jì)制造 應(yīng)力集中 應(yīng)力腐蝕

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）04-0067-03

能源在現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)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(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，我國(guó)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(shè)計(jì)和制造體系，為我國(guó)石化設(shè)備的發(fā)展提供了重要保障。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，壓力容器的設(shè)計(jì)和制造存在不足，為了促進(jìn)壓力容器行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上解決壓力容器的應(yīng)力集中問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注。

1 壓力容器概述

隨著經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展，壓力容器的設(shè)計(jì)、制造和管理日趨成熟。近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)理論的不斷涌現(xiàn)，為壓力容器的生產(chǎn)和制造開(kāi)辟了一條新的途徑，形成了壓力容器生產(chǎn)和制造的基礎(chǔ)，滿(mǎn)足了我們對(duì)壓力容器的需求。我們應(yīng)仔細(xì)分析應(yīng)力集中在工作中的表現(xiàn)，確保焊接質(zhì)量符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)要求。一般來(lái)說(shuō)，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(cè)量裝置和其他輔助部件。這些部件的應(yīng)用對(duì)于確保壓力容器的質(zhì)量和耐久性非常重要，也是壓力容器安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。[1]

2 壓力容器的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用特點(diǎn)

壓力容器制造技術(shù)過(guò)程設(shè)計(jì)中的試驗(yàn)壓力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的試驗(yàn)腔體壓力主要就是針對(duì)我們壓力容器的每個(gè)腔和試驗(yàn)容器腔體，它也可以看作是我們壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的檢驗(yàn)腔體壓力，一般是作為要求試驗(yàn)容器腔體工作壓力如何計(jì)算確定、材料如何選擇、分類(lèi)和壓力容器試驗(yàn)制造的重要依據(jù)，也是我們?nèi)绾未_定每個(gè)腔的設(shè)計(jì)試驗(yàn)腔體壓力和容器零部件和如何準(zhǔn)確計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)腔體壓力的最重要依據(jù)。例如，中國(guó)石油工業(yè)液化學(xué)和天然氣體工程壓力容器每個(gè)腔的設(shè)計(jì)壓力結(jié)構(gòu)要求很高，一般要求根據(jù)其采用低于安全爆破片的自動(dòng)安全爆破開(kāi)啟工作腔的壓力，或采用低于爆破工作腔的設(shè)計(jì)壓力以及采用低于超過(guò)安全閥的自動(dòng)爆破方式來(lái)開(kāi)啟容器工作腔的壓力并分別進(jìn)行計(jì)算確定?？偟膩?lái)說(shuō)，壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的工作壓力一般要求不得超過(guò)該容器內(nèi)部工作腔的設(shè)計(jì)壓力。如果一個(gè)容器內(nèi)部安裝了安全閥的爆破開(kāi)啟裝置，則不應(yīng)采用壓力低于安全爆破墊圈的自動(dòng)安全爆破開(kāi)啟工作腔的壓力，或采用低于安全閥的自動(dòng)爆破開(kāi)啟容器工作腔的壓力。

目前，各種壓力容器廣泛應(yīng)用于化工、石油工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，并在其中一直發(fā)揮著重要主導(dǎo)作用。事實(shí)上，壓力容器材料可以用于承受相對(duì)較高的儲(chǔ)存壓力，并為所有不同類(lèi)型的各種危險(xiǎn)品原料創(chuàng)造一個(gè)安全的壓力儲(chǔ)存容器環(huán)境。我國(guó)作為中國(guó)最重要的幾個(gè)工業(yè)化發(fā)達(dá)國(guó)家之一，石油工業(yè)的快速發(fā)展一直以來(lái)是我們密切關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。各種壓力容器以其自身的技術(shù)特點(diǎn)已經(jīng)發(fā)揮著越來(lái)越重要的技術(shù)作用。根據(jù)目前我國(guó)各種壓力容器的實(shí)際應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了各種壓力容器的幾種應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)：第一，壓力容器的安全性能要求很高。在各種壓力容器的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，壓力容器必須用于儲(chǔ)存大量易燃易爆有毒氣體等高度危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)。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(chǎn)使用。第二，壓力容器必須具有高度的安全專(zhuān)業(yè)性。通常，壓力容器可以用于加壓儲(chǔ)存大量含有各種有毒腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的特殊危險(xiǎn)物質(zhì)。不同的壓力儲(chǔ)存容器材料對(duì)各種壓力容器的安全性能及其特性也具有不同的技術(shù)要求。[2]

3 應(yīng)力集中和應(yīng)力腐蝕

壓力應(yīng)力集中腐蝕是一種導(dǎo)致整個(gè)壓力容器體的應(yīng)力集中腐蝕的主要影響因素。其中應(yīng)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(gòu)件。通常在整個(gè)壓力容器整體表面容易出現(xiàn)焊接裂紋或其他類(lèi)似焊接裂紋的加工缺陷。焊接結(jié)構(gòu)不連續(xù)，焊接時(shí)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(bǔ)強(qiáng)的缺陷存在程度超過(guò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);熱處理不當(dāng)容易導(dǎo)致整個(gè)壓力容器整體表面焊接出現(xiàn)大量裂紋。生產(chǎn)使用過(guò)程中材料裝配牢固;加工材料生產(chǎn)使用過(guò)程中材料加工生產(chǎn)工藝不科學(xué)容易造成材料機(jī)械上的損傷;材料在加工生產(chǎn)以及制造使用過(guò)程中不完全符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，存在一些表面加工缺陷等上述問(wèn)題是造成應(yīng)力集中的主要原因。

4 改善應(yīng)力集中的合理措施

4.1 從應(yīng)力分析出發(fā)

應(yīng)力集中不僅是一個(gè)常見(jiàn)的彈性問(wèn)題，也是影響材料實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)主要問(wèn)題。當(dāng)物體形狀突然改變時(shí)，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(chǎn)生應(yīng)力集中，如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)不可避免地會(huì)改變結(jié)構(gòu)的形狀，制造過(guò)程中需要大量的焊接工作。如果工藝處理不當(dāng)，應(yīng)力集中問(wèn)題會(huì)成為壓力容器安全運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 制造過(guò)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(yīng)力集中。焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接電流能量，通過(guò)小電流多道焊實(shí)現(xiàn);不允許固定安裝和成型，設(shè)備上不得刻有鋼印和材料標(biāo)記;焊接區(qū)域（包括殘余表面）應(yīng)無(wú)裂紋、氣孔、咬邊或其他缺陷，形狀不得急劇或平滑變化;在開(kāi)噴嘴口和切割殼體時(shí)，使用鉆孔機(jī)確保坡口表面狀況，使焊縫在焊接過(guò)程中受熱均勻，減少焊接過(guò)程中的應(yīng)力集中;材料表面經(jīng)過(guò)沖擊和氧化處理，以提高其疲勞強(qiáng)度。[3]

4.3 封頭的選用

從應(yīng)力分布分析，封頭按受力狀態(tài)的優(yōu)次順序?yàn)椋喊肭蛐畏忸^、橢圓形封頭、蝶形封頭、錐形封頭、窄口、平封頭?？紤]到負(fù)荷、產(chǎn)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(gè)設(shè)備的成本和外部荷載的大小。不同類(lèi)型封頭的荷載條件差異很大，但如果與簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)相關(guān)，則必須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)封頭的要求預(yù)留25mm或40mm的直邊段。

4.4 壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

壓力容器的設(shè)計(jì)是減少應(yīng)力集中發(fā)生的最重要方法。根據(jù)應(yīng)力集中的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，首先要根據(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(lái)說(shuō)，壓力容器的設(shè)計(jì)首先應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)殼體，這種結(jié)構(gòu)一般采用集成制造的方法，不會(huì)形成縫隙和其他漏洞，以減少應(yīng)力集中的問(wèn)題。在分析影響剛度差的因素后，應(yīng)選擇材料、曲率半徑、厚度等。應(yīng)注意的是，在建造壓力容器時(shí)，結(jié)構(gòu)施工應(yīng)盡可能使用相同的材料，接頭的曲率半徑應(yīng)盡可能一致。

4.5 倒圓、倒角設(shè)計(jì)

通過(guò)有限元計(jì)算和應(yīng)力測(cè)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(yīng)力將遠(yuǎn)大于其他部位的應(yīng)力。這種應(yīng)力集中的增加稱(chēng)為應(yīng)力集中。為了減少壓力容器中的應(yīng)力集中，在壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取有效措施，以充分延長(zhǎng)不同類(lèi)型圓弧的圓角半徑，可在尖角處進(jìn)行圓角或縮放。這一系列措施可避免壓力容器在使用過(guò)程中因多個(gè)外力而產(chǎn)生應(yīng)力集中。

壓力容器管口采用特定的方式設(shè)計(jì)，將局部結(jié)構(gòu)斷裂引起的峰值荷載降至最低，并避免在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)壓力容器造成疲勞或脆性損壞。同時(shí)，底板必須固定在支架上。在焊接過(guò)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(guò)程中軟化，氫含量降低，微觀(guān)結(jié)構(gòu)改變，以提高壓力容器的機(jī)械性能。在壓力容器的設(shè)計(jì)中，大多數(shù)情況下必須基于硬度理論，應(yīng)適當(dāng)采用低穩(wěn)定性和精確的彈性擾動(dòng)，計(jì)算中應(yīng)合理應(yīng)用板膜理論，在應(yīng)力方面，通常應(yīng)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(jīng)?？吹皆O(shè)計(jì)壓力容器的壁厚不均勻，以提高材料載荷，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。從應(yīng)力分析來(lái)看，如果簡(jiǎn)單接頭兩段連接部分因壓力而產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的自由變形，就會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)緊固件連接部分產(chǎn)生較大的裕量荷載。另外，應(yīng)削薄一側(cè)或兩側(cè)的厚板邊緣，或根據(jù)相同要求通過(guò)拉伸表面將薄板邊緣焊接到斜面上，削薄長(zhǎng)度和表面光潔度大于或等于兩個(gè)連接器之間厚度差的三倍。這確保了兩個(gè)簡(jiǎn)單部分的厚度平滑過(guò)渡，避免了兩個(gè)連接部分形狀的突然變化，降低了兩個(gè)連接件的張力集中，避免了在應(yīng)力腐蝕介質(zhì)的影響下發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

4.7 壓力容器制造工藝的改進(jìn)方法分析

焊接一直以來(lái)都是各種壓力容器連續(xù)使用生產(chǎn)的重要工藝技術(shù)控制組成部分，也是我們?nèi)绾未_保各種壓力容器連續(xù)使用生產(chǎn)工藝產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)控制組成因素，如果不能?chē)?yán)格控制每個(gè)焊接點(diǎn)和殘余點(diǎn)的高度等因素，就會(huì)很容易造成各種類(lèi)型壓力容器外部焊接結(jié)構(gòu)不合理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)張力集中的不良現(xiàn)象。因此，在采用機(jī)械進(jìn)行焊接各種類(lèi)型壓力容器時(shí)，必須根據(jù)目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械焊接生產(chǎn)技術(shù)手段，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制每個(gè)焊接點(diǎn)的殘余高度。采用機(jī)械進(jìn)行焊接后，壓力容器的所有連接焊縫和零部件也都應(yīng)按照國(guó)家有關(guān)焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及時(shí)進(jìn)行焊接加工以及打磨，同時(shí)為有效地保證各種壓力容器的連續(xù)生產(chǎn)使用焊接生產(chǎn)工藝質(zhì)量，應(yīng)盡量避免連續(xù)使用焊接點(diǎn)電弧焊等其他機(jī)械式的焊接連續(xù)生產(chǎn)工藝。

4.8 通過(guò)邊緣應(yīng)力降低應(yīng)力集中

在壓力容器的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，我們應(yīng)盡最大努力將連接部件的剛度控制降至最低，并減少因內(nèi)部壓力的影響而造成的變形，導(dǎo)致不協(xié)調(diào)。邊緣應(yīng)力通常由幾何結(jié)構(gòu)的突然變化引起。結(jié)構(gòu)之間的相互應(yīng)力約束直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)邊緣彎曲和產(chǎn)生邊緣拉伸應(yīng)力，從而直接導(dǎo)致邊緣彎曲應(yīng)力。如果荷載保持不變，可以通過(guò)減小連續(xù)構(gòu)件之間的剛度差來(lái)降低荷載。邊緣應(yīng)力具有較強(qiáng)的局部性。因此，AI壓力容器的設(shè)計(jì)和制造中應(yīng)考慮局部壓力，并改進(jìn)邊緣結(jié)構(gòu)，以提高邊緣區(qū)域的局部含量，提高邊緣焊接質(zhì)量，有效避免附件局部負(fù)荷集中，確保壓力容器的質(zhì)量滿(mǎn)足使用標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果兩個(gè)圓筒的壁厚與相關(guān)制造材料和直徑有較大差異，因?yàn)樵谙嗤膬?nèi)壓下，變形會(huì)不一致，造成很大的邊緣應(yīng)力。為了有效控制邊緣應(yīng)力，應(yīng)稀釋較厚的圓柱體。在制造過(guò)程中，較厚零件的變薄過(guò)渡不僅可以提高焊接質(zhì)量，而且可以改善焊接條件。

4.9 優(yōu)化規(guī)則設(shè)計(jì)下的壓力容器結(jié)構(gòu)選擇

首先，在設(shè)計(jì)之初，優(yōu)化材料選擇和使用具有更好韌性和足夠強(qiáng)度的材料可以有效降低壓力容器壓力部件的整體應(yīng)力水平，以減少應(yīng)力集中的負(fù)面影響。其次，盡量減少結(jié)構(gòu)破壞。設(shè)計(jì)人員應(yīng)避免使用平蓋，要使用凸蓋進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化管口布置系統(tǒng)，減少不必要的連接開(kāi)口，避免在焊縫周?chē)O(shè)置開(kāi)口，避免在底座和壓力容器之間開(kāi)口設(shè)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(chēng)和同樣厚度的連接材料等。[5]

4.10 采用合理的焊接結(jié)構(gòu)和工藝

考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)構(gòu)中的應(yīng)力值。

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

2.確保焊接連接尺寸的應(yīng)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(jiǎn)潔平滑的過(guò)渡，必要時(shí)必須清除多余的焊接。這也會(huì)對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)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(nèi)，可以有效降低母材的強(qiáng)度;使用小的焊接電流可以將導(dǎo)電能量控制在一定水平以下，直接降低焊接接頭本身的應(yīng)力值;焊接時(shí)，多層多道焊也能有效降低焊接殘余應(yīng)力;焊后無(wú)應(yīng)力熱處理也是從源頭上降低應(yīng)力集中的措施之一。

5 結(jié)語(yǔ)

就工業(yè)生產(chǎn)而言，壓力容器的質(zhì)量直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。工業(yè)生產(chǎn)中有許多化工產(chǎn)品，一旦壓力容器的氧化膜損壞，直接接觸化工產(chǎn)品會(huì)損壞壓力容器的表面，并產(chǎn)生腐蝕，嚴(yán)重影響壓力容器的性能和安全，在應(yīng)力作用的影響下容易開(kāi)裂，使壓力容器無(wú)法再使用，為了避免這些問(wèn)題，必須采取有效措施消除壓力容器的應(yīng)力集中，確保工業(yè)生產(chǎn)的安全。

參考文獻(xiàn)：

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