壓力容器設(shè)計及制造過程中降低應(yīng)力集中的措施

張翔兮

（遵義市特種設(shè)備檢驗所，遵義 563000）

壓力容器在石油、化工等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。壓力容器應(yīng)力集中可能導(dǎo)致承壓安全性和使用壽命降低等安全問題，如容器泄漏、爆炸等，威脅相關(guān)工作人員、生產(chǎn)現(xiàn)場及其周邊區(qū)域的安全。因此，在壓力容器設(shè)計與制造階段，需要盡可能減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

1 壓力容器的主要特點

1.1 專業(yè)性與密封性

從實際用途方面來看，雖然受到行業(yè)與生產(chǎn)需要的影響，壓力容器內(nèi)實際存儲的物質(zhì)有所不同，但是普遍屬于易燃易爆、有毒有害、有腐蝕性的壓力介質(zhì)，所以要求壓力容器具備更強的專業(yè)性和更高的密封性。如果壓力容器的密封性偏低，則會增加內(nèi)部介質(zhì)泄漏問題的發(fā)生概率，產(chǎn)生安全隱患，威脅生產(chǎn)、人員、環(huán)境安全。

1.2 安全性

相比于其他常壓介質(zhì)存放容器，壓力容器內(nèi)部儲存的物質(zhì)危險性高，且實際參與的化工、石化等反應(yīng)過程有一定的危險性，因此在當(dāng)前設(shè)計及制造過程中，人們對于壓力容器的安全性能普遍有著更高要求。如果壓力容器的安全性偏低，則很有可能在生產(chǎn)期間發(fā)生相對嚴(yán)重的安全事故。

1.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

受內(nèi)部存儲物質(zhì)不同、生產(chǎn)條件不同、技術(shù)工藝不同的影響，不同壓力容器的設(shè)計和工作壓力不同，對壓力容器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求也不相同[1]。在壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，要切實參考其操作參數(shù)、使用地及其自然條件、介質(zhì)組分與特性等現(xiàn)實情況，確定設(shè)備性能指標(biāo)，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足實際的安全生產(chǎn)需要。

2 壓力容器設(shè)計及制造過程中應(yīng)力集中問題的綜合分析

2.1 應(yīng)力集中問題分析

在壓力容器形狀發(fā)生急劇變化的位置出現(xiàn)的應(yīng)力局部增高現(xiàn)象即壓力容器應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果應(yīng)力過大，則可能引發(fā)壓力容器的疲勞斷裂，或是脆性材料制成零件位置的靜載斷裂[2]。就當(dāng)前的情況來看，在壓力容器的設(shè)計與制造中，設(shè)計與制造工序不合理、制造工藝不標(biāo)準(zhǔn)等問題，均有可能使得壓力容器形狀不連續(xù)引發(fā)應(yīng)力集中，使得壓力容器的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯下降。產(chǎn)生應(yīng)力集中后，壓力容器的局部位置可能會發(fā)生性能下降或是出現(xiàn)裂紋等問題，也可能引發(fā)壓力容器的疲勞、應(yīng)力腐蝕等情況，造成壓力容器設(shè)計與制造質(zhì)量下降。應(yīng)力集中情況嚴(yán)重時，可能出現(xiàn)嚴(yán)重的安全問題，如容器泄漏、爆炸等，威脅相關(guān)工作人員、生產(chǎn)現(xiàn)場及其周邊區(qū)域的安全。

2.2 應(yīng)力集中產(chǎn)生的主要原因

從壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度進行分析，導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生的關(guān)鍵原因之一是結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。對于壓力容器來說，容器封頭設(shè)計極為關(guān)鍵。想要保證壓力容器的密封性達到預(yù)期，必須通過強度計算和應(yīng)力分析科學(xué)、合理設(shè)計封頭。在當(dāng)前的壓力容器設(shè)計與制造中，更多使用成型的封頭或是回轉(zhuǎn)殼體的封頭。若是在設(shè)計時采用平蓋封頭，則勢必會導(dǎo)致壓力容器的應(yīng)力分布有所下降，會在工作壓力、工作溫度范圍等方面使得壓力容器的性能指標(biāo)有所下降，增大應(yīng)力集中問題的發(fā)生概率。

從壓力容器制造過程的角度進行分析，導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因包含兩方面，一是生產(chǎn)制造工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計配合程度不理想，二是操作工序失誤或未達到標(biāo)準(zhǔn)。就生產(chǎn)制造方面來看，為了適應(yīng)多種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，對壓力容器的操作參數(shù)、使用環(huán)境、介質(zhì)等的考量將更加復(fù)雜，而焊接工藝及焊后熱處理選取會使壓力容器的應(yīng)力發(fā)生急劇變化。如果未針對這一設(shè)計要求搭配使用合適的工藝與技術(shù)，嚴(yán)格遵守壓力容器焊接工藝評定的要求，并優(yōu)化改善壓力容器的制造工藝，則會導(dǎo)致應(yīng)力集中的發(fā)生。就操作工序方面來看，在切割與焊接操作工序中更易發(fā)生應(yīng)力集中。通常情況下，若是未嚴(yán)格依照相關(guān)要求在壓力容器制造期間實施切割與焊接，那么在對應(yīng)的切割點與焊接點更易引發(fā)應(yīng)力集中。如果實際使用的材料具有較大脆性，那么可能導(dǎo)致相應(yīng)位置的表面生成應(yīng)力集中裂紋，發(fā)生更嚴(yán)重的安全事故。

3 壓力容器設(shè)計及制造過程中應(yīng)力集中的降低措施與要點

3.1 基于壓力容器設(shè)計的集中應(yīng)力降低策略

優(yōu)化壓力容器的設(shè)計是防止應(yīng)力集中問題發(fā)生的重要舉措。結(jié)合分析可知，如果在壓力容器設(shè)計及制造過程中發(fā)生設(shè)計不合理等問題，則可能會使壓力容器形狀隨之發(fā)生變化而引發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致壓力容器的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯下降。因此，壓力容器設(shè)計應(yīng)當(dāng)符合《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG 21—2016）和《壓力容器》（GB 150—2011）等相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范及規(guī)程的基本安全要求。同時，從設(shè)計角度來看，在壓力容器中容器封頭屬于重要構(gòu)件，必須加強對容器封頭的科學(xué)、優(yōu)化設(shè)計。在當(dāng)前的壓力容器設(shè)計中，需要選定合適的封頭類型，在保障壓力容器滿足工藝參數(shù)和安全性的同時，實現(xiàn)對應(yīng)力集中問題的有效控制。

現(xiàn)階段，壓力容器設(shè)計及生產(chǎn)制造期間，普遍將封頭類型劃分為半球形、蝶形、橢圓形以及平蓋封頭等類型。設(shè)計中必須結(jié)合壓力容器的運行環(huán)境、使用性能要求以及其他結(jié)構(gòu)設(shè)計方案等內(nèi)容，選定合適的封頭類型，從設(shè)計角度降低應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生概率。一般情況下，在壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中更適合引入成型的封頭或是回轉(zhuǎn)殼體的封頭，盡可能避免投放平蓋封頭[3]。從材料消耗的角度進行分析，在當(dāng)前的壓力容器設(shè)計期間，中低壓的壓力容器多選用橢圓封頭，高壓和超高壓壓力容器多選用球形封頭。在不存在特殊要求的情況下，設(shè)計中一般不考慮使用平蓋封頭和矩形的截面封頭，以保證壓力容器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用安全性。

3.2 基于壓力容器邊緣應(yīng)力的集中應(yīng)力降低策略

在當(dāng)前的壓力容器設(shè)計中，它的幾何不連續(xù)、載荷不連續(xù)及溫度不連續(xù)處，由于介質(zhì)壓力及溫度作用，除產(chǎn)生薄膜應(yīng)力外，還產(chǎn)生了變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)致邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生?？梢詮膲毫θ萜鞯倪吘墤?yīng)力入手，通過減小剛度差的方式控制邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生，規(guī)避應(yīng)力集中，提升壓力容器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用安全性。第一，在實際的壓力容器設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)盡可能減小兩個連接件之間存在的剛度差，以降低壓力容器邊緣應(yīng)力大小，利用邊緣應(yīng)力局部性特點進行局部處理，降低壓力容器自由變形不平衡問題的發(fā)生概率，從而有效控制應(yīng)力集中問題的發(fā)生。對于邊緣應(yīng)力，可通過改變?nèi)萜鬟吘壗Y(jié)構(gòu)、邊緣局部補強、筒體縱向焊縫錯開焊接以及焊后熱處理等，局部改變其不連續(xù)性，從而有效降低邊緣應(yīng)力。第二，從壓力容器的設(shè)計工藝方面來看，要有效利用制造材料的自限性，保證其材料塑性，以控制其邊緣應(yīng)力在可控范圍內(nèi)，避免應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。特別是對于低溫壓力容器和承受疲勞載荷的壓力容器，需要注意邊緣應(yīng)力的處理，以免發(fā)生應(yīng)力集中問題。

3.3 基于壓力容器棱角度的集中應(yīng)力降低策略

針對結(jié)構(gòu)不連續(xù)的位置，可以通過引入經(jīng)過形狀優(yōu)化的特殊曲線或是圓弧方式實現(xiàn)過渡，有效降低應(yīng)力集中問題?？烧{(diào)整過渡型圓弧的圓角半徑，將不連續(xù)拐角轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)狀態(tài)，降低壓力容器棱角位置發(fā)生應(yīng)力集中的概率。第一，在壓力容器的接管位置，開孔會使容器筒體局部區(qū)域表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)不連續(xù)現(xiàn)象，引起開孔附近區(qū)域應(yīng)力集中，造成筒體上局部應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響筒體的承載能力。第二，在壓力容器制造期間，盡可能提升焊接的連續(xù)性。此過程需要加大對焊接操作要點的把控，增加焊接輔助設(shè)備、投放墊板等，替代直接對殼體實施焊接的操作工藝，提升焊接作業(yè)的平穩(wěn)度，有效規(guī)避壓力容器制造期間應(yīng)力集中問題的發(fā)生。第三，針對壓力容器制造期間產(chǎn)生的由于機械加工而引起的弧坑、劃痕等缺陷問題，要求及時進行修復(fù)處理，促使壓力容器的表面平整度始終滿足設(shè)計要求，達到改善壓力容器使用性能的效果，防止在相應(yīng)弧坑、劃痕等表面缺陷位置發(fā)生應(yīng)力集中[4]。

3.4 基于壓力容器焊接工藝的集中應(yīng)力降低策略

若是壓力容器焊接及焊后熱處理期間未嚴(yán)格依照焊接工藝評定要求展開各項操作，則會增加應(yīng)力集中的發(fā)生概率。因此，需要在壓力容器制造期間優(yōu)化焊接工藝，重點強化對焊接質(zhì)量的控制，有效降低應(yīng)力集中。在此過程中，可以圍繞兩種策略完成焊接工藝優(yōu)化。第一種，改進焊接工藝及其技術(shù)方法，采用自動氬弧焊等工藝提升焊接質(zhì)量，降低應(yīng)力集中發(fā)生概率。在制造壓力容器期間，焊接操作中應(yīng)規(guī)避使用點焊方式，因為點焊更易導(dǎo)致焊接位置產(chǎn)生應(yīng)力集中。將全自動氬弧焊等工藝引入壓力容器制造，可有效控制焊接位置應(yīng)力集中問題?；诖?，需要引入更優(yōu)的焊接工藝、焊接設(shè)備，并持續(xù)提高焊接技術(shù)水平，從而優(yōu)化改善壓力容器制造過程。第二種，在壓力容器焊接中，要加大對縱（環(huán)）焊縫對口錯邊量、棱角度、咬邊、焊縫余高等數(shù)值的把控，合理控制焊接期間的各項性能指標(biāo)與參數(shù)，提升壓力容器的生產(chǎn)制造質(zhì)量和結(jié)構(gòu)性能，并在此基礎(chǔ)上，按照設(shè)計開展焊后熱處理工作，進一步降低焊接應(yīng)力，有效控制應(yīng)力集中。

3.5 基于壓力容器制造監(jiān)督檢驗的集中應(yīng)力降低策略

在對壓力容器制造的監(jiān)督檢驗過程中，監(jiān)檢人員需要對壓力容器的焊接工藝、焊接試件、外觀幾何尺寸以及無損檢測等多個項目進行監(jiān)督審查，這對焊縫布置情況、母材表面機械接觸損傷情況抽查以及焊接接頭的表面質(zhì)量提出了較高要求。無損檢測是壓力容器設(shè)計與制造中需要完成的重要一環(huán)，在控制集中應(yīng)力產(chǎn)生方面能夠發(fā)揮積極作用。實踐中，通過開展無損檢驗維護壓力容器設(shè)計與制造質(zhì)量，可保證質(zhì)量水平滿足設(shè)計要求與相關(guān)規(guī)范，及時發(fā)現(xiàn)存在的質(zhì)量問題并迅速處理，以減小集中應(yīng)力[5]。為了降低集中應(yīng)力，需要在壓力容器的設(shè)計、制造以及監(jiān)督檢驗時引入合適的檢測技術(shù)，針對不同階段存在的問題進行及時、全面、精準(zhǔn)的定位與分析，并在第一時間進行有效處理，確保壓力容器的設(shè)計合理性和制造質(zhì)量達標(biāo)，從而保障容器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用安全性。

在當(dāng)前的實踐中，監(jiān)檢人員需要根據(jù)受檢單位質(zhì)量保證體系的實施狀況、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和材料的焊接性，確定射線檢測底片審查的數(shù)量和部位，審查射線底片質(zhì)量，評定與本規(guī)程及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計文件規(guī)定的符合性。射線底片審查的數(shù)量和部位需要滿足相關(guān)要求，進一步探查并提前消除壓力容器焊縫埋藏缺陷，從而有效避免制造過程中應(yīng)力集中的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

在壓力容器的設(shè)計和制造中，如果發(fā)生設(shè)計不合理、焊接工藝及水平不足等問題，均有可能使得壓力容器局部區(qū)域出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不連續(xù)現(xiàn)象而引發(fā)應(yīng)力集中，降低壓力容器的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。實際操作中，需要從優(yōu)化設(shè)計與制造兩方面入手，通過合理設(shè)計封頭結(jié)構(gòu)、減小剛度差與邊緣應(yīng)力、引入經(jīng)過形狀優(yōu)化的特殊曲線或是圓弧方式實現(xiàn)過渡、優(yōu)化焊接工藝并強化對焊縫的控制、實施無損檢測等策略，有效降低應(yīng)力集中，保證壓力容器在運行過程中的結(jié)構(gòu)強度和安全性能。