壓力容器設(shè)計中常見問題及分析

壓力容器是石油、化工、冶金、輕工、能源以及航空航天等部門-應(yīng)用的承壓設(shè)備，多數(shù)壓力容器所處的工況既復(fù)雜又惡劣，如-溫、低溫、-壓、疲勞載荷，介質(zhì)有毒、劇毒、易燃易-、腐蝕性強等，這就決-了壓力容器-要求-，安全性要求-。壓力容器設(shè)計的好壞很-程度上決-了壓力容器的-，本文結(jié)合壓力容器的特-，從設(shè)計方法的選擇，壓力容器封頭-小成形厚度的標(biāo)注，法蘭是選用，壓力容器非徑向接管角度的選擇，焊后熱處理等方面，對壓力容器設(shè)計中常見問題進行了分析。 



　　1 壓力容器設(shè)計方法 
　　壓力容器有兩種常用設(shè)計方法，即常規(guī)設(shè)計法和分析設(shè)計法。前者是基于彈性設(shè)計準(zhǔn)則，通過殼體的薄膜理論或材料力學(xué)推導(dǎo)出容器及其部件的顯式表達設(shè)計計算公式，進-步明確明確壓力、許用應(yīng)力、容器主要尺寸之間的關(guān)系。常規(guī)設(shè)計中包含設(shè)計方法、設(shè)計載荷和許用應(yīng)力三個關(guān)鍵因素，這三要素并并非建立在對容器及其部件進行應(yīng)力分析基礎(chǔ)之上。如容器筒體，通常只灌注壁厚中均布的薄膜應(yīng)力，而不考慮彎曲應(yīng)力等其它不重要的應(yīng)力要素，事實上，當(dāng)容器承載以后器壁上會出現(xiàn)多種應(yīng)力，其中包括結(jié)構(gòu)不連續(xù)所引起的局部-應(yīng)力，常規(guī)設(shè)計僅僅是根據(jù)-力學(xué)理論及經(jīng)驗公式來規(guī)范壓力容器部件的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計和后期制作等作業(yè)流程，以使局部應(yīng)力始終始終可控，并且應(yīng)該盡量選擇安全系數(shù)較-的許用應(yīng)力，留有足夠的安全裕度。由此可見，常規(guī)設(shè)計實質(zhì)就是基于經(jīng)驗的設(shè)計方法。 
　　具體到某-工程項目中，常規(guī)設(shè)計的確可以解決-些問題，但仍有-部分問題無從解釋，因為常規(guī)設(shè)計比較重視彈性失效問題，并未深度挖潛許用應(yīng)力值后面隱藏著的多種失效模式。 
　　分析設(shè)計基于應(yīng)力分析報告，通過嚴(yán)格的選材和精良的工藝達到-標(biāo)準(zhǔn)。該方法秉承“塑性失效”和“彈塑性失效”準(zhǔn)則，根據(jù)--剪應(yīng)力理論設(shè)-受壓元件尺寸，然后結(jié)合各種載荷條件可能的組合和彈性力學(xué)薄殼理論展開分析計算，根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因、性質(zhì)以及應(yīng)力作用范圍、危害程度等進行分類匯總（如總體薄膜應(yīng)力、邊緣應(yīng)力、峰值應(yīng)力等），再逐-展開分析計算，針對每-類應(yīng)力產(chǎn)生的破壞形式分別采取與之對應(yīng)的強度限制條件計算出元件厚度。 
　　容器中存在的邊緣效應(yīng)、開孔接管、支座、附件連接等局部不連續(xù)現(xiàn)象破壞了器壁應(yīng)力分布，導(dǎo)致局部應(yīng)力---出基于薄膜理論的分析計算推導(dǎo)出的應(yīng)力數(shù)值。此時若-常規(guī)設(shè)計，當(dāng)--應(yīng)力-滿足屈服-限條件時才判-為失效，且--應(yīng)力小于許用應(yīng)力，對于低應(yīng)力區(qū)而言，這么-的承載潛力幾乎是沒有必要的，耗材量過-。若剔除應(yīng)力集中的條件，只憑借簡化公式的薄膜應(yīng)力展開分析計算，應(yīng)力集中區(qū)就可能產(chǎn)生塑性變形情況，受反復(fù)載荷的影響，甚至有開裂并引發(fā)安全事故的可能性。由此可見，分析設(shè)計必須事-掌握容器的應(yīng)力分布狀況，采取針對性方法展開分析計算，以杜-材料浪費，同時提-容器的安全性。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和有限元方法的應(yīng)用，分析方法已經(jīng)-應(yīng)用于壓力容器的設(shè)計中。 
　　2 壓力容器封頭-小成形厚度的標(biāo)注 
　　壓力容器中有-個關(guān)鍵部件――封頭。封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作工藝決-其應(yīng)用時的安全性能。-般來講，-小成形厚度是確保封頭強度的-小厚度。我-現(xiàn)行《壓力容器封頭》標(biāo)準(zhǔn)，雖然明確要求壓力容器的圖樣必須注明“封頭-小成形厚度”，但并未給出統(tǒng)-的計算方法，致使許多設(shè)計者難以準(zhǔn)確把控-小成形厚度指標(biāo)。 
　　本文以GB150.1―2011為參考依據(jù)：封頭義厚度=設(shè)計厚度+材料厚度負偏差圓整至材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。可見封頭的名義厚度實際投料厚度之間并無太-的關(guān)系，因此成形封頭的加工減薄率忽略不計。在不考慮封頭減薄的條件下，名義厚度=設(shè)計厚度+材料厚度負偏差向上圓整，詳見式（1）；封頭-小成形厚度=計算厚度+腐蝕裕量，詳見式（2）。 
　　δn=δ+C1+C2+Δ （1） 
　　δmin=δ+C2 （2） 
　　各參數(shù)所表示意義如下： 
　　δ――計算厚度； 
　　δn――名義厚度； 
　　δmin――-小成形厚度； 
　　Δ――為圓整量； 
　　C1――厚度負偏差； 
　　C2――腐蝕裕量。 
　　由于實際生產(chǎn)中壓力容器制造商之間的工藝、設(shè)備和加工能力存在差異，使得材料加工減薄率不-致，這在標(biāo)注-小成形厚度時應(yīng)注意。 
　　3 法蘭的選用 
　　當(dāng)前，對于管法蘭、設(shè)備法蘭標(biāo)準(zhǔn)我-已建立了-套標(biāo)準(zhǔn)，并要求設(shè)計者采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格進行設(shè)計。為了達到經(jīng)濟合理的目標(biāo)，有的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)往往成本較-，并且-終達到的效果往往不盡人意。查閱管法蘭標(biāo)準(zhǔn)（HG20592、 　　HG20615）和設(shè)備法蘭（JB/T 4700-4707）標(biāo)準(zhǔn)后得知，在等-、規(guī)格-致的條件下，設(shè)備法蘭的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)遠不及螺栓孔-圓直徑管法蘭。從受力情況來分析，設(shè)備法蘭的受力力矩比管法蘭小，因而設(shè)備法蘭比管法蘭要薄-些。另外，管法蘭外圓較-，所以建議用設(shè)備法蘭制作壓力容器的筒體，初學(xué)者-好采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭設(shè)計壓力容器。再者，由于管法蘭的造價比設(shè)備法蘭-，如果人手孔設(shè)計項目對成本的要求較寬松，還是建議--使用方便快捷的管法蘭，將設(shè)備法蘭用于非標(biāo)人手孔設(shè)計的部分可以節(jié)省-部分成本。 
　　4 壓力容器非徑向接管角度的選擇 
　　在容器設(shè)計過程中，鑒于容器構(gòu)造和制造工藝方面的要求，有的壓力容器需要在筒體上開橢圓孔，裝配切向或斜向的非徑向接管。筒壁上-旦開孔，其強度勢必削弱，橢圓孔附近-易產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況，其峰值應(yīng)力通常是容器薄膜應(yīng)力的幾倍。 
　　通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，角度越-的非徑向接管，其應(yīng)力集中系數(shù)越-。容器的非徑向角度達到25°～45°時應(yīng)力集中系數(shù)較-。此時可通過打磨焊縫來消除孔周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象。建議在設(shè)計中接管非徑向角度要避開25°～45°區(qū)間，并標(biāo)明需要打磨焊縫。 
　　5 焊接應(yīng)力的減少 
　　制造壓力容器時應(yīng)重-灌注焊接與熱處理兩道工序的操作-。焊接壓力容器的過程相當(dāng)于把-個不均勻的容器局部加熱。加熱時，金屬材料內(nèi)部會產(chǎn)生不均勻收縮或膨脹的現(xiàn)象，并由此產(chǎn)生三種峰值及分布狀態(tài)較為復(fù)雜的附加內(nèi)應(yīng)力，它們分別是：①焊接接頭因受熱與冷卻速率不-致而引起的的熱應(yīng)力；②全相-變化產(chǎn)生的-應(yīng)力；③由于壓力容器自身約束而產(chǎn)生的約束應(yīng)力。 
　　焊接完畢后，壓力容器的焊縫區(qū)-般都存在殘余應(yīng)力。這是由于焊接時產(chǎn)生不均勻的加熱場，使容器內(nèi)應(yīng)力達到材料金屬的屈服-限，造成局部發(fā)生塑性變形。當(dāng)溫度比較均勻后，內(nèi)應(yīng)力殘留在容器內(nèi)部所致。殘余應(yīng)力的分布狀況非常復(fù)雜，為了-容器-，需要結(jié)合焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原理及時采取有效對策來消除焊接應(yīng)力。 
　　在焊接壓力容器時，設(shè)計部主要采取以下技術(shù)措施來降低和消除焊接應(yīng)力。 
　　在不影響結(jié)構(gòu)性能的條件下減小焊縫長度、減少焊縫數(shù)量，并控制其截面尺寸。如基于JB1618―75操作規(guī)程，在直徑小于等于2200mm時，-多只能有1條焊縫；直徑-于2200mm時，-多預(yù)留2條焊縫，且要防止焊縫交叉。焊接時，宜選擇剛度小的接頭形式。另外，可以嘗試反變形法，將傳統(tǒng)插入管連接方式改為翻邊連接，但平板只能少量翻邊，通過控制焊縫的約束應(yīng)力來降低焊接應(yīng)力。 
　　除了在設(shè)計上采取-些減少焊接應(yīng)力的方法，還有工藝上的-些方法，比如在焊接重要結(jié)構(gòu)鋼或焊接-強度鋼時，可以進行構(gòu)件整體焊前預(yù)熱，將構(gòu)件加熱到--溫度后再焊接；焊接塑性較好的鋼材時，可以使用手錘錘擊焊縫，錘擊要在焊后熱態(tài)情況下按--方向進行，以延展焊縫材料金屬的塑性，降低內(nèi)應(yīng)力。同時還有-些其他的方法來降低焊接應(yīng)力，機械降低應(yīng)力處理方法，主要包括錘擊法和振動法；焊后熱處理法，分為整體和局部熱處理法。 
　　6 -語 
　　本文從設(shè)計方法的選擇，-小成型厚度的標(biāo)注，法蘭的選用，非徑向接管角度的選擇，焊接應(yīng)力的減少等幾個方面對壓力容器設(shè)計中常見的問題進行了分析，提出了-些解決辦法和方法，避免相關(guān)技術(shù)問題的發(fā)生，從而造成不必要的損失。