壓力容器設(shè)計(jì)中常見問題及分析

壓力容器是石油、化工、冶金、輕工、能-以及航空航天等部門-應(yīng)用的承壓設(shè)備，-數(shù)壓力容器所處的工況既復(fù)雜又-劣，如高溫、低溫、高壓、疲勞載荷，介質(zhì)有-、劇-、易燃易-、腐蝕-強(qiáng)等，這就決定了壓力容器-要求高，安全-要求高。壓力容器設(shè)計(jì)的-壞很大程度上決定了壓力容器的-，本文結(jié)合壓力容器的--，從設(shè)計(jì)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(duì)壓力容器設(shè)計(jì)--見問題進(jìn)行了分析。 



　　1 壓力容器設(shè)計(jì)方法 
　　壓力容器有兩種-用設(shè)計(jì)方法，即-規(guī)設(shè)計(jì)法和分析設(shè)計(jì)法。-者是基于彈-設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過殼體的薄膜理論或材料力學(xué)-導(dǎo)出容器及其部件的-式表達(dá)設(shè)計(jì)計(jì)算公式，進(jìn)-步明確明確壓力、許用應(yīng)力、容器主要尺寸之間的關(guān)系。-規(guī)設(shè)計(jì)-包含設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)載荷和許用應(yīng)力三個(gè)關(guān)鍵因素，這三要素并并非建立在對(duì)容器及其部件進(jìn)行應(yīng)力分析基礎(chǔ)之上。如容器筒體，通-只灌注壁厚-均布的薄膜應(yīng)力，而不考慮彎曲應(yīng)力等其它不-要的應(yīng)力要素，事-上，當(dāng)容器承載以后器壁上會(huì)出現(xiàn)-種應(yīng)力，其-包括結(jié)-不連續(xù)所引起的局部高應(yīng)力，-規(guī)設(shè)計(jì)僅僅是根據(jù)-力學(xué)理論及經(jīng)驗(yàn)公式來規(guī)范壓力容器部件的選材、結(jié)-設(shè)計(jì)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)較高的許用應(yīng)力，留有足夠的安全裕度。由此可見，-規(guī)設(shè)計(jì)-質(zhì)就是基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。 
　　具體到某-工程項(xiàng)目-，-規(guī)設(shè)計(jì)的確可以--些問題，但仍有-部分問題-從解釋，因?yàn)?規(guī)設(shè)計(jì)比較-視彈-失-問題，并未-度挖潛許用應(yīng)力值后面隱藏著的-種失-模式。 
　　分析設(shè)計(jì)基于應(yīng)力分析報(bào)告，通過嚴(yán)格的選材和-良的工藝達(dá)到-標(biāo)準(zhǔn)。該方法秉承“塑-失-”和“彈塑-失-”準(zhǔn)則，根據(jù)-大剪應(yīng)力理論設(shè)定受壓元件尺寸，然后結(jié)合各種載荷條件可能的組合和彈-力學(xué)薄殼理論展開分析計(jì)算，根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因、-質(zhì)以及應(yīng)力作用范圍、危害程度等進(jìn)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(jì)算，針對(duì)每-類應(yīng)力產(chǎn)生的破壞形式分別采取與之對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度限制條件計(jì)算出元件厚度。 
　　容器-存在的邊緣-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)力大大-出基于薄膜理論的分析計(jì)算-導(dǎo)出的應(yīng)力數(shù)值。此時(shí)若--規(guī)設(shè)計(jì)，當(dāng)-大應(yīng)力-滿足屈服-限條件時(shí)才判定為失-，且-大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，對(duì)于低應(yīng)力區(qū)而言，這么大的承載潛力幾乎是沒有-要的，耗材量過大。若剔除應(yīng)力集-的條件，只憑借簡化公式的薄膜應(yīng)力展開分析計(jì)算，應(yīng)力集-區(qū)就可能產(chǎn)生塑-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-。由此可見，分析設(shè)計(jì)-須事-掌握容器的應(yīng)力分布狀況，采取針對(duì)-方法展開分析計(jì)算，以杜-材料浪費(fèi)，同時(shí)提高容器的安全-。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的-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(jì)-。 
　　2 壓力容器封頭-小成形厚度的標(biāo)注 
　　壓力容器-有-個(gè)關(guān)鍵部件――封頭。封頭的結(jié)-設(shè)計(jì)和制作工藝決定其應(yīng)用時(shí)的安全-能。-般來講，-小成形厚度是確保封頭強(qiáng)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-須注明“封頭-小成形厚度”，但并未給出--的計(jì)算方法，致使許-設(shè)計(jì)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(jì)厚度+材料厚度負(fù)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-際投料厚度之間并-太大的關(guān)系，因此成形封頭的加工減薄率忽略不計(jì)。在不考慮封頭減薄的條件下，名義厚度=設(shè)計(jì)厚度+材料厚度負(fù)偏差向上圓整，詳見式（1）；封頭-小成形厚度=計(jì)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(jì)算厚度； 
　　δn――名義厚度； 
　　δmin――-小成形厚度； 
　　Δ――為圓整量； 
　　C1――厚度負(fù)偏差； 
　　C2――腐蝕裕量。 
　　由于-際生產(chǎn)-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(shí)應(yīng)注意。 
　　3 法蘭的選用 
　　當(dāng)-，對(duì)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(jì)者采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)，有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)往往成本較高，并且-終達(dá)到的-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(jì)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)不及螺栓孔-心圓直徑管法蘭。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，管法蘭外圓較大，所以建議用設(shè)備法蘭制作壓力容器的筒體，初學(xué)者--采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭設(shè)計(jì)壓力容器。再者，由于管法蘭的造-比設(shè)備法蘭高，如果人手孔設(shè)計(jì)項(xiàng)目對(duì)成本的要求較寬松，還是建議--使用方便-捷的管法蘭，將設(shè)備法蘭用于非標(biāo)人手孔設(shè)計(jì)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(jì)過程-，鑒于容器-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(qiáng)度勢-削弱，橢圓孔附近-易產(chǎn)生應(yīng)力集-的情況，其峰值應(yīng)力通-是容器薄膜應(yīng)力的幾倍。 
　　通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，角度越大的非徑向接管，其應(yīng)力集-系數(shù)越高。容器的非徑向角度達(dá)到25°～45°時(shí)應(yīng)力集-系數(shù)較大。此時(shí)可通過打磨焊縫來消除孔周圍的應(yīng)力集-現(xiàn)象。建議在設(shè)計(jì)-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(shí)應(yīng)--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(gè)不均勻的容器局部加熱。加熱時(shí)，金屬材料內(nèi)部會(huì)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全相組織變化產(chǎn)生的組織應(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(shí)產(chǎn)生不均勻的加熱場，使容器內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料金屬的屈服-限，造成局部發(fā)生塑-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-復(fù)雜，為了保-容器-，需要結(jié)合焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原理及時(shí)采取有-對(duì)策來消除焊接應(yīng)力。 
　　在焊接壓力容器時(shí)，設(shè)計(jì)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)--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(shí)，--只能有1條焊縫；直徑大于2200mm時(shí)，--預(yù)留2條焊縫，且要防止焊縫交叉。焊接時(shí)，-選擇剛度小的接頭形式。另外，可以嘗試反變形法，將傳-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(jì)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-要結(jié)-鋼或焊接高強(qiáng)度鋼時(shí)，可以進(jìn)行-件整體焊-預(yù)熱，將-件加熱到-定溫度后再焊接；焊接塑-較-的鋼材時(shí)，可以使用手錘錘擊焊縫，錘擊要在焊后熱態(tài)情況下按-定方向進(jìn)行，以延展焊縫材料金屬的塑-，降低內(nèi)應(yīng)力。同時(shí)還有-些其他的方法來降低焊接應(yīng)力，機(jī)械降低應(yīng)力處理方法，主要包括錘擊法和振動(dòng)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(jì)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(gè)方面對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)--見的問題進(jìn)行了分析，提出了-些-辦法和方法，避-相關(guān)技術(shù)問題的發(fā)生，從而造成不-要的損失。