壓力容器設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廣泛應用的承壓設備，多數(shù)壓力容器所處的工況既復雜又惡劣，如高溫、低溫、高壓、疲勞載荷，介質有毒、劇毒、易燃易爆、腐蝕性強等，這就決定了壓力容器質量要求高，安全性要求高。壓力容器設計的好壞很大程度上決定了壓力容器的質量，本文結合壓力容器的特點，從設計方法的選擇，壓力容器封頭最小成形厚度的標注，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，對壓力容器設計中常見問題進行了分析。 



　　1 壓力容器設計方法 
　　壓力容器有兩種常用設計方法，即常規(guī)設計法和分析設計法。前者是基于彈性設計準則，通過殼體的薄膜理論或材料力學推導出容器及其部件的顯式表達設計計算公式，進一步明確明確壓力、許用應力、容器主要尺寸之間的關系。常規(guī)設計中包含設計方法、設計載荷和許用應力三個關鍵因素，這三要素并并非建立在對容器及其部件進行應力分析基礎之上。如容器筒體，通常只灌注壁厚中均布的薄膜應力，而不考慮彎曲應力等其它不重要的應力要素，事實上，當容器承載以后器壁上會出現(xiàn)多種應力，其中包括結構不連續(xù)所引起的局部高應力，常規(guī)設計僅僅是根據(jù)經(jīng)典力學理論及經(jīng)驗公式來規(guī)范壓力容器部件的選材、結構設計和后期制作等作業(yè)流程，以使局部應力始終始終可控，并且應該盡量選擇安全系數(shù)較高的許用應力，留有足夠的安全裕度。由此可見，常規(guī)設計實質就是基于經(jīng)驗的設計方法。 
　　具體到某一工程項目中，常規(guī)設計的確可以解決一些問題，但仍有一部分問題無從解釋，因為常規(guī)設計比較重視彈性失效問題，并未深度挖潛許用應力值后面隱藏著的多種失效模式。 
　　分析設計基于應力分析報告，通過嚴格的選材和精良的工藝達到質量標準。該方法秉承“塑性失效”和“彈塑性失效”準則，根據(jù)最大剪應力理論設定受壓元件尺寸，然后結合各種載荷條件可能的組合和彈性力學薄殼理論展開分析計算，根據(jù)應力產(chǎn)生的原因、性質以及應力作用范圍、危害程度等進行分類匯總（如總體薄膜應力、邊緣應力、峰值應力等），再逐一展開分析計算，針對每一類應力產(chǎn)生的破壞形式分別采取與之對應的強度限制條件計算出元件厚度。 
　　容器中存在的邊緣效應、開孔接管、支座、附件連接等局部不連續(xù)現(xiàn)象破壞了器壁應力分布，導致局部應力大大超出基于薄膜理論的分析計算推導出的應力數(shù)值。此時若執(zhí)行常規(guī)設計，當最大應力點滿足屈服極限條件時才判定為失效，且最大應力小于許用應力，對于低應力區(qū)而言，這么大的承載潛力幾乎是沒有必要的，耗材量過大。若剔除應力集中的條件，只憑借簡化公式的薄膜應力展開分析計算，應力集中區(qū)就可能產(chǎn)生塑性變形情況，受反復載荷的影響，甚至有開裂并引發(fā)安全事故的可能性。由此可見，分析設計必須事先掌握容器的應力分布狀況，采取針對性方法展開分析計算，以杜絕材料浪費，同時提高容器的安全性。隨著計算機技術的快速發(fā)展和有限元方法的應用，分析方法已經(jīng)廣泛應用于壓力容器的設計中。 
　　2 壓力容器封頭最小成形厚度的標注 
　　壓力容器中有一個關鍵部件――封頭。封頭的結構設計和制作工藝決定其應用時的安全性能。一般來講，最小成形厚度是確保封頭強度的最小厚度。我國現(xiàn)行《壓力容器封頭》標準，雖然明確要求壓力容器的圖樣必須注明“封頭最小成形厚度”，但并未給出統(tǒng)一的計算方法，致使許多設計者難以準確把控最小成形厚度指標。 
　　本文以GB150.1―2011為參考依據(jù)：封頭義厚度=設計厚度+材料厚度負偏差圓整至材料標準規(guī)格的厚度?？梢姺忸^的名義厚度實際投料厚度之間并無太大的關系，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=設計厚度+材料厚度負偏差向上圓整，詳見式（1）；封頭最小成形厚度=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――最小成形厚度； 
　　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、設備和加工能力存在差異，使得材料加工減薄率不一致，這在標注最小成形厚度時應注意。 
　　3 法蘭的選用 
　　當前，對于管法蘭、設備法蘭標準我國已建立了一套標準，并要求設計者采用標準規(guī)格進行設計。為了達到經(jīng)濟合理的目標，有的設計標準往往成本較高，并且最終達到的效果往往不盡人意。查閱管法蘭標準（HG20592、 　　HG20615）和設備法蘭（JB/T 4700-4707）標準后得知，在等級、規(guī)格一致的條件下，設備法蘭的設計標準遠不及螺栓孔中心圓直徑管法蘭。從受力情況來分析，設備法蘭的受力力矩比管法蘭小，因而設備法蘭比管法蘭要薄一些。另外，管法蘭外圓較大，所以建議用設備法蘭制作壓力容器的筒體，初學者最好采用標準法蘭設計壓力容器。再者，由于管法蘭的造價比設備法蘭高，如果人手孔設計項目對成本的要求較寬松，還是建議優(yōu)先使用方便快捷的管法蘭，將設備法蘭用于非標人手孔設計的部分可以節(jié)省一部分成本。 
　　4 壓力容器非徑向接管角度的選擇 
　　在容器設計過程中，鑒于容器構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。筒壁上一旦開孔，其強度勢必削弱，橢圓孔附近極易產(chǎn)生應力集中的情況，其峰值應力通常是容器薄膜應力的幾倍。 
　　通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，角度越大的非徑向接管，其應力集中系數(shù)越高。容器的非徑向角度達到25°～45°時應力集中系數(shù)較大。此時可通過打磨焊縫來消除孔周圍的應力集中現(xiàn)象。建議在設計中接管非徑向角度要避開25°～45°區(qū)間，并標明需要打磨焊縫。 
　　5 焊接應力的減少 
　　制造壓力容器時應重點灌注焊接與熱處理兩道工序的操作質量。焊接壓力容器的過程相當于把一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)較為復雜的附加內(nèi)應力，它們分別是：①焊接接頭因受熱與冷卻速率不一致而引起的的熱應力；②全相組織變化產(chǎn)生的組織應力；③由于壓力容器自身約束而產(chǎn)生的約束應力。 
　　焊接完畢后，壓力容器的焊縫區(qū)一般都存在殘余應力。這是由于焊接時產(chǎn)生不均勻的加熱場，使容器內(nèi)應力達到材料金屬的屈服極限，造成局部發(fā)生塑性變形。當溫度比較均勻后，內(nèi)應力殘留在容器內(nèi)部所致。殘余應力的分布狀況非常復雜，為了保證容器質量，需要結合焊接應力產(chǎn)生的原理及時采取有效對策來消除焊接應力。 
　　在焊接壓力容器時，設計部主要采取以下技術措施來降低和消除焊接應力。 
　　在不影響結構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，最多只能有1條焊縫；直徑大于2200mm時，最多預留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力來降低焊接應力。 
　　除了在設計上采取一些減少焊接應力的方法，還有工藝上的一些方法，比如在焊接重要結構鋼或焊接高強度鋼時，可以進行構件整體焊前預熱，將構件加熱到一定溫度后再焊接；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)情況下按一定方向進行，以延展焊縫材料金屬的塑性，降低內(nèi)應力。同時還有一些其他的方法來降低焊接應力，機械降低應力處理方法，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 結束語 
　　本文從設計方法的選擇，最小成型厚度的標注，法蘭的選用，非徑向接管角度的選擇，焊接應力的減少等幾個方面對壓力容器設計中常見的問題進行了分析，提出了一些解決辦法和方法，避免相關技術問題的發(fā)生，從而造成不必要的損失。