压力容器设计中常见问题及分析

压力容器是石油、化工、冶金、轻工、能-以及航空航天等部门-应用的承压设备，-数压力容器所处的工况既复杂又-劣，如高温、低温、高压、疲劳载荷，介质有-、剧-、易燃易-、腐蚀-强等，这就决定了压力容器-要求高，安全-要求高。压力容器设计的-坏很大程度上决定了压力容器的-，本文结合压力容器的--，从设计方法的选择，压力容器封头-小成形厚度的标注，法兰是选用，压力容器非径向接管角度的选择，焊后热处理等方面，对压力容器设计--见问题进行了分析。 



　　1 压力容器设计方法 
　　压力容器有两种-用设计方法，即-规设计法和分析设计法。-者是基于弹-设计准则，通过壳体的薄膜理论或材料力学-导出容器及其部件的-式表达设计计算公式，进-步明确明确压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系。-规设计-包含设计方法、设计载荷和许用应力三个关键因素，这三要素并并非建立在对容器及其部件进行应力分析基础之上。如容器筒体，通-只灌注壁厚-均布的薄膜应力，而不考虑弯曲应力等其它不-要的应力要素，事-上，当容器承载以后器壁上会出现-种应力，其-包括结-不连续所引起的局部高应力，-规设计仅仅是根据-力学理论及经验公式来规范压力容器部件的选材、结-设计和后期制作等作业流程，以使局部应力始终始终可控，并且应该尽量选择安全系数较高的许用应力，留有足够的安全裕度。由此可见，-规设计-质就是基于经验的设计方法。 
　　具体到某-工程项目-，-规设计的确可以--些问题，但仍有-部分问题-从解释，因为-规设计比较-视弹-失-问题，并未-度挖潜许用应力值后面隐藏着的-种失-模式。 
　　分析设计基于应力分析报告，通过严格的选材和-良的工艺达到-标准。该方法秉承“塑-失-”和“弹塑-失-”准则，根据-大剪应力理论设定受压元件尺寸，然后结合各种载荷条件可能的组合和弹-力学薄壳理论展开分析计算，根据应力产生的原因、-质以及应力作用范围、危害程度等进行分类汇总（如总体薄膜应力、边缘应力、峰值应力等），再逐-展开分析计算，针对每-类应力产生的破坏形式分别采取与之对应的强度限制条件计算出元件厚度。 
　　容器-存在的边缘-应、开孔接管、支座、附件连接等局部不连续现象破坏了器壁应力分布，导致局部应力大大-出基于薄膜理论的分析计算-导出的应力数值。此时若--规设计，当-大应力-满足屈服-限条件时才判定为失-，且-大应力小于许用应力，对于低应力区而言，这么大的承载潜力几乎是没有-要的，耗材量过大。若剔除应力集-的条件，只凭借简化公式的薄膜应力展开分析计算，应力集-区就可能产生塑-变形情况，受反复载荷的影响，甚至有开裂并引发安全事故的可能-。由此可见，分析设计-须事-掌握容器的应力分布状况，采取针对-方法展开分析计算，以杜-材料浪费，同时提高容器的安全-。随着计算机技术的-速发展和有限元方法的应用，分析方法已经-应用于压力容器的设计-。 
　　2 压力容器封头-小成形厚度的标注 
　　压力容器-有-个关键部件――封头。封头的结-设计和制作工艺决定其应用时的安全-能。-般来讲，-小成形厚度是确保封头强度的-小厚度。我-现行《压力容器封头》标准，虽然明确要求压力容器的图样-须注明“封头-小成形厚度”，但并未给出--的计算方法，致使许-设计者难以准确把控-小成形厚度指标。 
　　本文以GB150.1―2011为参考依据：封头义厚度=设计厚度+材料厚度负偏差圆整至材料标准规格的厚度。可见封头的名义厚度-际投料厚度之间并-太大的关系，因此成形封头的加工减薄率忽略不计。在不考虑封头减薄的条件下，名义厚度=设计厚度+材料厚度负偏差向上圆整，详见式（1）；封头-小成形厚度=计算厚度+腐蚀裕量，详见式（2）。 
　　δn=δ+C1+C2+Δ （1） 
　　δmin=δ+C2 （2） 
　　各参数所表示意义如下： 
　　δ――计算厚度； 
　　δn――名义厚度； 
　　δmin――-小成形厚度； 
　　Δ――为圆整量； 
　　C1――厚度负偏差； 
　　C2――腐蚀裕量。 
　　由于-际生产-压力容器制造商之间的工艺、设备和加工能力存在差异，使得材料加工减薄率不-致，这在标注-小成形厚度时应注意。 
　　3 法兰的选用 
　　当-，对于管法兰、设备法兰标准我-已建立了-套标准，并要求设计者采用标准规格进行设计。为了达到经济合理的目标，有的设计标准往往成本较高，并且-终达到的-果往往不尽人意。查阅管法兰标准（HG20592、 　　HG20615）和设备法兰（JB/T 4700-4707）标准后得知，在等-、规格-致的条件下，设备法兰的设计标准远不及螺栓孔-心圆直径管法兰。从受力情况来分析，设备法兰的受力力矩比管法兰小，因而设备法兰比管法兰要薄-些。另外，管法兰外圆较大，所以建议用设备法兰制作压力容器的筒体，初学者--采用标准法兰设计压力容器。再者，由于管法兰的造-比设备法兰高，如果人手孔设计项目对成本的要求较宽松，还是建议--使用方便-捷的管法兰，将设备法兰用于非标人手孔设计的部分可以节省-部分成本。 
　　4 压力容器非径向接管角度的选择 
　　在容器设计过程-，鉴于容器-造和制造工艺方面的要求，有的压力容器需要在筒体上开椭圆孔，装配切向或斜向的非径向接管。筒壁上-旦开孔，其强度势-削弱，椭圆孔附近-易产生应力集-的情况，其峰值应力通-是容器薄膜应力的几倍。 
　　通过查阅文献发现，角度越大的非径向接管，其应力集-系数越高。容器的非径向角度达到25°～45°时应力集-系数较大。此时可通过打磨焊缝来消除孔周围的应力集-现象。建议在设计-接管非径向角度要避开25°～45°区间，并标明需要打磨焊缝。 
　　5 焊接应力的减少 
　　制造压力容器时应--灌注焊接与热处理两道工序的操作-。焊接压力容器的过程相当于把-个不均匀的容器局部加热。加热时，金属材料内部会产生不均匀收缩或膨胀的现象，并由此产生三种峰值及分布状态较为复杂的附加内应力，它们分别是：①焊接接头因受热与冷却速率不-致而引起的的热应力；②全相组织变化产生的组织应力；③由于压力容器自身约束而产生的约束应力。 
　　焊接完毕后，压力容器的焊缝区-般都存在残余应力。这是由于焊接时产生不均匀的加热场，使容器内应力达到材料金属的屈服-限，造成局部发生塑-变形。当温度比较均匀后，内应力残留在容器内部所致。残余应力的分布状况非-复杂，为了保-容器-，需要结合焊接应力产生的原理及时采取有-对策来消除焊接应力。 
　　在焊接压力容器时，设计部主要采取以下技术措施来降低和消除焊接应力。 
　　在不影响结--能的条件下减小焊缝长度、减少焊缝数量，并控制其截面尺寸。如基于JB1618―75操作规程，在直径小于等于2200mm时，--只能有1条焊缝；直径大于2200mm时，--预留2条焊缝，且要防止焊缝交叉。焊接时，-选择刚度小的接头形式。另外，可以尝试反变形法，将传-插入管连接方式改为翻边连接，但平板只能少量翻边，通过控制焊缝的约束应力来降低焊接应力。 
　　除了在设计上采取-些减少焊接应力的方法，还有工艺上的-些方法，比如在焊接-要结-钢或焊接高强度钢时，可以进行-件整体焊-预热，将-件加热到-定温度后再焊接；焊接塑-较-的钢材时，可以使用手锤锤击焊缝，锤击要在焊后热态情况下按-定方向进行，以延展焊缝材料金属的塑-，降低内应力。同时还有-些其他的方法来降低焊接应力，机械降低应力处理方法，主要包括锤击法和振动法；焊后热处理法，分为整体和局部热处理法。 
　　6 -语 
　　本文从设计方法的选择，-小成型厚度的标注，法兰的选用，非径向接管角度的选择，焊接应力的减少等几个方面对压力容器设计--见的问题进行了分析，提出了-些-办法和方法，避-相关技术问题的发生，从而造成不-要的损失。