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、能源以及航空航天等部门广泛应用的承压设备，多数压力容器所处的工况既复杂又恶劣，如高温、低温、高压、疲劳载荷，介质有毒、剧毒、易燃易爆、腐蚀性强等，这就决定了压力容器质量要求高，安全性要求高。压力容器设计的好坏很大程度上决定了压力容器的质量，本文结合压力容器的特点，从设计方法的选择，压力容器封头最小成形厚度的标注，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，对压力容器设计中常见问题进行了分析。 



　　1 压力容器设计方法 
　　压力容器有两种常用设计方法，即常规设计法和分析设计法。前者是基于弹性设计准则，通过壳体的薄膜理论或材料力学推导出容器及其部件的显式表达设计计算公式，进一步明确明确压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系。常规设计中包含设计方法、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，通常只灌注壁厚中均布的薄膜应力，而不考虑弯曲应力等其它不重要的应力要素，事实上，当容器承载以后器壁上会出现多种应力，其中包括结构不连续所引起的局部高应力，常规设计仅仅是根据经典力学理论及经验公式来规范压力容器部件的选材、结构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，常规设计实质就是基于经验的设计方法。 
　　具体到某一工程项目中，常规设计的确可以解决一些问题，但仍有一部分问题无从解释，因为常规设计比较重视弹性失效问题，并未深度挖潜许用应力值后面隐藏着的多种失效模式。 
　　分析设计基于应力分析报告，通过严格的选材和精良的工艺达到质量标准。该方法秉承“塑性失效”和“弹塑性失效”准则，根据最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性力学薄壳理论展开分析计算，根据应力产生的原因、性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），再逐一展开分析计算，针对每一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。 
　　容器中存在的边缘效应、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，导致局部应力大大超出基于薄膜理论的分析计算推导出的应力数值。此时若执行常规设计，当最大应力点满足屈服极限条件时才判定为失效，且最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必要的，耗材量过大。若剔除应力集中的条件，只凭借简化公式的薄膜应力展开分析计算，应力集中区就可能产生塑性变形情况，受反复载荷的影响，甚至有开裂并引发安全事故的可能性。由此可见，分析设计必须事先掌握容器的应力分布状况，采取针对性方法展开分析计算，以杜绝材料浪费，同时提高容器的安全性。随着计算机技术的快速发展和有限元方法的应用，分析方法已经广泛应用于压力容器的设计中。 
　　2 压力容器封头最小成形厚度的标注 
　　压力容器中有一个关键部件――封头。封头的结构设计和制作工艺决定其应用时的安全性能。一般来讲，最小成形厚度是确保封头强度的最小厚度。我国现行《压力容器封头》标准，虽然明确要求压力容器的图样必须注明“封头最小成形厚度”，但并未给出统一的计算方法，致使许多设计者难以准确把控最小成形厚度指标。 
　　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实际投料厚度之间并无太大的关系，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）；封头最小成形厚度=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――最小成形厚度； 
　　Δ――为圆整量； 
　　C1――厚度负偏差； 
　　C2――腐蚀裕量。 
　　由于实际生产中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一致，这在标注最小成形厚度时应注意。 
　　3 法兰的选用 
　　当前，对于管法兰、设备法兰标准我国已建立了一套标准，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，并且最终达到的效果往往不尽人意。查阅管法兰标准（HG20592、 　　HG20615）和设备法兰（JB/T 4700-4707）标准后得知，在等级、规格一致的条件下，设备法兰的设计标准远不及螺栓孔中心圆直径管法兰。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一些。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，初学者最好采用标准法兰设计压力容器。再者，由于管法兰的造价比设备法兰高，如果人手孔设计项目对成本的要求较宽松，还是建议优先使用方便快捷的管法兰，将设备法兰用于非标人手孔设计的部分可以节省一部分成本。 
　　4 压力容器非径向接管角度的选择 
　　在容器设计过程中，鉴于容器构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。筒壁上一旦开孔，其强度势必削弱，椭圆孔附近极易产生应力集中的情况，其峰值应力通常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，其应力集中系数越高。容器的非径向角度达到25°～45°时应力集中系数较大。此时可通过打磨焊缝来消除孔周围的应力集中现象。建议在设计中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 
　　制造压力容器时应重点灌注焊接与热处理两道工序的操作质量。焊接压力容器的过程相当于把一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一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，压力容器的焊缝区一般都存在残余应力。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极限，造成局部发生塑性变形。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常复杂，为了保证容器质量，需要结合焊接应力产生的原理及时采取有效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。 
　　在不影响结构性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，最多只能有1条焊缝；直径大于2200mm时，最多预留2条焊缝，且要防止焊缝交叉。焊接时，宜选择刚度小的接头形式。另外，可以尝试反变形法，将传统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。 
　　除了在设计上采取一些减少焊接应力的方法，还有工艺上的一些方法，比如在焊接重要结构钢或焊接高强度钢时，可以进行构件整体焊前预热，将构件加热到一定温度后再焊接；焊接塑性较好的钢材时，可以使用手锤锤击焊缝，锤击要在焊后热态情况下按一定方向进行，以延展焊缝材料金属的塑性，降低内应力。同时还有一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 结束语 
　　本文从设计方法的选择，最小成型厚度的标注，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中常见的问题进行了分析，提出了一些解决办法和方法，避免相关技术问题的发生，从而造成不必要的损失。