降低壓力容器設(shè)計(jì)制造應(yīng)力集中的措施

朱沙沙，史艷梅

（河南心連心化肥有限公司，河南新鄉(xiāng) 453731）

降低壓力容器設(shè)計(jì)制造應(yīng)力集中的措施

朱沙沙，史艷梅

（河南心連心化肥有限公司，河南新鄉(xiāng) 453731）

對(duì)壓力容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，不僅有助于對(duì)壓力容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深層次的了解，掌握制造工藝，并且可以通過設(shè)計(jì)使壓力容器應(yīng)力部分的情況得到改善，確保壓力容器在承載上的安全性，從而延長壓力容器的使用壽命。在接受應(yīng)力集中和應(yīng)力腐蝕的基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)力集中的措施進(jìn)行了介紹，希望對(duì)提高我國壓力容器設(shè)計(jì)的水平能夠有所幫助。

壓力容器；應(yīng)力集中；設(shè)計(jì)制造

為了使壓力容器的可靠性和安全性能夠得到提高，我國一方面對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了完善，另一方面也鼓勵(lì)壓力容器的設(shè)計(jì)和制造方多使用新工藝和新材料。在壓力容器中，應(yīng)力腐蝕對(duì)其可靠性和安全性會(huì)造成影響，因此應(yīng)當(dāng)采取合理的措施解決應(yīng)力腐蝕問題，避免造成較大的危害。

1 應(yīng)力腐蝕與應(yīng)力集中

應(yīng)力腐蝕在壓力容器中存在，造成其出現(xiàn)裂痕的原理如下：壓力容器在應(yīng)用過程中，因?yàn)槭軝C(jī)械或化學(xué)物品的作用，氧化膜將會(huì)被損壞，在壓力容器上將會(huì)有腐蝕點(diǎn)出現(xiàn)，受腐蝕介質(zhì)的長期作用，加上拉應(yīng)力的作用，腐蝕點(diǎn)在一段時(shí)間后將會(huì)出現(xiàn)裂痕，并且其會(huì)隨著時(shí)間的延長而逐漸擴(kuò)大，最終壓力容器將會(huì)被破壞，無法繼續(xù)使用。在應(yīng)力容器中，引起應(yīng)力腐蝕的主要原因就是應(yīng)力集中，所謂應(yīng)力集中，就是構(gòu)件因?yàn)橥獠砍叽缁蚴芰?gòu)件在應(yīng)用過程中，因?yàn)橥话l(fā)原因，導(dǎo)致局部應(yīng)力增大。這種應(yīng)力增大的情況，將會(huì)導(dǎo)致壓力容器表面出現(xiàn)裂紋等缺陷。結(jié)構(gòu)形狀會(huì)斷開，在進(jìn)行焊接過程中出現(xiàn)焊瘤、溫度梯度偏大等情況，都會(huì)使壓力容器表面產(chǎn)生裂紋，在制造壓力容器過程中，因?yàn)榧庸づc制造存在不科學(xué)的情況，機(jī)械有可能會(huì)出現(xiàn)損傷。而通過分析，不難看出，應(yīng)力集中是引起以上種種問題的主要原因，因此在壓力容器制造過程中，需要采取合理的措施，降低應(yīng)力集中，從而有效地阻止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

2 改善應(yīng)力集中的合理措施

2.1 倒圓、倒角設(shè)計(jì)

通過有元計(jì)算和應(yīng)力實(shí)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，如果在物體有小空洞、缺口等情況，在受到外力的作用后，其附近的應(yīng)力將會(huì)遠(yuǎn)大于其它部位的數(shù)值。人們將這種應(yīng)力集中增大的情況稱作應(yīng)力集中。在壓力容器中，要想使應(yīng)力集中能夠得到降低，在進(jìn)行壓力容器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取有效措施，使不同類型的圓弧圓角半徑得到合理的擴(kuò)大，在尖銳的拐角處，可以進(jìn)行倒圓或倒角設(shè)計(jì)，這一系列措施可以避免壓力容器在應(yīng)用過程中，因?yàn)槎啻纬惺芡饬ψ饔枚l(fā)生應(yīng)力集中。例如，在壓力容器接管處采取倒圓的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，這種設(shè)計(jì)方案可以降低應(yīng)力集中30%。如果壓力容器介質(zhì)為易燃易爆物品，或者為承受交變荷載以及低溫容器，在設(shè)計(jì)過程中，都應(yīng)當(dāng)采取合理的措施，盡量降低局部結(jié)構(gòu)因?yàn)閿嗔?，而?dǎo)致的峰值應(yīng)力，避免壓力容器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)疲勞損壞或脆性損壞，針對(duì)以上類型的壓力容器在焊縫余高方面的限制要比普通的容器更加嚴(yán)格，依據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)定，應(yīng)當(dāng)對(duì)接管端部進(jìn)行打磨，使其成為圓角。在制造過程中，不應(yīng)當(dāng)使點(diǎn)焊或斷開的連接呈裂縫，同時(shí)應(yīng)當(dāng)在支座處設(shè)置墊板，焊接過程中禁止直接焊接殼體，禁止敲打或刻畫受力元件，避免有缺口效應(yīng)的劃痕出現(xiàn)。此外，在焊接之后，進(jìn)行熱處理過程中，可以軟化淬硬區(qū)、降低氫含量、使組織形態(tài)發(fā)生改變，從而使壓力容器的力學(xué)性能得到改善。

在設(shè)計(jì)壓力容器過程中，多數(shù)情況都需要在硬度理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行，對(duì)穩(wěn)定性屬小和彈性失效準(zhǔn)確進(jìn)行合理應(yīng)用，在計(jì)算上則應(yīng)對(duì)平板和薄膜理論進(jìn)行合理應(yīng)用。在分析上，從應(yīng)力角度入手，通常應(yīng)當(dāng)對(duì)成型封頭和回轉(zhuǎn)殼體進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)減少平蓋封頭和矩形容器使用，只有在低壓、常壓或者有工藝存在特殊要求時(shí)，才能對(duì)平封頭的方式加以應(yīng)用。如果從應(yīng)力分布入手，對(duì)壓力容器進(jìn)行分析，封頭預(yù)應(yīng)力由差到好的排列順序如下：平封頭和緊縮口封頭、蝶形封頭、橢圓形封頭、半球型封頭。如果在封頭的設(shè)計(jì)主要考慮材料等因素，則最佳的封頭方式為橢圓形封頭。

2.2 通過邊緣應(yīng)力降低應(yīng)力集中

在壓力容器設(shè)計(jì)制造過程中，如果從邊緣應(yīng)力入手，應(yīng)當(dāng)盡量便相連接的構(gòu)件的剛度差降到最低，盡量降低因?yàn)閮?nèi)壓作用而引發(fā)的變形問題，從而導(dǎo)致不協(xié)調(diào)情況的出現(xiàn)。邊緣應(yīng)力通常都是因?yàn)閹缀涡螤畎l(fā)生突變引起的，結(jié)構(gòu)之間相互約束會(huì)導(dǎo)致邊緣彎矩和邊緣力出現(xiàn)，引起邊緣應(yīng)力。均勻荷載下，通過降低連續(xù)構(gòu)件之間的剛度差，可以降低應(yīng)力。邊緣應(yīng)力具有較強(qiáng)的局部性，因此，在壓力容器的設(shè)計(jì)和制造過程中，處理局部，對(duì)邊緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，從而增強(qiáng)邊緣區(qū)的局部內(nèi)容，提高邊緣焊縫質(zhì)量，有效避免了附件局部荷載應(yīng)力集中的出現(xiàn)，確保了壓力容器質(zhì)量能夠達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。例如，制造材料和直徑大小都相連的兩圓筒，如果兩者的壁厚之間存在較大差異，因?yàn)樵谕粌?nèi)壓作用下，變形將會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的情況，將會(huì)引起較大邊緣應(yīng)力。為了使邊緣應(yīng)力能夠得到有效控制，應(yīng)當(dāng)較厚圓筒進(jìn)行削簿過渡。在制造過程中，對(duì)厚件進(jìn)行削簿過渡，在提高焊接質(zhì)量的同時(shí)，可以同時(shí)改善焊接條件。

3 結(jié)束語

目前壓力容器在工業(yè)生產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用，其質(zhì)量對(duì)工業(yè)的安全生產(chǎn)有著重要影響，因此需要對(duì)其設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行探討。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中式壓力容器在質(zhì)量方面面臨挑戰(zhàn)，因此需要對(duì)應(yīng)力集中進(jìn)行消除，杜絕腐蝕情況的發(fā)生，確保壓力容器在工業(yè)生產(chǎn)過程中的安全運(yùn)行。

[1] 馮強(qiáng)，尹紅.試論壓力容器制造過程中存在的問題與解決措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，（21）.

[2] 李振慶，劉紅星，劉景新，等.壓力容器檢驗(yàn)中危險(xiǎn)源的辨識(shí)和控制[J].化學(xué)工程與裝備，2013，（2）.

Measures to Reduce Stress Concentration in Pressure Vessel Design and Manufacture

Zhu Sha-sha，Shi Yan-mei

The structure of pressure vessel is analyzed in detail，which not only helps to understand the structure of pressure vessel，master the manufacturing process，but also can improve the stress part of the pressure vessel by design，ensure the pressure vessel is carrying Of the safety，thereby extending the life of the pressure vessel.In this paper，stress concentration and stress corrosion on the basis of stress concentration measures were introduced，I hope to improve the level of China’s pressure vessel design can be helpful.

pressure vessel；stress concentration；design and manufacture

TH49

B

1003–6490（2016）09–0062–02

2016–08–30

朱沙沙（1988—），女，河南新鄉(xiāng)人，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)或壓力容器設(shè)計(jì)工作。