壓力容器設(shè)計(jì)及制造過程中降低應(yīng)力集中的措施

吳爽 陶桂花 李偉彥

摘 要： 隨著我國經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，壓力容器的設(shè)計(jì)制造越來越受到人們的關(guān)注。由于傳統(tǒng)技術(shù)的限制，現(xiàn)有的壓力容器制造方法存在著應(yīng)力集中的問題。為了推動(dòng)壓力容器的未來發(fā)展和應(yīng)用，通過分析壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn)，對其設(shè)計(jì)制造發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上，通過分析壓力容器制造過程中的應(yīng)力集中問題，對其影響因素進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，通過分析時(shí)代技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對壓力容器制造過程中降低應(yīng)力集中的方法進(jìn)行了研究。這些研究對壓力容器的制造與應(yīng)用有著重要的意義，有很好的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 壓力容器;設(shè)計(jì)制造;應(yīng)力集中

【中圖分類號(hào)】TQ323.41;TQ051.3 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.38.254

引言：近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷提升，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使壓力容器廣泛應(yīng)用在我國的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，如：餐飲、生物制造等。隨著壓力容器應(yīng)用范圍的不斷拓展，壓力容器需求量日益劇增，使壓力容器出現(xiàn)了各種各樣的類型，然而在設(shè)計(jì)與制造過程中還存在著眾多的問題。由于壓力容器的質(zhì)量決定著壓力容器的實(shí)際使用效果，所以在對壓力容器設(shè)計(jì)與制造期間，需要控制好細(xì)節(jié)問題，針對存在的問題提出相應(yīng)的解決措施，進(jìn)而增強(qiáng)壓力容器的使用質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)理想的使用效果。

1 壓力容器的主要特點(diǎn)

1.1 壓力容器對安全性要求極高

壓力容器是廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)的特種設(shè)備，例如高溫、高壓、低溫、深冷以及高腐蝕性等各種工況環(huán)境，同時(shí)又因其盛裝介質(zhì)多數(shù)情況下為易燃、易爆的液化氣體或者具有高度危害的化學(xué)介質(zhì)，直接涉及人的生命和工業(yè)生產(chǎn)安全，所以本著安全第一、預(yù)防為主的原則，在壓力容器的設(shè)計(jì)和制造過程中，我們必須嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)法律、法規(guī)以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，確保壓力容器在生產(chǎn)和使用全生命周期的安全可靠性。

1.2 壓力容器的設(shè)計(jì)制造具有極強(qiáng)的專業(yè)性

壓力容器的設(shè)計(jì)制造不僅安全性較高，而且對專業(yè)性的要求還較高。與普通工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備不同的是：壓力容器的制造蘊(yùn)含了多項(xiàng)學(xué)科和多種技術(shù)，例如力學(xué)知識(shí)技術(shù)、材料分析、機(jī)械加工以及冶金工業(yè)知識(shí)技術(shù)等。此外，為了確保壓力容器設(shè)備能夠適應(yīng)于多個(gè)領(lǐng)域，多個(gè)復(fù)雜環(huán)境的使用，還需要使用化學(xué)防腐技術(shù)以及相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)等。在設(shè)計(jì)制造過程中，一旦出現(xiàn)哪項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用不全面，就會(huì)給整個(gè)設(shè)備使用的安全性帶來影響。因此，壓力容器設(shè)計(jì)制造人員就應(yīng)具備較為專業(yè)的理論知識(shí)，并具備豐富的制造經(jīng)驗(yàn)，做好與其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)人員的密切配合與交流，確保有效的降低壓力容器出現(xiàn)故障的幾率，保障壓力容器的安全使用。

1.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)多樣性

上文提到，壓力容器的適用范圍較為廣泛，涉及飲食，化工，制藥，石油等多個(gè)行業(yè)，而且就算在同一行業(yè)使用壓力容器，因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能具有差異性，所以壓力容器的產(chǎn)品參數(shù)也具有多樣性的特點(diǎn)。所以在進(jìn)行壓力容器產(chǎn)品制造的過程當(dāng)中，工作人員去根據(jù)不同的用途設(shè)計(jì)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品參數(shù)，當(dāng)然水產(chǎn)品參數(shù)具有多樣性的特點(diǎn)，但在機(jī)械零件，工藝流程等相似的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，仍具有可利用的相似信息。

2 壓力容器設(shè)計(jì)及制造過程中降低應(yīng)力集中的措施

2.1 做好防腐蝕設(shè)計(jì)

大多數(shù)壓力容器由金屬材料制成，在使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)腐蝕的情況，因此，設(shè)計(jì)和制造時(shí)必須嚴(yán)格遵守防腐蝕設(shè)計(jì)，這樣才能有效地延長壓力容器的使用壽命。另外，檢查和操作人員還需要定期檢查壓力容器，以確保金屬顆粒在壓力容器的金屬外表面上均勻分布。進(jìn)而降低設(shè)備腐蝕和爆炸的可能性。在壓力容器的制造中，還可以適當(dāng)?shù)靥砑鱼t元素以改善壓力容器的耐腐蝕性。

2.2 明確計(jì)算法蘭數(shù)值

法蘭設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)過程中不可缺少的重要內(nèi)容，法蘭設(shè)計(jì)的效果決定著壓力容器整體設(shè)計(jì)的質(zhì)量。增強(qiáng)對法蘭設(shè)計(jì)的管理與控制能夠使壓力容器的設(shè)計(jì)質(zhì)量得到進(jìn)一步提升。從國際方面來看，Waters法是壓力容器在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常使用的法蘭設(shè)計(jì)方式。在具體設(shè)計(jì)時(shí)還需要采用科學(xué)的方法對壓力容器法蘭設(shè)計(jì)進(jìn)行核算，經(jīng)過全面考慮法蘭結(jié)構(gòu)、受力狀況等，按照壓力容器設(shè)計(jì)與生產(chǎn)加工的要求，得到準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而使壓力容器設(shè)計(jì)制造質(zhì)量得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.3 壓力容器制造工藝的改進(jìn)方法分析

除了對壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化之外，還需要對其制造工藝進(jìn)行必要的改進(jìn)，以降低壓力集中現(xiàn)象的發(fā)生。目前，焊接仍然是壓力容器制造中不可或缺的一環(huán)，也是保證壓力容器制造質(zhì)量的重要因素。在焊接的過程中，如果不能夠?qū)崿F(xiàn)對余高等因素的控制，很容易導(dǎo)致壓力容器的結(jié)構(gòu)不合理，進(jìn)而發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行壓力容器焊接的時(shí)候，需要根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)手段，嚴(yán)格控制余高等。在完成焊接工作后，需要根據(jù)相關(guān)規(guī)定對壓力容器的焊縫等進(jìn)行打磨。同時(shí)，為了保證壓力容器的使用質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)盡可能避免采用點(diǎn)焊等焊接方式進(jìn)行壓力容器的制造。

2.4 加強(qiáng)材料的選用

材料是壓力容器設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，更是保障設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，有關(guān)部門就應(yīng)加強(qiáng)重視材料的采購工作。其中，碳素鋼和低合金鋼是制造壓力容器時(shí)常用的兩種材料，而在采購這兩種材料時(shí)，就應(yīng)確保各種元素的含量能夠嚴(yán)格的符合有關(guān)要求，并檢查材料上是否有國家有關(guān)部門所印制的檢驗(yàn)標(biāo)志，只有檢驗(yàn)合格后，才能將其投入正常使用。此外，在采購材料時(shí)，還應(yīng)要求供應(yīng)商出具材料制造商的合格證書，檢查合格書中是否注明了材料的規(guī)格、材質(zhì)、檢驗(yàn)要求、各個(gè)元素含量等是否滿足國家法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的要求，以此才能有效的保障材料使用的安全性。質(zhì)量檢驗(yàn)人員還應(yīng)檢查材料的力學(xué)性能，避免壓力容器受到生產(chǎn)材料的影響而出現(xiàn)爆炸的現(xiàn)象。

結(jié)語：目前，壓力容器以其獨(dú)有的專業(yè)特性已成為石油、化工、機(jī)械、海洋等行業(yè)廣泛使用的核心設(shè)備之一;同時(shí)因其結(jié)構(gòu)的特殊性、盛裝介質(zhì)的復(fù)雜性以及使用環(huán)境工況的多樣性等特點(diǎn)，也使其具有極高的危險(xiǎn)性，故而被列為特種設(shè)備之一，受國家法律、法規(guī)等強(qiáng)制管理，這也要求開展壓力容器設(shè)計(jì)和制造過程中，必須嚴(yán)格遵守相關(guān)法律、法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時(shí)將理論和實(shí)踐有效結(jié)合，不斷的對設(shè)計(jì)制造過程中產(chǎn)生的各類問題進(jìn)行歸納研究，累積行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在確保安全可靠的前提下達(dá)到設(shè)計(jì)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、易于制造、使用可靠和造價(jià)經(jīng)濟(jì)等目的，進(jìn)而確保產(chǎn)品的使用安全性能。

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