壓力容器設計中常見問題及分析

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作者來源:李清 ?? 發布時間： 2018-06-08 15:48

導讀：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，多數壓力容器所處的工況既復雜又惡劣。

壓力容器是石油、化工、冶金、輕工、能-以及航空航天等部門-應用的承壓設備，-數壓力容器所處的工況既復雜又-劣，如高溫、低溫、高壓、疲勞載荷，介質有-、劇-、易燃易-、腐蝕-強等，這就決定了壓力容器-要求高，安全-要求高。壓力容器設計的-壞很大程度上決定了壓力容器的-，本文結合壓力容器的--，從設計方法的選擇，壓力容器封頭-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--見問題進行了分析。

壓力容器設計--見問題及分析

1 壓力容器設計方法
壓力容器有兩種-用設計方法，即-規設計法和分析設計法。-者是基于彈-設計準則，通過殼體的薄膜理論或材料力學-導出容器及其部件的-式表達設計計算公式，進-步明確明確壓力、許用應力、容器主要尺寸之間的關系。-規設計-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-只灌注壁厚-均布的薄膜應力，而不考慮彎曲應力等其它不-要的應力要素，事-上，當容器承載以后器壁上會出現-種應力，其-包括結-不連續所引起的局部高應力，-規設計僅僅是根據-力學理論及經驗公式來規范壓力容器部件的選材、結-設計和后期制作等作業流程，以使局部應力始終始終可控，并且應該盡量選擇安全系數較高的許用應力，留有足夠的安全裕度。由此可見，-規設計-質就是基于經驗的設計方法。
具體到某-工程項目-，-規設計的確可以--些問題，但仍有-部分問題-從解釋，因為-規設計比較-視彈-失-問題，并未-度挖潛許用應力值后面隱藏著的-種失-模式。
分析設計基于應力分析報告，通過嚴格的選材和-良的工藝達到-標準。該方法秉承“塑-失-”和“彈塑-失-”準則，根據-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-力學薄殼理論展開分析計算，根據應力產生的原因、-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-展開分析計算，針對每-類應力產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-存在的邊緣-應、開孔接管、支座、附件連接等局部不連續現象破壞了器壁應力分布，導致局部應力大大-出基于薄膜理論的分析計算-導出的應力數值。此時若--規設計，當-大應力-滿足屈服-限條件時才判定為失-，且-大應力小于許用應力，對于低應力區而言，這么大的承載潛力幾乎是沒有-要的，耗材量過大。若剔除應力集-的條件，只憑借簡化公式的薄膜應力展開分析計算，應力集-區就可能產生塑-變形情況，受反復載荷的影響，甚至有開裂并引發安全事故的可能-。由此可見，分析設計-須事-掌握容器的應力分布狀況，采取針對-方法展開分析計算，以杜-材料浪費，同時提高容器的安全-。隨著計算機技術的-速發展和有限元方法的應用，分析方法已經-應用于壓力容器的設計-。
2 壓力容器封頭-小成形厚度的標注
壓力容器-有-個關鍵部件――封頭。封頭的結-設計和制作工藝決定其應用時的安全-能。一般來講，-小成形厚度是確保封頭強度的-小厚度。我-現行《壓力容器封頭》標準，雖然明確要求壓力容器的圖樣-須注明“封頭-小成形厚度”，但并未給出--的計算方法，致使許-設計者難以準確把控-小成形厚度指標。
本文以GB150.1―2011為參考依據：封頭義厚度=設計厚度+材料厚度負偏差圓整至材料標準規格的厚度。可見封頭的名義厚度-際投料厚度之間并-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-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）
各參數所表示意義如下：
δ――計算厚度；
δn――名義厚度；
δmin――-小成形厚度；
Δ――為圓整量；
C1――厚度負偏差；
C2――腐蝕裕量。
由于-際生產-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-致，這在標注-小成形厚度時應注意。
3 法蘭的選用
當-，對于管法蘭、設備法蘭標準我-已建立了-套標準，并要求設計者采用標準規格進行設計。為了達到經濟合理的目標，有的設計標準往往成本較高，并且-終達到的-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-、規格-致的條件下，設備法蘭的設計標準遠不及螺栓孔-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-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--采用標準法蘭設計壓力容器。再者，由于管法蘭的造-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--使用方便-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省-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-，鑒于容器-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-旦開孔，其強度勢-削弱，橢圓孔附近-易產生應力集-的情況，其峰值應力通-是容器薄膜應力的幾倍。
通過查閱文獻發現，角度越大的非徑向接管，其應力集-系數越高。容器的非徑向角度達到25°～45°時應力集-系數較大。此時可通過打磨焊縫來消除孔周圍的應力集-現象。建議在設計-接管非徑向角度要避開25°～45°區間，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--灌注焊接與熱處理兩道工序的操作-。焊接壓力容器的過程相當于把-個不均勻的容器局部加熱。加熱時，金屬材料內部會產生不均勻收縮或膨脹的現象，并由此產生三種峰值及分布狀態較為復雜的附加內應力，它們分別是：①焊接接頭因受熱與冷卻速率不-致而引起的的熱應力；②全相組織變化產生的組織應力；③由于壓力容器自身約束而產生的約束應力。
焊接完畢后，壓力容器的焊縫區一般都存在殘余應力。這是由于焊接時產生不均勻的加熱場，使容器內應力達到材料金屬的屈服-限，造成局部發生塑-變形。當溫度比較均勻后，內應力殘留在容器內部所致。殘余應力的分布狀況非-復雜，為了保-容器-，需要結合焊接應力產生的原理及時采取有-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--能的條件下減小焊縫長度、減少焊縫數量，并控制其截面尺寸。如基于JB1618―75操作規程，在直徑小于等于2200mm時，--只能有1條焊縫；直徑大于2200mm時，--預留2條焊縫，且要防止焊縫交叉。焊接時，-選擇剛度小的接頭形式。另外，可以嘗試反變形法，將傳-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-些減少焊接應力的方法，還有工藝上的-些方法，比如在焊接-要結-鋼或焊接高強度鋼時，可以進行-件整體焊-預熱，將-件加熱到-定溫度后再焊接；焊接塑-較-的鋼材時，可以使用手錘錘擊焊縫，錘擊要在焊后熱態情況下按-定方向進行，以延展焊縫材料金屬的塑-，降低內應力。同時還有-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 -語
本文從設計方法的選擇，-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--見的問題進行了分析，提出了-些-辦法和方法，避-相關技術問題的發生，從而造成不-要的損失。