壓力容器殼體制造中的主要缺陷及對殼體安全的影響分析

劉松濤

浙江內(nèi)曼格機械制造有限公司，浙江 杭州 314500

壓力容器在電站里是一種特殊的設(shè)備，同時使用的參數(shù)也在不斷上升，容器殼體自身的質(zhì)量會給企業(yè)的安全帶來多方面的作用。這就需要企業(yè)在制造中消除壓力容器殼體存在的各種問題，這樣不僅能維持設(shè)備的持續(xù)運行，還能顯著降低意外事故的發(fā)生，起到安全、經(jīng)濟雙方面的效果。根據(jù)壓力容器殼體不同的制作情況看，我們可以綜合總結(jié)出壓力容器存在的不足之處，為后面的生產(chǎn)改造提出有效建議。

1 壓力容器殼體幾何形狀異常帶來的影響

如果殼體幾何形狀存在持續(xù)問題時則會影響到結(jié)構(gòu)的受力情況，如：表面凹凸不平、截面不圓、接縫角變形等。若殼體承受壓力則將于殼體內(nèi)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，使得構(gòu)建的局部位置承受過大的壓力。另外，幾何形狀的不連續(xù)會造成附加應(yīng)力大小不一，這主要是由連續(xù)處的過渡狀況決定。尺寸和形狀發(fā)生異常變化時會造成過大的附加應(yīng)力，當這種變化較小時則附加應(yīng)力也會減小。

截面不圓常會導致筒節(jié)與筒節(jié)、筒節(jié)與封頭接縫出現(xiàn)不吻合的問題。另一個角度看不圓的筒體承受內(nèi)壓時，受到“趨圓”變形的影響會造成筒體內(nèi)出現(xiàn)周向附加彎曲應(yīng)力。最大的周向彎曲應(yīng)力則處于長徑部位，計算這一應(yīng)力時可按照以下方式進行：

式中：σb-由于筒體截面不圓產(chǎn)生的最大周向彎曲應(yīng)力，MPa；

P-筒體承受的內(nèi)壓，MPa；

D-筒體平均直徑，mm；

Dmax-不圓截面上的最大值徑，mm；

Dmin-不圓截面上的最小值徑，mm；

δ-壁厚，mm。

由此可知，當截面不圓度過大時，需要承載內(nèi)壓圓筒內(nèi)的附加彎曲應(yīng)力也會變大，這是我們需要高度重視的問題。而受外壓的圓筒截面不圓會則會使得臨界壓力不斷減小，情況加重時將直接影響構(gòu)件性能。

表面局部凹陷和凸出也會引起多方面的影響，凹陷（或凸出）大小、深度決定了其嚴重程度。通常情況下，直徑越大則深度越小，這時幾何形狀的變化幅度較小，在安全影響方面的作用也較小。而加工成形時出現(xiàn)的凹凸不平，通常都是相對緩和的狀況。

焊縫過份加強（凸起）將導致局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不連續(xù)，從而大大增加了局部的應(yīng)力大小，此種問題通常會被人們忽視。盡管這類問題不能對焊縫的靜力強度造成影響，而對于構(gòu)件的疲勞強度卻起到減弱的作用。

接縫錯邊通常要在焊接階段，結(jié)合熔注金屬填補過渡完成制作，但其形狀的變化程度多數(shù)較為明顯，這類形式的接縫角變形對幾何形狀不連續(xù)而言影響甚大。殼體需要頻繁啟動和反復(fù)變載時，錯邊和角變形能降低疲勞強度，減短了設(shè)備的使用周期。

2 壓力容器殼體焊縫缺口的影響

很多情況的焊接缺陷都是在焊縫或焊縫周圍出現(xiàn)缺口，如：咬邊、未焊透、氣孔、夾渣和焊縫凹陷等，這類狀況會在兩個方面對殼體的安全造成影響。首先，不同缺陷的出現(xiàn)會大大減小焊縫的承載截面積，使焊縫的靜力拉伸強度減弱，情況嚴重會造成殼體的延性破壞。缺陷截面積的大小決定了嚴重程度，但經(jīng)過總要和計算能對將會造成的影響給予評估。其次，因陷口的存在使得缺口附近的受力條件出現(xiàn)變化，給材料的塑性變形造成很大的阻礙，讓材料轉(zhuǎn)向脆性狀態(tài)，有時會造成缺口根部的應(yīng)力集中，會形成裂紋或?qū)е铝鸭y擴展。

構(gòu)件出現(xiàn)不足之處后，會造成應(yīng)力大小布置不均衡。而嚴重程度情況多數(shù)依賴于應(yīng)力集中系統(tǒng)的戰(zhàn)士，這一指標常通過截面上最大應(yīng)力與平均應(yīng)力之比獲得。經(jīng)過長期制造顯示，應(yīng)力集中系數(shù)的大小多由缺口的尖銳程度決定。缺口越尖銳通常是缺口根部的曲率半徑越小，應(yīng)力根部相對集中，這會導致構(gòu)建出現(xiàn)損壞問題。

3 壓力容器殼體殘余應(yīng)力的影響

當殼體經(jīng)過焊接和冷加工等操作時，殼體內(nèi)部都會存留一定大小的內(nèi)應(yīng)力。主要是制造中或制成后的殼體若處于無壓力狀態(tài)，一部分殼壁則會處在有應(yīng)力的狀態(tài)中。這種殘余應(yīng)力大小不一，焊接殘余應(yīng)力通常偏大，有的情況這類壓力會接近或達到材料的屈服點。盡管殘余應(yīng)力不屬于殼體上的機械缺陷，但實際運用時常會造成不同的缺陷問題，常會給殼體安全造成很大的影響。

焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，是因為金屬熔焊時，焊縫的熔注金屬是在熔融的狀態(tài)下填充在焊件的接縫中的，當焊縫及其周圍的母材冷卻時，這些熔注的金屬就要收縮，但它以受到剛性焊件的限制，因而焊縫金屬沿長度方向即受到拉力，這就是殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的大小取決于焊件對焊縫收縮變形的約束程度。焊件越厚，剛性越大，焊后殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力狀態(tài)也越復(fù)雜。冷加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力則與加工變形的程度有關(guān)，冷加工變形越大，殘余應(yīng)力也越越大。

殘余應(yīng)力有時可以大到使殼體產(chǎn)生裂紋或使裂紋擴展的程度。如果所使用材料的韌性較差，就會在沒有外力的作用下使殼體自行破裂，或者使殼體產(chǎn)生裂紋，然后在承受壓力時產(chǎn)生破裂。留存在殼體內(nèi)的殘余應(yīng)力即使不至于產(chǎn)生裂紋，也會在殼體承壓后增大殼壁內(nèi)的應(yīng)力水平，從而加劇殼體的疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕破壞。

4 結(jié)論

從壓力容器安全使用的角度考慮，我們必須對壓力容器殼體的質(zhì)量嚴格控制。對壓力容器殼體做好監(jiān)督檢驗，避免出現(xiàn)各類意外事故。

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