淺析降低壓力容器應(yīng)力集中的措施

胡志肖

石家莊天人化工設(shè)備集團有限公司 052160

前言

壓力容器在石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域當中獲得了廣泛的應(yīng)用，而石油、化工等工業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展迫切需要數(shù)量更多、質(zhì)量更高的壓力容器來保證生產(chǎn)的正常安全運行。為了能夠有效提升壓力容器的安全性與可靠性，我國不僅逐步完善了相應(yīng)的技術(shù)標準和技術(shù)規(guī)范，而且也大力鼓勵在壓力容器設(shè)計和制造過程中采用新工藝和新材料。應(yīng)力腐蝕是影響壓力容器安全性與可靠性的重要因素，如果不采取有效措施應(yīng)對應(yīng)力腐蝕問題，壓力容器在使用過程中便會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)象，不僅會損壞壓力容器本身，還會造成嚴重的財產(chǎn)損失和生命危險，其危害性很大。應(yīng)力集中是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的重要原因之一，采用有效措施降低壓力容器應(yīng)力集中問題，從而避免由于應(yīng)力腐蝕破裂而引發(fā)的災(zāi)難性事故，才能保證壓力容器安全運行，保護人民生命和財產(chǎn)安全，促進國民經(jīng)濟發(fā)展。

1 應(yīng)力集中和應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致壓力容器開裂的具體過程是，化學(xué)物質(zhì)或者機械作用導(dǎo)致壓力容器的氧化膜被損壞，出現(xiàn)了腐蝕點，腐蝕介質(zhì)的持續(xù)腐蝕作用加上拉應(yīng)力的共同作用，經(jīng)過一段時間之后，該腐蝕點便會出現(xiàn)裂紋，并逐漸擴展，最終導(dǎo)致壓力容器的破損。應(yīng)力集中是導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的首要因素。應(yīng)力集中指受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象。通常表現(xiàn)為壓力容器表面的裂紋或者類似裂紋的其他缺陷。結(jié)構(gòu)形狀不連續(xù)，焊接過程中溫度梯度大，焊縫咬邊、焊瘤、結(jié)疤的存在及焊縫余高超標，熱處理不當導(dǎo)致壓力容器表面出現(xiàn)裂紋，制作過程中強力組裝，在加工和制造的過程中由于不科學(xué)的加工工藝造成的機械損傷，材料在生產(chǎn)和制造過程中沒有達到技術(shù)標準存在表面缺陷等等[1]，以上都是應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因之一，只有消除和降低應(yīng)力集中才能避免應(yīng)力腐蝕發(fā)生。

2 設(shè)計、制造過程中降低壓力容器應(yīng)力集中的措施

對于壓力容器而言，安全性是核心問題，以此為基礎(chǔ)再保障其經(jīng)濟性。壓力容器應(yīng)該具備在較大荷載情況有效應(yīng)對變形與破壞的能力，這也正是壓力容器設(shè)計制造的核心與關(guān)鍵所在。降低壓力容器設(shè)計制造中的應(yīng)力集中問題進而確保其承壓安全，本文從下述幾個方面加以說明：

2.1 設(shè)計過程中降低壓力容器應(yīng)力集中的措施

壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求均應(yīng)有足夠的韌性，需要充分考慮以下問題：

結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，減少約束；避免產(chǎn)生過大的溫度梯度；應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化，以減小局部高應(yīng)力；接管端部磨成圓角，呈圓滑過渡；容器支撐需設(shè)置墊板，不能直接焊在殼體上。以下為實際設(shè)計工作中常采用的幾種措施。

2.1.1 減小兩連接件的剛度差

降低邊緣區(qū)域的應(yīng)力集中是設(shè)計中必須考慮的重要因素之一。一般而言，壓力容器的荷載、殼體壁厚如果缺乏連續(xù)性便會導(dǎo)致邊緣應(yīng)力。具體而言，壓力容器的結(jié)構(gòu)不連續(xù)和幾何形狀突變便會導(dǎo)致彈性變形的不連續(xù)性，此時，處于相互約束狀態(tài)下的壓力容器兩側(cè)殼體彈性變形應(yīng)力會產(chǎn)生邊緣彎矩，最終產(chǎn)生邊緣應(yīng)力[2]。正是因為上述原因，以荷載均勻為前提，如果我們能夠減小兩連續(xù)件的剛度差，則該兩連接件的連接處的應(yīng)力便會大大降低，因為邊緣應(yīng)力具有非常顯著的局部特性，所以在進行壓力容器設(shè)計過程中，需要高度重視局部的科學(xué)處理，切實提高局部結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，進而防止邊緣應(yīng)力的集中。

我們經(jīng)常遇到，為了提高材料的利用率，降低成本，提高經(jīng)濟效益，設(shè)計的壓力容器筒體壁厚不等厚。從受力角度分析，一旦壓力作用于這兩段筒節(jié)連接部位的時候，該連接部位一定會因為壓力而出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的自由變形，導(dǎo)致兩段筒節(jié)連接處出現(xiàn)相對較大的邊緣應(yīng)力。遇到這種情況，為了消除壓力容器安全隱患，我們經(jīng)常采用當兩側(cè)鋼材厚度不等時，若薄板厚度小于等于10mm，兩板厚度差超過3mm；若薄板厚度大于10mm，兩板厚度差大于30%或超過5mm時[3]，均應(yīng)單面或雙面削薄厚板邊緣，或按同樣要求采用堆焊方法將薄板邊緣焊成斜面，且削薄和堆焊長度應(yīng)大于等于3倍兩連接件厚度差[6]。這樣保證兩段筒節(jié)厚度的平緩過渡，避免兩件連接部位的形狀突變，降低了兩件連接部位的應(yīng)力集中，避免了在應(yīng)力腐蝕介質(zhì)作用下的應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

2.1.2 標準橢圓形封頭、碟型封頭及折邊錐型封頭都帶25mm或40mm直邊

封頭是壓力容器主要受壓元件之一，選取什么型式封頭關(guān)系到整臺設(shè)備成本及承受外載荷的大小問題，不同類型的封頭的受力情況是迥然不同的，但是它們在與筒體連接時，按標準封頭要求都留有25mm或40mm直段，這樣，除了考慮兩連接件之間形成對接接頭，容易焊接之外，更重要的一點是考慮結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，在壓力作用下避免在兩件連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.1.3 折邊錐形封頭過渡圓弧半徑大小的要求，兩連接件焊接接頭內(nèi)外壁圓角過渡

在壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，標準折邊錐形封頭中rs、ri大小主要是從折邊處降低應(yīng)力集中方面而考慮的；在壓力容接管與殼體連接處內(nèi)外壁應(yīng)避免尖角過渡，而采用盡量大的圓角過渡，對尖銳的拐角進行倒角和倒圓；設(shè)備焊縫的內(nèi)外表面要求與母材之間進行圓滑過渡或打磨與母材齊平[4]。所有這些措施都是為了降低設(shè)計過程中應(yīng)力集中。避免低溫容器、承受交變載荷的壓力容器、脆性材料壓力容器、有應(yīng)力腐蝕介質(zhì)的壓力容器而產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕破裂。

2.2 制造過程中降低壓力容器應(yīng)力集中的措施

前者分析了應(yīng)力集中產(chǎn)生原因及其危害，從設(shè)計角度提出了幾點降低應(yīng)力集中措施，下面是壓力容器制造方面降低應(yīng)力集的幾點措施[5]：容器焊接完成并檢驗合格后進行消除應(yīng)力熱處理，以便消除在組裝及焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中；焊接過程中嚴格控制焊接線能量，通過以小電流多道焊來實現(xiàn)；不許強力組裝與成型，不得在設(shè)備上刻打鋼印及材料標記；焊接區(qū)域內(nèi)，包括對接接頭表面不得有裂紋、氣孔和咬邊等缺陷，不應(yīng)有急劇的形狀變化，呈圓滑過渡；殼體上開接管孔及打坡口時盡量使用開孔機，保證坡口表面光潔度，以便在焊接過程中焊接接頭受熱均勻減少焊接過程中應(yīng)力集中；對材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處理，以提高材料表面的疲勞強度。

3 結(jié)語

本文簡要探討了應(yīng)力集中和應(yīng)力腐蝕之間的關(guān)系，指出了應(yīng)力腐蝕對于壓力容器和工業(yè)企業(yè)及社會的潛在危害；而后給出了在設(shè)計方面及制造方面如何降低壓力容器內(nèi)存在的集中應(yīng)力的幾點措施，并且列舉經(jīng)常遇到的幾種現(xiàn)象加以說明。所以消除應(yīng)力集中要從預(yù)防入手，提出從設(shè)備設(shè)計、加工裝配和操作等過程中綜合考慮可能發(fā)生的應(yīng)力集中因素，采取有效措施加以降低或消除。避免應(yīng)力腐蝕發(fā)生，確保壓力容器安全運行。

[1]王春海.關(guān)于壓力容器設(shè)計節(jié)能降耗的幾點建議[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2010，(05)：142-143

[2]成艷紅，侯金龍.混合氣體保護焊在壓力容器焊接中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2010，(06)：255-256

[3]王奕博，馬志富，池海，張洋洋，姜曉航.壓力容器的設(shè)計與安全防護探析[J].化學(xué)工程與裝備，2010，(06)：158-159

[4]賈瑞只，秦志勇.淺談壓力容器設(shè)計及容易忽視的問題[J]. 科技風，2010，(14)：59-62

[5]李具中，余宏偉，陳曉，習天輝，吳開明.中溫壓力容器鋼12CrMo的高溫塑性研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報，2010，(03)：46-47

[6]GB150.4-2011.壓力容器