淺析壓力容器結構設計的要求

【摘 要】壓力容器結構設計直接關系著壓力容器的安全使用，所以在進行壓力容器設計是，需要確保壓力容器設計的強度，對影響壓力容器安全的各種結構因素進行具體的分析，確保其結構的可靠性。本文對壓力容器結構設計的原則進行了分析，并進一步對壓力容器設計中的具體要求進行了闡述。

【關鍵詞】壓力容器；結構設計；原則；要求

1 壓力容器結構設計的原則

1.1 應力的均勻性。壓力容器在使用過程中需要承受較大的應力變化，所以在設計時需要確保其殼體結構的連續性，避免導致突變現象的發生，對于殼體結構實在沒辦法連續的地方，要采用平滑過渡的形式來確保其應力的均勻性。

1.2 應力集中或削弱強度的結構相互錯開。壓力容器設計時，當出現局部強度有所削弱的結構或是應力較為集中的地方，則需要將二者錯開來，避免發生應力又疊加的情況發生。

1.3 避免采用剛性過大的焊接結構。當焊接材料具有較大剛性時，其在焊接過程中由于發生膨脹和收縮時會產生較大的焊接應力，這樣就會約束殼體發生變形，而導致附加彎曲應力的產生，所以在設計時要避免采取剛性過大的焊接材料。

1.4 減少對受熱部件應力的束縛。當部件受熱后會導致熱膨脹的發生，這樣就會使其在內部或是外部產生熱應力，對結構的安全性帶來較大的影響，所以在設計時需要盡可以的減少受熱部件自身所受到的約束，使其避免受到外部的約束，從而減少受熱部位應力的束縛。

1.5 為了保證水循環的良好性，需要對受熱面進行科學、合理的布置，確保其冷卻的可靠性。

1.6 對壓力容器結構的其他要求：壓力容器在運行時發生膨脹要按照設計的預定方向進行，而且在確保其受壓部件要具有較好的強度，而且在配備相應的安全保護擴。同時在設計時，要避免發生應力集中及復合應力的情況發生。爐膛內要具有防爆措施，確保其具有良好的密封性。由于壓力容器在使用過程中需要進行清洗，所以在設計時要便于安裝、檢修和清洗地。在設計時還要確保承重結構的強度、剛度、穩定性和防腐蝕性能夠達到設計載荷的要求。

2 壓力容器設計時的相關要求

2.1 對封頭及法蘭結構的要求

2.1.1 對封頭的要求

（1）橢球形封頭。由于橢球殼體環向應力為壓應力，為了使這部分殼體不至于失穩，對于標準橢球形封頭，規定其有效厚度應不小于封頭內直徑的0.15%，其他橢球形封頭的有效厚度應不小于封頭內直徑的0.30%。

（2）球形封頭。理論上球形封頭的壁厚為圓筒形的一半即可，但在實際工作中，往往所采用的厚度是一樣的，這樣可以更便于焊接的進行。但如果采用球形封頭，其成型較為困難，而且在焊接過程中會有較多的焊縫產生，所以在實際壓力容器設計中應用的較少。

（3）碟形封頭。由于碟形封頭的球面部分與過渡區、過渡區與直邊段的曲率半徑不同，造成結構不連續，會引起連接處的局部高應力，因此規定碟形封頭球面部分的半徑一般不大于筒體內徑，通常取0.9倍的封頭內直徑，而封頭轉角內半徑應不小于簡體內直徑的10%，且不得小于3倍封頭名義壁厚。

（4）錐形封頭。錐形封頭分為無折邊錐形封頭和帶折邊錐形封頭兩種。對于錐體大端，當錐殼半頂角a<30°時，可以來用無折邊結構；當a>30°時，應采用帶過渡段的折邊結構。大端折邊的過渡段轉角半徑應不小于封頭大端內直徑的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。

（5）平蓋。平蓋封頭具有較差的受力情況，所以在設計時，受壓條件相同下，利用平蓋封頭則需要壁厚增加不少，但由于平蓋封頭結構及制作上都較為簡單，所以通常都會在壓力不高，而直徑也不大的容器中進行使用。同時在高壓容器中，由于利用凸型封頭制作難度較大，所以采用平板封頭的情況較多。

（6）凸形封頭的拼接。均多塊扇形板組拼的封頭必須具有中心圓板，中心圓板的直徑應不小于封頭直徑的1/2。

2.1.2 對法蘭的要求

壓力容器中由于泄漏而導致事故發生的情況較多，而法蘭如果密封不好，則極易導致泄漏的發生。由于法蘭是一種可拆卸的結構，所以在確保其連接處的緊密性，則需要對壓緊面形式的合理性進行選擇。通常較為常用的壓緊面有平面、凹凸面、槽面和梯形槽等。由于平面型壓緊面密封性較差，結構簡單，所以在壓力不高的容器中會采用，對于清洗和防腐都具有較大的便利。而在中壓及溫度較高的地方則會采用凹凸形壓緊面，由于此種壓緊面墊片適中，具有良好的密封性，而且在壓緊后墊后也不易被擠出；而利用槽形壓緊面是，往往是應用于用于易燃、易爆和有毒介質的密封容器，雖然其密封性能非常好，但卻有一個弊端，想進行墊片的更換具有較大的難度。利用梯形糟壓緊面時，通常會需要與橢圓墊和八角墊相互配套使用，這種壓緊面使用時通常都是在結構壓力和溫度都呈現較高的時候才會采用。

2.2 對壓力容器用鋼材的要求

2.2.1 具有良好的力學性能

第一，制造、壓力容器的材料應具有適當的強度（主要是指屈服強度和抗拉強度），以防止在承受壓力時發生塑性變形甚至斷裂。對于和中、高溫壓力容器，還應考慮材料的抗蠕變性能，測定材料的高溫性能指標，即蠕變極限和持久強度。

第二，制造、壓力容器的材料必須具有良好的塑性，以防止、壓力容器在使用過程中因意外超載而導致破壞。

第三，制造、壓力容器的材料應具有較高的韌性，使、壓力容器能承受運行過程中可能遇到的沖擊載荷的作用。特別是操作溫度或環境溫度較低的壓力容器，更應考慮材料的沖擊韌性值。

2.2.2 具有良好的工藝性能。由于、壓力容器的承壓部件，大都是用鋼板滾卷或沖壓成形的，所以要求材料有良好的冷塑性變形能力，在加工時容易成形且不會產生裂紋等缺陷。制造、壓力容器的材料應具有較好的可焊性，以保證材料在規定的焊接工藝條件下獲得質量優良的焊接接頭。材料具有適宜的熱處理性能，容易消除加工過程中產生的殘余應力，而且對焊后熱處理裂紋不敏感。

2.2.3 具有良好的耐腐蝕性能和抗氧化性能。設計壓力容器時，必須根據其使用條件，選擇適當的耐腐蝕材料。對于和高溫壓力容器，所選用的材料還應具有抗氧化性能。

2.3 對焊接的要求

壓力容器結構需要焊接的地方較多，但在焊接過程中必會存在著一定的應力，所以需要對焊接應力盡可能的進行消除，從而避免發生焊接缺陷。對于焊接應力的消除可以在焊接過程中采取各種技術措施，同時還要在焊接完成后進行一定的應力熱處理和合理的焊接規范，這樣在一定程度上可以提高焊縫的質量。焊接應力及焊接變形不可能完全消除，而且在處理過程中如果采用的措施不科學，則還會導致新問題的發生，所以在焊接過程中需要從焊接材料、方法和工藝等多方面采取必要的措施，在結構設計時，盡量應用最合理的焊接結構，從而確保焊接的質量。

3 結束語

壓力容器的安全性與其結構設計的合理性息息相關，所以需要在壓力容器設計時要給予足夠的重視，確保壓力容器運行的平穩性和可靠性。

【參考文獻】

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[責任編輯：曹明明]