壓力容器結構設計的安全問題分析

摘要：

壓力容器作為—種特殊的設備，對于安全有著較高的要求。本文首先研究探討壓力容器結構設計安全問題的重要意義，主要針對3點內容對壓力容器設計一股原則進行了分析，并對壓力容器結構設計的用鋼問題提出了建議。

前言

壓力容器科學合理的結構設計對于安全生產有著深遠的意義。安全性時時刻刻在我們身邊，因此研究壓力容器的安全性顯得十分重要和迫切。通過對結構設計安全問題的研究，可以避免不必要安全事故的發生。

1.研究壓力容器安全問題的重要意義

壓力容器的用途十分廣泛，它是在石油化學工業、能源工業、科研和軍工等國民經濟的各個部門都起著重要作用的設備。我國現有在用壓力容器大多數是在高溫、高壓、低溫、疲勞及腐蝕性介質等苛刻工況下運行。安全使用壽命長的可達20年以上，短的只有幾年甚至幾個月。在用壓力容器往往存在著各種焊接缺陷、結構缺陷、材料缺陷、使用時產生的裂紋、腐蝕、磨損等，再加上長期超期服役造成的材料損傷，潛在危害性極大。一旦發生事故將會對人民生命財產安全造成極大的危害，因而世界各國對壓力容器的安全問題都相當重視。

2.壓力容器結構設計的一般原則

2.1截面突變的不連續處應圓滑過渡

在壓力容器各受壓元件的連接處，常有幾何形狀突變或其它結構上的不連續。在這些部位都會產生較高的不連續應力（或稱邊緣應力），并導致疲勞破壞和脆性破壞。不同的連接邊緣，有不同程度的邊緣效應，有的邊緣效應顯著，應力可達到很大的數值。但是，邊緣應力有其特點，即影響范圍小。這些應力只存在可連接處附近的局部區域，離開連接處稍遠一些，它們就沿著圓筒的軸線方向呈波形的迅速衰減，并趨于零。例如平蓋與圓筒的連接邊緣，圓筒的軸線方向處，可視邊緣應力衰減趨于零。由于邊緣應力具有局限性，因此在壓力容器結構設計中，一般采用圓弧過渡或斜坡過渡的方法來降低局部的不連續應力水平。如對橢圓形封頭和蝶形封頭按JB/T4746設置足夠大的過渡圓弧，且留有直邊，使壓力容器強度較薄弱的焊接接縫離開邊緣應力的影響區。對邊緣強度不足的無折邊錐形封頭作局部加強，以及避免采用容器簡體與端蓋連接的平板角焊結構。

2.2焊縫錯開并盡量遠離應力集中區

從事故分析可知，事故大多數是由于裂紋和尖銳的缺陷所造成的。而他們往往起源于焊縫及其熱影響區，特別在焊縫交叉處和未焊透的角焊縫處產生這類缺陷的概率較大。實際焊接容器中的殘余應力，隨焊接構件的形狀、尺寸、焊縫布置、焊接工藝不同而變化，焊接容器存在的殘余應力是復雜的。在結構設計中，不僅要盡量減少焊接結構本身的應力集中，而且還要使焊縫盡可能的遠離接管、支座等其他應力集中區，以避免互相重疊造成局部的高應力狀態。

2.3避免采用剛性過大的焊接結構和靜不定結構。剛性過大的焊接件，不僅因施焊時的膨脹和收縮受到約束而產生較大的焊接應力，而且在操作條件波動時，還會因變形受限制而產生附加彎曲應力。臥式容器應盡量采用靜定的雙支座結構。

3.對壓力容器用鋼材的要求

3.1具有良好的力學性能

首先，制造壓力容器的材料應具有適當的強度，以防止在承受壓力時發生塑性變形甚至斷裂。對于鍋爐和中、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。其次，制造鍋爐、壓力容器的材料必須具有良好的塑性，以防止鍋爐、壓力容器在使用過程中因意外超載而導致破壞。第三，制造鍋爐、壓力容器的材料應具有較高的韌性，使鍋爐、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，并對材料進行操作溫度下的沖擊試驗，以防止容器在運行中發生脆性破裂。

3.2具有良好的工藝性能

由于鍋爐、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。其次，制造鍋爐、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。第三，要求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。

3.3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。對于鍋爐和高溫壓力容器，所選用的材料還應具有抗氧化性能。

4.材料代用現狀

在設備制造過程中，由于采購困難或為了對現有材料進行充分利用等原因，材料代用問題在目前的壓力容器設計中時有發生。在《壓力容器安全技術監察容規》中對材料代用問題都有相應規定，歸納起來有如下要求：壓力容器承壓部件的代用材料，應與被代用的材料具有相同或相近的化學成分、交貨狀態、檢驗項目、性能指標、檢驗率、尺寸公差以及外形質量等。最基本的代用原則是代用鋼材的技術要求不低于被代用的鋼材，個別在性能項目或檢驗率方面要求略低的代用鋼材，則通過增加檢驗來進行代用。同時材料代用要履行下述手續：①凡壓力容器承壓部件的材料代用，必須經材料代用單位的技術部門（包括設計和工藝部門）同意，并將代用材料的質量證明書或復驗報告報主管負責人審核批準；②壓力容器的材料代用必須征得原設計單位的同意并取得證明文件；③壓力容器出廠質量證明書和施工圖上應注明代用材料的材質、規格和部位。壓力容器用金屬材料的主要性能包括力學性能、制造工藝性能、耐腐蝕及耐高溫性能等。

5.結束語

壓力容器的安全問題涉及到許多方面，每一個方面都是不可忽視的課題。在對這些問題充分掌握的基礎上，才能夠在機構方面設計出更為科學合理、安全可靠的壓力容器。