鍋爐壓力容器結構設計的安全問題探討

摘要：近幾年國家對壓力容器加強管理，使其在制造、安裝、修理質量上基本得到保證，鍋爐壓力容器結構設計安全是一項十分重要的安全工作。本文就鍋爐壓力容器結構設計的安全問題進行了簡要的論述。

關鍵詞：鍋爐壓力容器 結構設計 安全問題 分析

鍋爐壓力容器被廣泛應用于日常生活和工業生產中，由于其特殊的結構，密封，承壓及介質等原因，極易發生爆炸，不僅會破壞日常生活設備，造成環境的污染，還會給人們的生命財產造成嚴重的威脅。為此，開展鍋爐壓力容器結構設計安全工作有著非常重要的意義。在開展鍋爐壓力結構設計圈圈檢驗過程中，檢驗機構一定要嚴格遵循國家相關法律規定，按照有關檢查程序來開展日常檢驗工作，唯有如此，才能夠將鍋爐壓力容器結構設計安全工作高質量完成，以避免各類事故的發生。

現代的壓力容器結構設計正在逐步擺脫傳統觀念的束縛，體現真正滿足工藝要求的設計理念，追求實效性、安全性和經濟性的和諧統一。

結構的合理性設計：標準中對壓力容器的具體結構形式不予限制，因此壓力容器結構所受的制約較少，給設計者很大的發揮空間，有利于設計出更加合理的結構。另外，分析設計手段的運用和驗證性試驗的實施為結構的合理性設計提供了必要的保障。

結構的經濟性設計：壓力容器的安全性和經濟性的和諧統一一直是設計者的追求，應力分析標準就是應此要求而出現的。焊接鋼管的使用和特殊結構的應用，在很大程度上是考慮了壓力容器結構的經濟性。

結構的可靠性設計：傳統的安全系數設計法為了“保險”起見，往往將安全系數的取值偏大，使得所設計的壓力容器及零件的結構尺寸偏大，不僅浪費材料，而且由于各個零件的壽命和強度難以保證合理的匹配，結果造成最終產品1+1<2的情況。而可靠性設計中將部分參數作為隨機變量來處理，對其進行統計并建立統計模型，用概率統計法進行計算，能夠全部掃描設計對象，所得結果更符合世界情況。

一、 結構設計應遵循的原則

1 結構不連續處平滑過渡。受壓殼體存在幾何形狀突變或其他結構上的不連續時，都會產生較高的不連續應力，因此設計時應盡量避免。對于難以避免的結構不連續，應采用平滑過渡的形式，防止突變。

2 引起應力集中或削弱強度的結構相互錯開。在鍋爐壓力容器設計中，不可避免地存在一些局部應力較高或對部件強度有所削弱的結構。

3 避免采用剛性過大的焊接結構。剛性大的焊接結構不僅會使焊接構件因施焊時的膨脹和收縮受到約束而產生較大的焊接應力，而且使殼體在操作條件波動時的變形受到約束而產生附加彎曲應力。因此設計時應采取措施予以避免。

4 受熱系統及部件的脹縮不要受限制。受熱部件的熱膨脹，如果受到外部或自身的限制，在部件內部就會產生熱應力。設計時應使受熱部件不受外部約束，減小自身約束。

二、對封頭及法蘭結構的要求

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。雖然球形封頭壁厚比直徑與壓力相同的圓筒體減薄一半，但在實際工作中，為了焊接方便以及降低連接處的邊緣應力，半球形封頭常和筒體取相同的厚度。另外，球形封頭成型較橢球形封頭困難，且焊縫較多，故一般較少采用。

（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 0.3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。與其他封頭比較，平板封頭受力情況最差。在相同的受壓條件下，平板蓋比其他形式的封頭厚得多。但是，由于平板封頭結構簡單，制造方便，在壓力不高、直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經濟簡便。

（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 對法蘭的要求

法蘭連接是一種常見的可拆卸結構。實際應用中，由于法蘭密封不良而造成泄漏的現象較為常見。要保證法蘭連接的緊密性，必須合理地選擇壓緊面的形狀。最常采用的壓緊面形狀有平面、凹凸面、槽面和梯形槽等。平面形壓緊面用于壓力不高的場合 （p≤2.5MPa），其密封性能較差，仍結構簡單，加工方便，便于進行防腐和清洗；凹凸形壓緊面適用于中壓及溫度較高的場合，其密封性能好，墊片易于對中，壓緊時能防止墊片被擠出；槽形壓緊面適于易燃、易爆和有毒介質的密封，密封性能可靠，但更換墊片較困難；梯形糟壓緊面常與橢圓墊和八角墊配用，這是因為槽的錐面與墊圈形成線（或窄面）接觸密封，此種結構常在壓力（p>6.4MPa）、溫度（t>350℃）較高時采用。

3 對開孔的要求

殼體上的開孔的形狀有圓形、橢圓形或長圓形等。開孔尺寸應符合系列規定：第一，在圓筒殼體上開孔，當內徑小于等于1500mm時，最大孔徑應小于等于筒體內徑的1/2，且小于等于520mm；內徑大于1500mm的圓筒，最大孔徑應小于等于筒體內徑的1/3，且小于等于l000mm；第二，在凸形封頭或球形容器上開孔，最大孔徑應不大于殼體內徑的1/2；第三，在錐形封頭上開孔，最大直徑應不大于孔中心處錐體內直徑的1/3。在橢球形或碟形封頭過渡部分開孔時，其孔的中心線宜垂直于封頭表面。

三、對鍋爐壓力容器用鋼材的要求

1 具有良好的力學性能。首先，制造鍋爐、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。

2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。

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