壓力容器設(shè)計(jì)的若干技術(shù)問(wèn)題及解決途徑

王院利 許俊佳 許運(yùn)濤

（中國(guó)聯(lián)合裝備集團(tuán)安陽(yáng)機(jī)械有限公司，安陽(yáng) 455000）

壓力容器是化工、冶金、輕工、紡織、機(jī)械以及航空航天工業(yè)中廣泛使用的承壓設(shè)備。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與高新科技的進(jìn)步，我國(guó)的壓力容器設(shè)計(jì)水平與制造能力有了突出的成就。近些年，我國(guó)已自行設(shè)計(jì)和制造了600MW與1000MW的核電站設(shè)備、一千萬(wàn)噸的煉油裝置及一百萬(wàn)噸的乙烯裝置等。從壓力容器整個(gè)行業(yè)來(lái)分析，現(xiàn)時(shí)期我國(guó)大多數(shù)企業(yè)，在壓力容器的設(shè)計(jì)上都存在技術(shù)性的問(wèn)題。本文章對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)中存在的幾種常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了分析，并且針對(duì)這些問(wèn)題提出了相對(duì)應(yīng)的解決途徑。望可以為本行業(yè)的發(fā)展提供一定的參考。

1 壓力容器設(shè)計(jì)的技術(shù)問(wèn)題

1.1 壓力容器設(shè)計(jì)中方法選擇的問(wèn)題

目前，壓力容器的兩種設(shè)計(jì)方法分別是常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)主要是按彈性失效準(zhǔn)則，以第一強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，考慮殼體的薄膜應(yīng)力，即最大主應(yīng)力，并將其控制在材料的許用水平內(nèi)，來(lái)確定主要受壓元件尺寸的設(shè)計(jì)方法。常規(guī)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有，我國(guó)的GB150《壓力容器》、美國(guó)的AsME Ⅷ-1《壓力容器》和日本的JIsB8243《壓力容器構(gòu)造》等。分析設(shè)計(jì)是根據(jù)塑形失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則和疲勞失效準(zhǔn)則，采用最大剪應(yīng)力理論，來(lái)確定受壓元件尺寸的設(shè)計(jì)方法。與分析設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包含，我國(guó)JB4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》、美國(guó)的AsME Ⅷ-2《壓力容器建造一另一規(guī)則》、歐盟的PrEN13445-3《非接觸火焰壓力容器》與日本的JIsB8250《壓力容器構(gòu)造-另一標(biāo)準(zhǔn)》等。

1.2 壓力容器設(shè)計(jì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的問(wèn)題

在壓力容器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中，開(kāi)孔是無(wú)法避免的一類常見(jiàn)問(wèn)題。壓力容器在開(kāi)孔以后，其整體的強(qiáng)度會(huì)有不同程度的減弱，并且，開(kāi)孔的局部區(qū)域所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)相對(duì)較集中，主要有局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：

（1）殼體開(kāi)孔后，原來(lái)承受均勻的薄膜應(yīng)力被損壞，在孔邊緣產(chǎn)生了分布很不均勻的邊緣應(yīng)力，即局部薄膜應(yīng)力，同時(shí)使應(yīng)力較為集中；

（2）在殼體開(kāi)孔邊緣與接管的連接處產(chǎn)生的不連續(xù)應(yīng)力；

（3）殼體和接管的連接拐角區(qū)域由于截面的不規(guī)則過(guò)渡而產(chǎn)生應(yīng)力的集中。

1.3 壓力容器設(shè)計(jì)焊接的問(wèn)題

焊接是壓力容器制造的重要工序，焊接質(zhì)量在很大程度上決定了壓力容器的制造質(zhì)量。壓力容器的焊接方面的問(wèn)題包括，如何避免和控制裂紋、咬邊、氣孔、夾渣等焊接缺陷；因焊接缺陷造成的截面受力不均勻，并產(chǎn)生應(yīng)力集中；焊接接頭的不均勻性、局部加熱融化及迅速升溫和急速冷卻等特點(diǎn)，使其在焊接過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力與變形，直接導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。

1.4 壓力容器設(shè)計(jì)腐蝕的問(wèn)題

現(xiàn)時(shí)期，大部分的壓力容器由金屬性質(zhì)的材料構(gòu)成。壓力容器和環(huán)境間的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料破壞、損壞或變質(zhì)，這種現(xiàn)象稱作壓力容器腐蝕。壓力容器的腐蝕按作用機(jī)理可分成：物理性的腐蝕、化學(xué)性質(zhì)的腐蝕、應(yīng)力性的腐蝕與電化學(xué)的腐蝕等。影響腐蝕的原因主要包含，介質(zhì)溫度和壓力、流速和各類溶液的PH值等。容器的腐蝕裕量是由介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕速率與設(shè)備計(jì)劃使用壽命所決定的。由于大部分的工藝過(guò)程很難確切給出材料的具體腐蝕速率，所以腐蝕裕量通常是由設(shè)計(jì)人員粗略估測(cè)得出的。從而，導(dǎo)致設(shè)備成本和安全存有誤差。對(duì)于接管腐蝕裕量，現(xiàn)時(shí)期對(duì)其取值的范圍仍存在爭(zhēng)議，有些是以容器的殼體腐蝕裕量當(dāng)作接管腐蝕裕量，有些選用容器殼體中的一半當(dāng)作接管腐蝕裕量。如果由容器的殼體腐蝕裕量來(lái)確定接管腐蝕裕量，則對(duì)薄壁接管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)不足。所以，針對(duì)接管腐蝕裕量，建議采取與筒體腐蝕裕量相統(tǒng)一的數(shù)值，而對(duì)于小直徑或是薄壁的接管，則需采用合適的補(bǔ)強(qiáng)措施，如采用硬壁管或者是鍛制管。

從邵力子處出來(lái)后，黃炎培又跑去找國(guó)民參政會(huì)的副秘書(shū)長(zhǎng)雷震。雷震是國(guó)民黨內(nèi)頗有名氣的法學(xué)家，頗受蔣介石的信任。他聽(tīng)了黃炎培的敘述，當(dāng)即答應(yīng)兩點(diǎn)：一是馬上向蔣介石反映，二是最近找戴笠談一下，建議他親自上門向黃炎培賠禮道歉。雷震還力勸黃炎培不要到處找人了，以免給“政府”造成不良影響。

2 壓力容器設(shè)計(jì)問(wèn)題相應(yīng)的解決途徑

2.1 壓力容器設(shè)計(jì)中方法選擇問(wèn)題的解決

壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)，屬于簡(jiǎn)單并且容易執(zhí)行，但又相對(duì)較保守的一種傳統(tǒng)性的設(shè)計(jì)方法。該方法把最大應(yīng)力當(dāng)作設(shè)計(jì)的參數(shù)依據(jù)，無(wú)需思考結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力、局部應(yīng)力、邊緣應(yīng)力及峰值應(yīng)力等。以常規(guī)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的壓力容器雖然安全性較高，但是所需的成本也較高，并且比較死板笨重。壓力容器的分析設(shè)計(jì)，是通過(guò)使用數(shù)值計(jì)算技術(shù)，以第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，來(lái)明確壓力容器具體的設(shè)計(jì)參數(shù)。同常規(guī)的設(shè)計(jì)相比較，分析設(shè)計(jì)能夠節(jié)約20%～30%的材料，可有效的降低制造的加工量，減少運(yùn)輸方面的費(fèi)用等。但是，分析設(shè)計(jì)針對(duì)材料的選擇、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收的規(guī)定要求，均需比常規(guī)的設(shè)計(jì)更為嚴(yán)格。所以，設(shè)計(jì)人員需結(jié)合壓力容器的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，再參照現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)需要，充分考慮制造運(yùn)輸?shù)某杀荆侠砜茖W(xué)的選用壓力容器的相應(yīng)設(shè)計(jì)方法。

2.2 壓力容器設(shè)計(jì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題的解決

在壓力容器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)這種設(shè)計(jì)方法屬于一個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)法的基本原理主要可劃分成等面積法和分析法。等面積法主要是把受拉伸開(kāi)孔的大平板當(dāng)作計(jì)算的模型，將補(bǔ)強(qiáng)殼體一次加載時(shí)的總體平均應(yīng)力當(dāng)作補(bǔ)強(qiáng)的原則。由于殼體截面開(kāi)孔，所以被削弱的承受強(qiáng)度面積一定要選用補(bǔ)強(qiáng)的材料給予同等面積的補(bǔ)償。此外，由于等面積法是基于靜力平衡的補(bǔ)償計(jì)算方法，因而它不適用于有疲勞強(qiáng)度要求的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。分析方法主要是對(duì)殼體的極限進(jìn)行深入分析，要比等面積的方法更為合理和科學(xué)，但是會(huì)受開(kāi)孔殼體與補(bǔ)強(qiáng)接管尺寸的影響和局限。

壓力容器針對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)所采取的措施主要包含：（1）增加筒體厚度；

（2）增大補(bǔ)強(qiáng)圈厚度或接管厚度；

（3）增大開(kāi)孔周圍的筒體厚度或增加補(bǔ)強(qiáng)圈的整體寬度。

2.3 壓力容器設(shè)計(jì)焊接問(wèn)題的解決

如果壓力容器其封密性不合格，在應(yīng)用的過(guò)程中發(fā)生泄漏，不但會(huì)對(duì)其內(nèi)部的介質(zhì)起不了充分的保護(hù)作用，有可能還會(huì)對(duì)施工人員其自身的安全形成不同程度的威脅。

解決焊接裂紋的方法有：

（1）選擇使用低氫型的焊條；

（3）合理選擇適合的焊接技術(shù)。

焊接咬邊指的是，在焊接的時(shí)候焊接的位置發(fā)生凹槽。防止焊接咬邊的方法主要有：

（1）選擇與焊接材料選擇相適應(yīng)的焊接方法，合理調(diào)整焊接的電流大小和角度；

（2）焊接的工作人員在進(jìn)行焊接時(shí)，需隨時(shí)觀察焊接處的各種變化，確保可以及時(shí)察覺(jué)焊接咬邊并及時(shí)的給予有效的處理。

焊接氣孔指的是，焊接的時(shí)候熔池當(dāng)中的氣體不能得到有效的析出。解決焊接氣孔的途徑有：

（1）確保對(duì)接口、坡口周邊的清潔；

（2）管控溶渣本身的濃度；

（3）隨時(shí)更換焊條。

2.4 壓力容器設(shè)計(jì)腐蝕問(wèn)題的解決

為了可以使壓力容器的使用期限延長(zhǎng)，一般所采取的解決措施有：

（1）選用合適的材料；

（2）應(yīng)用延緩腐蝕的制劑；

（3）提升壓力容器的焊接質(zhì)量；

（4）應(yīng)用防腐蝕的涂料；

（5）襯里形式的防護(hù)；

（6）在容器壁表面噴丸強(qiáng)化；

（7）加強(qiáng)管理和維護(hù)。

除此以外，在設(shè)計(jì)壓力容器的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需綜合的考慮壓力容器的服役環(huán)境會(huì)對(duì)其所造成的影響，并且，以腐蝕的最大速度當(dāng)作計(jì)算的依據(jù)，來(lái)確定壓力容器最大的腐蝕裕量。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，壓力容器的設(shè)計(jì)與壓力容器設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的作用有直接性的關(guān)系。只有嚴(yán)格的依據(jù)國(guó)家的有關(guān)規(guī)定及壓力容器其行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來(lái)實(shí)施科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，才可以保證壓力容器在使用期間的安全性及可靠性，從而提升壓力容器行業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力及其生產(chǎn)的效益。