壓力容器的焊接結構設計

李新偉

摘要：當前隨著我國工業化發展及工業化水平的不斷提高，一些工業生產中常用到的設備具有了更加廣闊的市場，壓力容器就是其中之一。在現代工業生產中，壓力容器指的是那些具有承壓的設備，其主要是由筒體、支座、法蘭、密封元件、開孔、封頭以及接管等零部件組成的。壓力容器的應用范圍也十分廣泛，不僅僅在化工領域，在能源領域、軍工領域、航空航天領域、機械制造領域等中，其都有著十分重要的應用。同時壓力容器也是一種典型的焊接結構件，所以其對焊接的要求很高，尤其要保證焊接結構設計合理。

關鍵詞：壓力容器；焊接；結構設計

焊接是制造壓力容器的重要工藝，焊接質量在很大程度上決定了壓力容器的制造質量及使用安全性。壓力容器需全面地、正確地考慮并應用焊接技術要求，規定正確、合理、可靠、可行的焊接技術條件，從設計源頭保證壓力容器的質量和本質安全。

一、壓力容器的焊接接頭結構

常見的壓力容器的焊接接頭結構有3類，一類是搭接接頭，一類是角接接頭，還有一類是對接接頭。其中搭接接頭屬于角焊縫，其是由兩個零件相互連接，中面平行而接頭處有部分重合，且接頭處結構不連續性，接頭部位的受力較差；這種接頭常出現在壓力容器與凸緣的焊接、殼體與加強圈間的焊接以及支座墊板間的焊接當中。角接接頭是由兩個零件相互連接，中面相交成一定角度，其接頭一般會形成角焊縫，且接頭處結構不連續性，接頭部位的受力較差，存在較嚴重的應力集中現象；這種接頭常出現在凸緣與管板間的焊接、法蘭的焊接、夾套的焊接以及接管的焊接等當中。對接接頭是由兩個零件相互連接，中面處于同一個弧面或平面，其優點在于受力對稱、受熱均勻、無損檢測方便，所以在質量上更加容易得到保障。

二、壓力容器的焊接結構設計

（一） 應力分析

壓力容器的殼體壁較薄，殼體及底部的主要構成是二維面積承載件，其可以承受均勻分布的平面載荷。壓力容器主要承受的是內壓靜載，對于每個環形單元來說，其環向合力與切向應力都是相等的，可以通過列內力與外力平衡方程來計算壓力容器殼體各處切向應力σt：2σyΔlt=PeDiΔlσy=DiPe/2t由力學平衡條件可知，軸向合力與縱向力相等，可以通過列內力與外力平衡方程來計算壓力容器殼體各處縱向應力σl：σlπDit≈PeDi2π/4σl≈DiPe/4tσt為σl的兩倍，若壓力容器的周、縱兩向焊縫的厚度一樣，那么在處于破裂壓力時，容器殼體會沿縱向裂開。再者，在殼體內表面上的內部靜壓力還會產生向壓力Pe，其是逐漸向外減少的，至外表面時為0，可計算出平均徑向應力σr：σr=-Pe/2另外在承受內部靜壓的同時，壓力容器還會承受焊接內應力。在容器壁上，材料的變形性能會因兩向拉應力狀態而大大降低，達到極限時可能引起脆性斷裂。

（二）材料選擇

在壓力容器的材料選擇時，需要充分考慮到設計壓力、溫度、焊接性能以及介質特性等。GB150.2材料的設計壓力應≥35MPa，溫度應≥-253℃。碳素鋼和低合金鋼鋼板材料在選擇時也可參照GB150.2標準。

（三） 縱向及周向焊縫設計

壓力容器的縱向及周向焊縫在設計之時，一者首先要遵循焊接的基本規范及工藝，二者還要注意正確選擇焊接接頭形式，盡量避免采用角焊縫形式，最好是應用對接焊縫形式。再者為了避免出現應力集中的現象，最好要將多個縱向焊縫錯開。

（四）門環形凸底壁厚計算

對于圓柱形壓力容器且凸底無開口的，理論上可以通過半球形底來最大化地利用其材料性能，從而使殼體只承受壓力而不會發生彎曲。但在實際上，由于半球形通常較高，不方便養護，因此一般常應用門環形凸底。門環形凸底是由半球和具有圓柱形邊緣的曲面組成的，其會引起應力變向，當壁厚不足時，區域內會產生皺褶。根據門環形凸底計算系數（一般取10mm）可計算出門環形凸底壁厚。

（五）凸底與殼體不等厚截面的焊縫設計

假設壓力容器的殼體設計厚度為k，環形凸底的設計壁厚為r，k與r差別較大，則除要選擇對接焊縫外，還要選擇圓弧或斜坡過渡的接頭形式。

（六）壁上開口處補強

在壓力容器的設計中，一般殼體、底部都會開設一些開口并連接上接管，其主要目的是為了方便安裝維修及操作。但這些開口會在一定程度上降低容器的強度，并且還會產生一些局部的外載荷，而其峰值應力和許用應力若與焊接應力相迭加，則可能會造成壓力容器的破壞，所以要進行補強。補強方式一般有兩種，一種是在接管處再焊接一個圓環板，另一種是在開口接管處再焊接一個補強管。

三、結論

綜上所述，隨著壓力容器應用范圍的不斷擴大，對壓力容器的焊接結構設計也提出了更高的要求。壓力容器的焊接結構設計的合理性直接影響著整個壓力容器的質量及安全性，所以必須要得到重視。只有做好壓力容器的焊接工作，才能夠切實保障其質量。