壓力容器設計方法探究范文

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1壓力容器封頭最小成形厚度的標注

壓力容器中有一個關鍵部件———封頭。封頭的結構設計和制作工藝決定其應用時的安全性能。一般來講，最小成形厚度是確保封頭強度的最小厚度。我國現行《壓力容器封頭》標準，雖然明確要求壓力容器的圖樣必須注明“封頭最小成形厚度”，但并未給出統一的計算方法，致使許多設計者難以準確把控最小成形厚度指標。本文以GB150.1—2011為參考依據：封頭義厚度=設計厚度+材料厚度負偏差圓整至材料標準規格的厚度。可見封頭的名義厚度實際投料厚度之間并無太大的關系，因此成形封頭的加工減薄率忽略不計。在不考慮封頭減薄的條件下，名義厚度=設計厚度+材料厚度負偏差向上圓整，詳見式（1）；封頭最小成形厚度=計算厚度+腐蝕裕量，詳見式（2）。由于實際生產中壓力容器制造商之間的工藝、設備和加工能力存在差異，使得材料加工減薄率不一致，這在標注最小成形厚度時應注意。

2法蘭的選用

當前，對于管法蘭、設備法蘭標準我國已建立了一套標準，并要求設計者采用標準規格進行設計。為了達到經濟合理的目標，有的設計標準往往成本較高，并且最終達到的效果往往不盡人意。查閱管法蘭標準（HG20592、HG20615）和設備法蘭（JB/T4700-4707）標準后得知，在等級、規格一致的條件下，設備法蘭的設計標準遠不及螺栓孔中心圓直徑管法蘭。從受力情況來分析，設備法蘭的受力力矩比管法蘭小，因而設備法蘭比管法蘭要薄一些。另外，管法蘭外圓較大，所以建議用設備法蘭制作壓力容器的筒體，初學者最好采用標準法蘭設計壓力容器。再者，由于管法蘭的造價比設備法蘭高，如果人手孔設計項目對成本的要求較寬松，還是建議優先使用方便快捷的管法蘭，將設備法蘭用于非標人手孔設計的部分可以節省一部分成本。

3壓力容器非徑向接管角度的選擇

在容器設計過程中，鑒于容器構造和制造工藝方面的要求，有的壓力容器需要在筒體上開橢圓孔，裝配切向或斜向的非徑向接管。筒壁上一旦開孔，其強度勢必削弱，橢圓孔附近極易產生應力集中的情況，其峰值應力通常是容器薄膜應力的幾倍。通過查閱文獻發現，角度越大的非徑向接管，其應力集中系數越高。容器的非徑向角度達到25°~45°時應力集中系數較大。此時可通過打磨焊縫來消除孔周圍的應力集中現象。建議在設計中接管非徑向角度要避開25°~45°區間，并標明需要打磨焊縫。

4焊接應力的減少

制造壓力容器時應重點灌注焊接與熱處理兩道工序的操作質量。焊接壓力容器的過程相當于把一個不均勻的容器局部加熱。加熱時，金屬材料內部會產生不均勻收縮或膨脹的現象，并由此產生三種峰值及分布狀態較為復雜的附加內應力，它們分別是：①焊接接頭因受熱與冷卻速率不一致而引起的的熱應力；②全相組織變化產生的組織應力；③由于壓力容器自身約束而產生的約束應力。焊接完畢后，壓力容器的焊縫區一般都存在殘余應力。這是由于焊接時產生不均勻的加熱場，使容器內應力達到材料金屬的屈服極限，造成局部發生塑性變形。當溫度比較均勻后，內應力殘留在容器內部所致。殘余應力的分布狀況非常復雜，為了保證容器質量，需要結合焊接應力產生的原理及時采取有效對策來消除焊接應力。在焊接壓力容器時，設計部主要采取以下技術措施來降低和消除焊接應力。在不影響結構性能的條件下減小焊縫長度、減少焊縫數量，并控制其截面尺寸。如基于JB1618—75操作規程，在直徑小于等于2200mm時，最多只能有1條焊縫；直徑大于2200mm時，最多預留2條焊縫，且要防止焊縫交叉。焊接時，宜選擇剛度小的接頭形式。另外，可以嘗試反變形法，將傳統插入管連接方式改為翻邊連接，但平板只能少量翻邊，通過控制焊縫的約束應力來降低焊接應力。除了在設計上采取一些減少焊接應力的方法，還有工藝上的一些方法，比如在焊接重要結構鋼或焊接高強度鋼時，可以進行構件整體焊前預熱，將構件加熱到一定溫度后再焊接；焊接塑性較好的鋼材時，可以使用手錘錘擊焊縫，錘擊要在焊后熱態情況下按一定方向進行，以延展焊縫材料金屬的塑性，降低內應力。同時還有一些其他的方法來降低焊接應力，機械降低應力處理方法，主要包括錘擊法和振動法；焊后熱處理法，分為整體和局部熱處理法。

5結束語

本文從設計方法的選擇，最小成型厚度的標注，法蘭的選用，非徑向接管角度的選擇，焊接應力的減少等幾個方面對壓力容器設計中常見的問題進行了分析，提出了一些解決辦法和方法，避免相關技術問題的發生，從而造成不必要的損失。

作者：尹天罡 單位：中國核電工程有限公司鄭州分公司