壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問題分析

摘要：

壓力容器作為—種特殊的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全問題的重要意義，主要針對3點(diǎn)內(nèi)容對壓力容器設(shè)計(jì)一股原則進(jìn)行了分析，并對壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的用鋼問題提出了建議。

前言

壓力容器科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于安全生產(chǎn)有著深遠(yuǎn)的意義。安全性時(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全問題的研究，可以避免不必要安全事故的發(fā)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(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、科研和軍工等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門都起著重要作用的設(shè)備。我國現(xiàn)有在用壓力容器大多數(shù)是在高溫、高壓、低溫、疲勞及腐蝕性介質(zhì)等苛刻工況下運(yùn)行。安全使用壽命長的可達(dá)20年以上，短的只有幾年甚至幾個(gè)月。在用壓力容器往往存在著各種焊接缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷、材料缺陷、使用時(shí)產(chǎn)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(fā)生事故將會對人民生命財(cái)產(chǎn)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(dāng)重視。

2.壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則

2.1截面突變的不連續(xù)處應(yīng)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(jié)構(gòu)上的不連續(xù)。在這些部位都會產(chǎn)生較高的不連續(xù)應(yīng)力（或稱邊緣應(yīng)力），并導(dǎo)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(yīng)，有的邊緣效應(yīng)顯著，應(yīng)力可達(dá)到很大的數(shù)值。但是，邊緣應(yīng)力有其特點(diǎn)，即影響范圍小。這些應(yīng)力只存在可連接處附近的局部區(qū)域，離開連接處稍遠(yuǎn)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(yīng)力衰減趨于零。由于邊緣應(yīng)力具有局限性，因此在壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xù)應(yīng)力水平。如對橢圓形封頭和蝶形封頭按JB/T4746設(shè)置足夠大的過渡圓弧，且留有直邊，使壓力容器強(qiáng)度較薄弱的焊接接縫離開邊緣應(yīng)力的影響區(qū)。對邊緣強(qiáng)度不足的無折邊錐形封頭作局部加強(qiáng)，以及避免采用容器簡體與端蓋連接的平板角焊結(jié)構(gòu)。

2.2焊縫錯(cuò)開并盡量遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)

從事故分析可知，事故大多數(shù)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(qū)，特別在焊縫交叉處和未焊透的角焊縫處產(chǎn)生這類缺陷的概率較大。實(shí)際焊接容器中的殘余應(yīng)力，隨焊接構(gòu)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(yīng)力是復(fù)雜的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要盡量減少焊接結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力集中，而且還要使焊縫盡可能的遠(yuǎn)離接管、支座等其他應(yīng)力集中區(qū)，以避免互相重疊造成局部的高應(yīng)力狀態(tài)。

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

3.對壓力容器用鋼材的要求

3.1具有良好的力學(xué)性能

首先，制造壓力容器的材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，以防止在承受壓力時(shí)發(fā)生塑性變形甚至斷裂。對于鍋爐和中、高溫壓力容器，還應(yīng)考慮材料的抗蠕變性能，測定材料的高溫性能指標(biāo)，即蠕變極限和持久強(qiáng)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(dǎo)致破壞。第三，制造鍋爐、壓力容器的材料應(yīng)具有較高的韌性，使鍋爐、壓力容器能承受運(yùn)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(huán)境溫度較低的壓力容器，更應(yīng)考慮材料的沖擊韌性值，并對材料進(jìn)行操作溫度下的沖擊試驗(yàn)，以防止容器在運(yùn)行中發(fā)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(shí)容易成形且不會產(chǎn)生裂紋等缺陷。其次，制造鍋爐、壓力容器的材料應(yīng)具有較好的可焊性，以保證材料在規(guī)定的焊接工藝條件下獲得質(zhì)量優(yōu)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(chǎn)生的殘余應(yīng)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(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，必須根據(jù)其使用條件，選擇適當(dāng)?shù)哪透g材料。對于鍋爐和高溫壓力容器，所選用的材料還應(yīng)具有抗氧化性能。

4.材料代用現(xiàn)狀

在設(shè)備制造過程中，由于采購困難或?yàn)榱藢ΜF(xiàn)有材料進(jìn)行充分利用等原因，材料代用問題在目前的壓力容器設(shè)計(jì)中時(shí)有發(fā)生。在《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察容規(guī)》中對材料代用問題都有相應(yīng)規(guī)定，歸納起來有如下要求：壓力容器承壓部件的代用材料，應(yīng)與被代用的材料具有相同或相近的化學(xué)成分、交貨狀態(tài)、檢驗(yàn)項(xiàng)目、性能指標(biāo)、檢驗(yàn)率、尺寸公差以及外形質(zhì)量等。最基本的代用原則是代用鋼材的技術(shù)要求不低于被代用的鋼材，個(gè)別在性能項(xiàng)目或檢驗(yàn)率方面要求略低的代用鋼材，則通過增加檢驗(yàn)來進(jìn)行代用。同時(shí)材料代用要履行下述手續(xù)：①凡壓力容器承壓部件的材料代用，必須經(jīng)材料代用單位的技術(shù)部門（包括設(shè)計(jì)和工藝部門）同意，并將代用材料的質(zhì)量證明書或復(fù)驗(yàn)報(bào)告報(bào)主管負(fù)責(zé)人審核批準(zhǔn)；②壓力容器的材料代用必須征得原設(shè)計(jì)單位的同意并取得證明文件；③壓力容器出廠質(zhì)量證明書和施工圖上應(yīng)注明代用材料的材質(zhì)、規(guī)格和部位。壓力容器用金屬材料的主要性能包括力學(xué)性能、制造工藝性能、耐腐蝕及耐高溫性能等。

5.結(jié)束語

壓力容器的安全問題涉及到許多方面，每一個(gè)方面都是不可忽視的課題。在對這些問題充分掌握的基礎(chǔ)上，才能夠在機(jī)構(gòu)方面設(shè)計(jì)出更為科學(xué)合理、安全可靠的壓力容器。