降低壓力容器設計制造應力集中的措施

朱沙沙，史艷梅

（河南心連心化肥有限公司，河南新鄉 453731）

降低壓力容器設計制造應力集中的措施

朱沙沙，史艷梅

（河南心連心化肥有限公司，河南新鄉 453731）

對壓力容器的結構進行詳細分析，不僅有助于對壓力容器的結構進行更深層次的了解，掌握制造工藝，并且可以通過設計使壓力容器應力部分的情況得到改善，確保壓力容器在承載上的安全性，從而延長壓力容器的使用壽命。在接受應力集中和應力腐蝕的基礎上對應力集中的措施進行了介紹，希望對提高我國壓力容器設計的水平能夠有所幫助。

壓力容器；應力集中；設計制造

為了使壓力容器的可靠性和安全性能夠得到提高，我國一方面對壓力容器設計和制造的技術規范和技術標準進行了完善，另一方面也鼓勵壓力容器的設計和制造方多使用新工藝和新材料。在壓力容器中，應力腐蝕對其可靠性和安全性會造成影響，因此應當采取合理的措施解決應力腐蝕問題，避免造成較大的危害。

1 應力腐蝕與應力集中

應力腐蝕在壓力容器中存在，造成其出現裂痕的原理如下：壓力容器在應用過程中，因為受機械或化學物品的作用，氧化膜將會被損壞，在壓力容器上將會有腐蝕點出現，受腐蝕介質的長期作用，加上拉應力的作用，腐蝕點在一段時間后將會出現裂痕，并且其會隨著時間的延長而逐漸擴大，最終壓力容器將會被破壞，無法繼續使用。在應力容器中，引起應力腐蝕的主要原因就是應力集中，所謂應力集中，就是構件因為外部尺寸或受力構件在應用過程中，因為突發原因，導致局部應力增大。這種應力增大的情況，將會導致壓力容器表面出現裂紋等缺陷。結構形狀會斷開，在進行焊接過程中出現焊瘤、溫度梯度偏大等情況，都會使壓力容器表面產生裂紋，在制造壓力容器過程中，因為加工與制造存在不科學的情況，機械有可能會出現損傷。而通過分析，不難看出，應力集中是引起以上種種問題的主要原因，因此在壓力容器制造過程中，需要采取合理的措施，降低應力集中，從而有效地阻止應力腐蝕的發生。

2 改善應力集中的合理措施

2.1 倒圓、倒角設計

通過有元計算和應力實測可以發現，如果在物體有小空洞、缺口等情況，在受到外力的作用后，其附近的應力將會遠大于其它部位的數值。人們將這種應力集中增大的情況稱作應力集中。在壓力容器中，要想使應力集中能夠得到降低，在進行壓力容器結構的設計時，應當采取有效措施，使不同類型的圓弧圓角半徑得到合理的擴大，在尖銳的拐角處，可以進行倒圓或倒角設計，這一系列措施可以避免壓力容器在應用過程中，因為多次承受外力作用而發生應力集中。例如，在壓力容器接管處采取倒圓的方式進行設計，依據統計顯示，這種設計方案可以降低應力集中30%。如果壓力容器介質為易燃易爆物品，或者為承受交變荷載以及低溫容器，在設計過程中，都應當采取合理的措施，盡量降低局部結構因為斷裂，而導致的峰值應力，避免壓力容器在應用過程中出現疲勞損壞或脆性損壞，針對以上類型的壓力容器在焊縫余高方面的限制要比普通的容器更加嚴格，依據相關的設計規定，應當對接管端部進行打磨，使其成為圓角。在制造過程中，不應當使點焊或斷開的連接呈裂縫，同時應當在支座處設置墊板，焊接過程中禁止直接焊接殼體，禁止敲打或刻畫受力元件，避免有缺口效應的劃痕出現。此外，在焊接之后，進行熱處理過程中，可以軟化淬硬區、降低氫含量、使組織形態發生改變，從而使壓力容器的力學性能得到改善。

在設計壓力容器過程中，多數情況都需要在硬度理論的基礎上進行，對穩定性屬小和彈性失效準確進行合理應用，在計算上則應對平板和薄膜理論進行合理應用。在分析上，從應力角度入手，通常應當對成型封頭和回轉殼體進行應用，應減少平蓋封頭和矩形容器使用，只有在低壓、常壓或者有工藝存在特殊要求時，才能對平封頭的方式加以應用。如果從應力分布入手，對壓力容器進行分析，封頭預應力由差到好的排列順序如下：平封頭和緊縮口封頭、蝶形封頭、橢圓形封頭、半球型封頭。如果在封頭的設計主要考慮材料等因素，則最佳的封頭方式為橢圓形封頭。

2.2 通過邊緣應力降低應力集中

在壓力容器設計制造過程中，如果從邊緣應力入手，應當盡量便相連接的構件的剛度差降到最低，盡量降低因為內壓作用而引發的變形問題，從而導致不協調情況的出現。邊緣應力通常都是因為幾何形狀發生突變引起的，結構之間相互約束會導致邊緣彎矩和邊緣力出現，引起邊緣應力。均勻荷載下，通過降低連續構件之間的剛度差，可以降低應力。邊緣應力具有較強的局部性，因此，在壓力容器的設計和制造過程中，處理局部，對邊緣結構進行改善，從而增強邊緣區的局部內容，提高邊緣焊縫質量，有效避免了附件局部荷載應力集中的出現，確保了壓力容器質量能夠達到使用標準。例如，制造材料和直徑大小都相連的兩圓筒，如果兩者的壁厚之間存在較大差異，因為在同一內壓作用下，變形將會出現不協調的情況，將會引起較大邊緣應力。為了使邊緣應力能夠得到有效控制，應當較厚圓筒進行削簿過渡。在制造過程中，對厚件進行削簿過渡，在提高焊接質量的同時，可以同時改善焊接條件。

3 結束語

目前壓力容器在工業生產過程中有著廣泛的應用，其質量對工業的安全生產有著重要影響，因此需要對其設計和制造進行探討。通過分析可以發現，應力集中式壓力容器在質量方面面臨挑戰，因此需要對應力集中進行消除，杜絕腐蝕情況的發生，確保壓力容器在工業生產過程中的安全運行。

[1] 馮強，尹紅.試論壓力容器制造過程中存在的問題與解決措施[J].科技創新與應用，2015，（21）.

[2] 李振慶，劉紅星，劉景新，等.壓力容器檢驗中危險源的辨識和控制[J].化學工程與裝備，2013，（2）.

Measures to Reduce Stress Concentration in Pressure Vessel Design and Manufacture

Zhu Sha-sha，Shi Yan-mei

The structure of pressure vessel is analyzed in detail，which not only helps to understand the structure of pressure vessel，master the manufacturing process，but also can improve the stress part of the pressure vessel by design，ensure the pressure vessel is carrying Of the safety，thereby extending the life of the pressure vessel.In this paper，stress concentration and stress corrosion on the basis of stress concentration measures were introduced，I hope to improve the level of China’s pressure vessel design can be helpful.

pressure vessel；stress concentration；design and manufacture

TH49

B

1003–6490（2016）09–0062–02

2016–08–30

朱沙沙（1988—），女，河南新鄉人，主要從事機械設計或壓力容器設計工作。