壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫延廷(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫延廷(中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010)

壓力容器是化工生產(chǎn)中的一種重要設(shè)備，近年來，隨著我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，壓力容器的應(yīng)用范圍愈來愈廣泛，因此其生產(chǎn)量也在不斷增多。我國(guó)對(duì)壓力容器的質(zhì)量有著十分嚴(yán)格的要求，包括對(duì)其焊接工藝有著嚴(yán)格、詳細(xì)的規(guī)定。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，影響壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素較多，必須要由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員進(jìn)行合理的判斷，才能夠設(shè)計(jì)出符合規(guī)定要求的壓力容器焊接結(jié)構(gòu)。本文主要針對(duì)壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了淺要分析，希望對(duì)壓力容器的生產(chǎn)具有一定助益。

壓力容器；焊接結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前隨著我國(guó)工業(yè)化發(fā)展及工業(yè)化水平的不斷提高，一些工業(yè)生產(chǎn)中常用到的設(shè)備具有了更加廣闊的市場(chǎng)，壓力容器就是其中之一。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，壓力容器指的是那些具有承壓的設(shè)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(yīng)用范圍也十分廣泛，不僅僅在化工領(lǐng)域，在能源領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、機(jī)械制造領(lǐng)域等中，其都有著十分重要的應(yīng)用。同時(shí)壓力容器也是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)件，所以其對(duì)焊接的要求很高，尤其要保證焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。本文主要分析了壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅供參考。

1 壓力容器的焊接接頭結(jié)構(gòu)

常見的壓力容器的焊接接頭結(jié)構(gòu)有3類，一類是搭接接頭，一類是角接接頭，還有一類是對(duì)接接頭。其中搭接接頭屬于角焊縫，其是由兩個(gè)零件相互連接，中面平行而接頭處有部分重合，且接頭處結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，接頭部位的受力較差；這種接頭常出現(xiàn)在壓力容器與凸緣的焊接、殼體與加強(qiáng)圈間的焊接以及支座墊板間的焊接當(dāng)中。角接接頭以及T字形接頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。角接接頭是由兩個(gè)零件相互連接，中面相交成一定角度，其接頭一般會(huì)形成角焊縫，且接頭處結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，接頭部位的受力較差，存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象；這種接頭常出現(xiàn)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(dāng)中。對(duì)接接頭是由兩個(gè)零件相互連接，中面處于同一個(gè)弧面或平面，其優(yōu)點(diǎn)在于受力對(duì)稱、受熱均勻、無損檢測(cè)方便，所以在質(zhì)量上更加容易得到保障。

2 壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)應(yīng)力分析。壓力容器的殼體壁較薄，殼體及底部的主要構(gòu)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(nèi)壓靜載，對(duì)于每個(gè)環(huán)形單元來說，其環(huán)向合力與切向應(yīng)力都是相等的，可以通過列內(nèi)力與外力平衡方程來計(jì)算壓力容器殼體各處切向應(yīng)力σt：

由力學(xué)平衡條件可知，軸向合力與縱向力相等，可以通過列內(nèi)力與外力平衡方程來計(jì)算壓力容器殼體各處縱向應(yīng)力σl：

σt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(shí)，容器殼體會(huì)沿縱向裂開。再者，在殼體內(nèi)表面上的內(nèi)部靜壓力還會(huì)產(chǎn)生向壓力Pe，其是逐漸向外減少的，至外表面時(shí)為0，可計(jì)算出平均徑向應(yīng)力σr：

另外在承受內(nèi)部靜壓的同時(shí)，壓力容器還會(huì)承受焊接內(nèi)應(yīng)力。在容器壁上，材料的變形性能會(huì)因兩向拉應(yīng)力狀態(tài)而大大降低，達(dá)到極限時(shí)可能引起脆性斷裂。

(2)材料選擇。在壓力容器的材料選擇時(shí)，需要充分考慮到設(shè)計(jì)壓力、溫度、焊接性能以及介質(zhì)特性等。GB150.2材料的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)≥35MPa，溫度應(yīng)≥-253℃。碳素鋼和低合金鋼鋼板材料在選擇時(shí)也可參照GB150.2標(biāo)準(zhǔn)。

(3)縱向及周向焊縫設(shè)計(jì)。壓力容器的縱向及周向焊縫在設(shè)計(jì)之時(shí)，一者首先要遵循焊接的基本規(guī)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(yīng)用對(duì)接焊縫形式。再者為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最好要將多個(gè)縱向焊縫錯(cuò)開。

(4)門環(huán)形凸底壁厚計(jì)算。對(duì)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(huì)發(fā)生彎曲。但在實(shí)際上，由于半球形通常較高，不方便養(yǎng)護(hù)，因此一般常應(yīng)用門環(huán)形凸底。門環(huán)形凸底是由半球和具有圓柱形邊緣的曲面組成的，其會(huì)引起應(yīng)力變向，當(dāng)壁厚不足時(shí)，區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生皺褶。根據(jù)門環(huán)形凸底計(jì)算系數(shù)(一般取10mm)可計(jì)算出門環(huán)形凸底壁厚。

(5)凸底與殼體不等厚截面的焊縫設(shè)計(jì)。假設(shè)壓力容器的殼體設(shè)計(jì)厚度為k，環(huán)形凸底的設(shè)計(jì)壁厚為r，k與r差別較大，則除要選擇對(duì)接焊縫外，還要選擇圓弧或斜坡過渡的接頭形式。

(6)壁上開口處補(bǔ)強(qiáng)。在壓力容器的設(shè)計(jì)中，一般殼體、底部都會(huì)開設(shè)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(huì)在一定程度上降低容器的強(qiáng)度，并且還會(huì)產(chǎn)生一些局部的外載荷，而其峰值應(yīng)力和許用應(yīng)力若與焊接應(yīng)力相迭加，則可能會(huì)造成壓力容器的破壞，所以要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)方式一般有兩種，一種是在接管處再焊接一個(gè)圓環(huán)板，另一種是在開口接管處再焊接一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)管。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著壓力容器應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響著整個(gè)壓力容器的質(zhì)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(shí)保障其質(zhì)量。

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[2]孫霄飛.壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].化工中間體，2015，(11):48-49.

[3]吳召波.壓力容器焊接結(jié)構(gòu)的研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，(16):22+213.

孫延廷(1979- )，男，遼寧盤錦人,工程師,工程碩士,主要從事壓力容器及非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)工作。