探析压力容器合理性的设计方法

探析压力容器合理性的设计方法

窦鹏

窦鹏

山东天元压力容器有限公司276000

摘要：在日常生活中压力容器是使用较为广泛的设备，倘若出现质量问题，不但导致大规模安全事故的发生，还会对企业及个人带来巨大的损失。压力容器的设计应该在遵循合理性原则前提下进行从而确保压力容器的质量，但也会有一些例外情况。

关键词：压力容器；常规设计；分析

在日常生活中压力容器是使用较为广泛的设备，倘若出现质量问题，不但导致大规模安全事故的发生，还会对企业及个人带来巨大的损失。压力容器的设计应该在遵循合理性原则前提下进行从而确保压力容器的质量。

一、压力容器设计原则

1、材料的检验

低温钢材在入厂后的复验对于保证材料质量，从源头上保证低温容器的质量具有重大的意义。低温材料应按国家规范及相关材料标准的要求进行复验。复验项目至少包含材料的化学成分、常温机械性能、低温冲击值及钢板的超声波检验。焊条还需按批复验药皮含水量或熔敷金属扩散氢含量。、

2、热处理

容器的壳体基本上是由钢板卷制成形的，钢板会在成形过程中产生冷作硬化现象。焊接时，在热应力的作用下容器零部件先经过热胀然后再冷缩，在焊缝和热影响区形成很大的残余应力。部件组对装配过程中也会产生附加的应力。设备运行时，这些应力跟容器内压产生的应力叠加后，容器的总体应力可能超过材料的承受极限，在低温下容易发生脆断的危险。容器焊后后热能够去除焊缝金属中的氢气；进行消除应力热处理能够有效地消除焊接残余应力、软化热影响区和冷加工变形区的组织，将组织恢复到低温钢材料原来的状态，保证材料的性能。

3、载荷

当低温压力容器建造成为塔式容器时，除了要考虑容器在低温下，满足内压作用下的强度要求外，还要考虑风载和地震载荷；里面有内件，还要考虑流体压降带来的冲击。用于支撑设备的裙座或耳座，也处于低温环境中，支撑件在弯曲应力的作用下，发生脆断可能性变得非常大，在选择支撑件材料时，应采用与容器受压件相同等级的材料。四耳座或腿座的容器，在实际的服役状态中，可能出现仅有三个支座承受载荷的状况，每个支座按三分之一总载荷进行安全核算。

4、结构

由于低温压力容器对温度极其敏感，标准规范对低温压力容器的设计有特殊的规定。设计低温压力容器时，在结构上应充分考虑以下几点：1）避免复杂的结构，减少零件之间相互的约束。2）结构设计应避免温度梯度的产生。3）避免急剧变化的截面结构。4）非受压件的焊缝应采用连续焊。5）避免非受压件直接与容器壳体相焊，应在它们之间设置垫板。6）与受压件相焊的垫板、吊耳、制作等的材料应与受压件相一致，其焊缝应为全焊透。7）接管补强应采用整体补

5、焊接

低温容器的焊接质量是影响设备性能的另一个重要因素。低温钢的焊接除了防止焊接裂纹外，还要保证焊缝热影响区的低温韧性。低温钢材料中的杂质、焊接区域中的油污、铁锈、大气中的水汽等在电弧高温作用下分解出氢原子进入熔池中，在焊缝冷却过程中以过饱和状态扩散、析集于熔合线附近的热影响区，在焊接应力及淬硬组织的共同作用下，极易产生冷裂纹。防止冷裂纹产生的措施有：1）减少氢的来源，选用低氢型焊条，甚至超低氢型焊条。清除焊接工件上油污和水汽。2）选取合适的焊接线能量，尽量进行多道焊。3）焊前预热、焊后后热，避免淬硬组织和减少焊接应力。4）不要在容器受压件上的点焊、引弧。在焊缝中的有害元素硫、磷及其它易形成低

二、压力容器合理性设计分析

1、压力容器焊接工艺规程设计系统

在制造压力容器的过程中，焊接质量直接影响着压力容器的制造质量。而质量体系文件和焊接工艺是否合理直接影响着焊接质量的优劣。焊接工艺规程系统是一种计算机辅助工艺设计，在压力容器的实际生产过程中能够利用大量专业知识和计算机解决许多复杂问题。压力容器的焊接制造非常复杂，合理的焊接工艺是能够保证焊接质量的重要因素，但是影响焊接工作条件的焊接过程工艺参数又比较多，因此在工艺参数的制定上要由国家标准和有经验的焊接专家共同合作，而焊接工艺的制定又直接对生产成本和生产效率有较大的影响。在焊接领域利用焊接工艺规程系统，通过利用大量的经验知识和计算机，再加上合理的逻辑思维进行推理，就能够有效的解决许多实际生产问题，从而降低人为失误的概率，缩短生产准备周期，提高生产效率，保证焊接质量。因此，以计算机数据库为开放平台，压力容器制造为背景，加强焊接工艺规程系统的开发具有非常现实的意义。

2、压力容器CAD设计

压力容器是一种特殊的容器，因为其内部存储的物质相对特殊，无论是气体还是液体，都属于易燃易爆或者有毒有害的物质。压力容器广泛的应用于社会的各个行业，因此国内外对其结构的密封性都有很大的关注。一般，根据设计压力，能够将压力容器分为低压、中压、高压容器三种类型。压力容器在设计过程中必须遵循国家制定的标准、规程和规范。因为在不同的使用环境中，压力容器的设计参数也各不相同，从而为设计工作者带来繁重的工作和极大的困难。因此压力容器设计的CAD技术研究逐渐成为压力容器设计者关注的焦点课题。当前，压力容器CAD技术一般利用AutoCAD应用软件进行设计计算和绘图。焊接技术是压力容器的制造过程中非常关键的环节，如筒节之间的连接、筒节与封头之间的连接、平板之间的拼接、接管与壳体的连接等等，都是通过焊接技术完成的。进行焊接结构设计，必须解决等强原则、材料的屈强比和强度计算、焊缝的合理布置以及对焊缝表面形状和尺寸的要求、推广断续焊缝的必要性以及施工方便性等几个方面的难题，因此利用CAD技术设计压力容器焊接结构的研究是一个非常有意义的。

3、低温压力容器的结构设计

低温压力容器要进行结构设计时，需要避免出现应力集中、尖角等情况发生，确保结构具有一定的韧性，所以需要在设计工作中对一些问题进行特别关注。尽可能的确保结构简单化，减少焊接件受到约束程度，各截面的温度梯度要尽可能的减小，在结构拐角及过渡处应避免出现应力集中的情况，确保容器元件的各个部分都能够圆滑过渡；对于容器在耳座、鞍座及支腿等部位，在焊接时需要利用垫板和连接板，避免直接与容器壳体进行焊接；在进行非受压元件及附件焊接时，其焊缝在采用连续焊；利用整体补强和厚壁管进行接管补强，合理的对焊缝进行布置，避免出现集中和交叉的情况；对于一些载荷复杂的附件在焊后不能整体进行热处理时，需要进行单独的热处理。A类焊缝和B类焊缝需要采用全焊透对接焊缝，而对于C类和D类焊缝则采用截面全焊透结构即可。

压力储存设备在人类工业制造中拥有着十分多的作用，重点在盛放液体、气体，同时能够负荷一定的压力，普遍在能源业、科研事业、军队项目、石油化工等很多行业中使用，是安全以及符合标准制造时的关键设施，而其设计就十分重要了。

参考文献：

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