降低压力容器设计制造应力集中的措施探析

丁蕾

北京石油化工工程有限公司，陕西省西安市， 710000

摘要：研究压力容器生产过程中应力集中问题，可以帮助相关人员对压力容器具体使用方法进行全面掌握，并充分了解制造工艺，对应力分布进行科学优化，进而有效提高压力容器安全性。本文介绍了应力容器工作特点，分析了压力容器设计制造中应力集中问题，并提出几点优化措施。

关键词：压力容器；应力集中；优化措施

前言：在化工行业的日常生产活动中，压力容器的安全性尤为重要，要想满足其安全要求，就要求相关人员对压力容器设计予以足够重视，其核心问题就是对基于外载荷作用条件下的压力容器抵抗破坏与变形的能力进行研究。借助于分析压力容器应力，能够确定压力容器相关规定均是以优化其应力分布为主，进而促使应力得到有效降低，提高容器承压安全性。

1应力容器工作特点

现阶段，在石油化工以及其他工业领域中，压力容器应用广泛，与常规容器相比，压力容器特点如下：第一，结构复杂。在设计压力容器过程中，为了确保所有工况需求得到充分满足，压力容器结构往往具有独特性和多样性的特点，所以对于压力容器设计工作要求更加严格。第二，介质具有一定的危害性。压力容器中承装的介质种类繁杂，其中又以易燃易爆及有毒有害介质为主。一旦发生介质泄漏，就有可能造成重大事故，严重危害人民的生命财产安全。第三，运行环境恶劣。因为工艺需求，一般压力容器需要在较高的温度和压力下运行，若是安全系数较低，则极易引发安全事故^[1]。

2压力容器设计制造中应力集中问题

2.1应力集中

在弹性力学中，应力集中属于一种常见问题，对于材料实用性具有较大影响。若是物体突然发生形变问题，比如，缺口、孔洞等几何断开位置，亦或是法兰连接、焊接以及其他刚性连接位置，就会经常出现应力集中。应力集中会造成脆性材料出现沿晶断裂，也会造成韧性材料产生疲劳裂纹甚至韧性断裂的问题，对设备使用安全性产生直接影响。

压力容器在结构方面不可避免的会存在形变问题，并且在其加工制造过程中，需要进行大量焊接施工，若是不对工序进行合理处理，则极有可能会产生应力集中，严重威胁压力容器的运行安全。

2.2应力溯源

对于压力容器来讲，应力集中形成原因体很多：首先，在压力容器制造过程中，焊接属于常用连接技术，由融合区、热影响区、母材、焊缝形成的焊接接头对于应力集中具有关键影响，焊接会产生残余应力，也是造成应力集中的关键因素。其次，结构方面出现几何分割。设计压力容器时，选择平盖封头方式进行设计，极易导致容器壳体出现分割问题，进而导致应力集中。另外，压力容器壳体上需要开设各类管口，不仅会对结构整体性以及连续性造成破坏，同时也会造成应力集中^[2]。

3压力容器生产中应力集中优化策略

3.1降低连接件刚度差

在压力容器设计工作时，减小边缘部位应力集中属于关键点。通常，若压力容器壳体壁厚以及荷载等存在不合理现象，会导致出现边缘应力问题。就是说压力容器结构出现几何形状变化以及不连续性等问题，会造成弹性变形出现分割现象，另外，压力容器在相互约束条件下，会导致两侧壳体出现弹性变形，进而形成边缘弯矩，最终出现边缘应力。基于上述原因，在保证荷载均匀性基础上，若是可以有效降低连接件的刚度差，那么就可以实现其连接位置应力的全面降低。由于边缘应力局部特性较为显著，因此，压力容器设计时，应该对局部处理予以足够重视，以充分强化局部结构合理性，有效避免边缘出现应力集中现象。从受力角度来讲，若是壁厚不同的两段筒体的连接位置承受压力作用，那么连接位置的边缘应力就会持续增加。若是薄板厚度在10mm以上，并且两板厚度差在5mm以上，或是薄板厚度在10mm以内，并且两板厚度差在3mm以上，都需要对厚板进行削薄处理，也可以根据同样要求选择采用堆焊方法对薄板边缘进行斜面处理，同时堆焊长度需要在3倍连接厚度差以上。此种方式可以确保不同厚度筒节之间平缓过渡，防止连接位置出现形状突变，进而防止基于腐蚀介质的应力腐蚀问题出现。

3.2倒角及倒圆设计

借助于应力实测以及有限元分析能够发现，若是物体存在缺口和孔洞等问题，在承受外力作用时，其周边应力会比其他位置数值大。对于压力容器，为了减少应力集中现象，开展设计工作时，需要科学制定有效措施，采用各种类型圆角并科学扩大圆弧半径，对于尖锐拐角位置，应该进行倒角设计或是倒圆设计，该措施能够防止压力容器运行过程中，由于多次承受外力造成应力集中现象。根据相关实践显示，采用倒圆设计方法开展接管开口设计，可减少30%应力集中，若容器承装介质是易燃易爆物品，或是低温容器，设计过程中，均需要制定科学措施，尽可能减少局部结构突变，需要在支座位置设置垫板，防止压力容器运行中发生脆性损坏以及疲劳损坏问题，对于上述压力容器来讲，应该严格限制焊缝余高，根据设计规定打磨接管端部，进而变为圆角。设备加工制造时，尽量不要对壳体直接进行焊接，严禁敲击受压元件，防止产生划痕。同时，完成焊接工作后，需对设备进行消除应力热处理，对淬硬区进行软化、减少氧含量，进而充分优化压力容器力学性能

^[3]。

3.3科学确定焊接工艺以及结构

在焊接工艺方面，应该科学选择焊接材料，保证焊缝强度处于规范要求范围内，充分控制母材和焊材之间长度差。尽量减小焊接电流，有效控制线能量，充分减少焊接接头应力水平。开展焊接施工时，可以选择多层焊、窄焊道，以充分降低残余应力。

从焊接结构角度来讲，首先，应科学确定对接接头形式。与角接接头相比，对接形接头在强度、防止应力集中等方面优势较为突出。其次，对于焊接接头尺寸来讲，不同厚度元件间焊接时应削薄较厚件厚度以减少厚度差等。另外，采用高颈法兰、嵌入式凸缘、加长封头直边等措施也可以起到减少应力集中的目的。

结语：综上所述，对于工业生产来讲，压力容器的安全性会直接影响到整套装置的生产效率及其安全性。压力容器使用过程中承装的介质各有不同，若其承装介质具有腐蚀性，在一定的温度压力下会与受压元件材料发生反应，对容器内表面造成严重腐蚀，影响使用安全。基于应力集中条件下，极易出现开裂的问题，需要科学制定应对措施，防止应力集中的产生，进而保证压力容器的安全性。

参考文献：

[1]刘剑.压力容器设计及制造过程中降低应力集中的措施[J].石油石化物资采购, 2021(03):2-2.

[2]沈愚,刘科明.压力容器设计及制造过程中降低应力集中的措施[J].化工设计通讯, 2020, 46(06):110-111.

[3]郭雪华,王小敏,夏少青,等.角焊缝对压力容器疲劳强度的影响——压力容器应力分析设计中的六个重要问题(五)[J].石油化工设备技术, 2016, 37(06):6-6.