压力容器壳体制造中的主要缺陷及对壳体安全的影响分析

2011-04-13刘松涛

科技传播 2011年6期

刘松涛

浙江内曼格机械制造有限公司，浙江杭州 314500

压力容器在电站里是一种特殊的设备，同时使用的参数也在不断上升，容器壳体自身的质量会给企业的安全带来多方面的作用。这就需要企业在制造中消除压力容器壳体存在的各种问题，这样不仅能维持设备的持续运行，还能显著降低意外事故的发生，起到安全、经济双方面的效果。根据压力容器壳体不同的制作情况看，我们可以综合总结出压力容器存在的不足之处，为后面的生产改造提出有效建议。

1 压力容器壳体几何形状异常带来的影响

如果壳体几何形状存在持续问题时则会影响到结构的受力情况，如：表面凹凸不平、截面不圆、接缝角变形等。若壳体承受压力则将于壳体内产生附加弯曲应力和剪应力，使得构建的局部位置承受过大的压力。另外，几何形状的不连续会造成附加应力大小不一，这主要是由连续处的过渡状况决定。尺寸和形状发生异常变化时会造成过大的附加应力，当这种变化较小时则附加应力也会减小。

截面不圆常会导致筒节与筒节、筒节与封头接缝出现不吻合的问题。另一个角度看不圆的筒体承受内压时，受到“趋圆”变形的影响会造成筒体内出现周向附加弯曲应力。最大的周向弯曲应力则处于长径部位，计算这一应力时可按照以下方式进行：

式中：σb-由于筒体截面不圆产生的最大周向弯曲应力，MPa；

P-筒体承受的内压，MPa；

D-筒体平均直径，mm；

Dmax-不圆截面上的最大值径，mm；

Dmin-不圆截面上的最小值径，mm；

δ-壁厚，mm。

由此可知，当截面不圆度过大时，需要承载内压圆筒内的附加弯曲应力也会变大，这是我们需要高度重视的问题。而受外压的圆筒截面不圆会则会使得临界压力不断减小，情况加重时将直接影响构件性能。

表面局部凹陷和凸出也会引起多方面的影响，凹陷（或凸出）大小、深度决定了其严重程度。通常情况下，直径越大则深度越小，这时几何形状的变化幅度较小，在安全影响方面的作用也较小。而加工成形时出现的凹凸不平，通常都是相对缓和的状况。

焊缝过份加强（凸起）将导致局部结构出现不连续，从而大大增加了局部的应力大小，此种问题通常会被人们忽视。尽管这类问题不能对焊缝的静力强度造成影响，而对于构件的疲劳强度却起到减弱的作用。

接缝错边通常要在焊接阶段，结合熔注金属填补过渡完成制作，但其形状的变化程度多数较为明显，这类形式的接缝角变形对几何形状不连续而言影响甚大。壳体需要频繁启动和反复变载时，错边和角变形能降低疲劳强度，减短了设备的使用周期。

2 压力容器壳体焊缝缺口的影响

很多情况的焊接缺陷都是在焊缝或焊缝周围出现缺口，如：咬边、未焊透、气孔、夹渣和焊缝凹陷等，这类状况会在两个方面对壳体的安全造成影响。首先，不同缺陷的出现会大大减小焊缝的承载截面积，使焊缝的静力拉伸强度减弱，情况严重会造成壳体的延性破坏。缺陷截面积的大小决定了严重程度，但经过总要和计算能对将会造成的影响给予评估。其次，因陷口的存在使得缺口附近的受力条件出现变化，给材料的塑性变形造成很大的阻碍，让材料转向脆性状态，有时会造成缺口根部的应力集中，会形成裂纹或导致裂纹扩展。

构件出现不足之处后，会造成应力大小布置不均衡。而严重程度情况多数依赖于应力集中系统的战士，这一指标常通过截面上最大应力与平均应力之比获得。经过长期制造显示，应力集中系数的大小多由缺口的尖锐程度决定。缺口越尖锐通常是缺口根部的曲率半径越小，应力根部相对集中，这会导致构建出现损坏问题。

3 压力容器壳体残余应力的影响

当壳体经过焊接和冷加工等操作时，壳体内部都会存留一定大小的内应力。主要是制造中或制成后的壳体若处于无压力状态，一部分壳壁则会处在有应力的状态中。这种残余应力大小不一，焊接残余应力通常偏大，有的情况这类压力会接近或达到材料的屈服点。尽管残余应力不属于壳体上的机械缺陷，但实际运用时常会造成不同的缺陷问题，常会给壳体安全造成很大的影响。

焊接残余应力的产生，是因为金属熔焊时，焊缝的熔注金属是在熔融的状态下填充在焊件的接缝中的，当焊缝及其周围的母材冷却时，这些熔注的金属就要收缩，但它以受到刚性焊件的限制，因而焊缝金属沿长度方向即受到拉力，这就是残余应力。焊接残余应力的大小取决于焊件对焊缝收缩变形的约束程度。焊件越厚，刚性越大，焊后残余应力越大，应力状态也越复杂。冷加工产生的残余应力则与加工变形的程度有关，冷加工变形越大，残余应力也越越大。

残余应力有时可以大到使壳体产生裂纹或使裂纹扩展的程度。如果所使用材料的韧性较差，就会在没有外力的作用下使壳体自行破裂，或者使壳体产生裂纹，然后在承受压力时产生破裂。留存在壳体内的残余应力即使不至于产生裂纹，也会在壳体承压后增大壳壁内的应力水平，从而加剧壳体的疲劳破坏和应力腐蚀破坏。