降低压力容器设计制造应力集中的措施

朱沙沙，史艳梅

（河南心连心化肥有限公司，河南新乡 453731）

降低压力容器设计制造应力集中的措施

朱沙沙，史艳梅

（河南心连心化肥有限公司，河南新乡 453731）

对压力容器的结构进行详细分析，不仅有助于对压力容器的结构进行更深层次的了解，掌握制造工艺，并且可以通过设计使压力容器应力部分的情况得到改善，确保压力容器在承载上的安全性，从而延长压力容器的使用寿命。在接受应力集中和应力腐蚀的基础上对应力集中的措施进行了介绍，希望对提高我国压力容器设计的水平能够有所帮助。

压力容器；应力集中；设计制造

为了使压力容器的可靠性和安全性能够得到提高，我国一方面对压力容器设计和制造的技术规范和技术标准进行了完善，另一方面也鼓励压力容器的设计和制造方多使用新工艺和新材料。在压力容器中，应力腐蚀对其可靠性和安全性会造成影响，因此应当采取合理的措施解决应力腐蚀问题，避免造成较大的危害。

1 应力腐蚀与应力集中

应力腐蚀在压力容器中存在，造成其出现裂痕的原理如下：压力容器在应用过程中，因为受机械或化学物品的作用，氧化膜将会被损坏，在压力容器上将会有腐蚀点出现，受腐蚀介质的长期作用，加上拉应力的作用，腐蚀点在一段时间后将会出现裂痕，并且其会随着时间的延长而逐渐扩大，最终压力容器将会被破坏，无法继续使用。在应力容器中，引起应力腐蚀的主要原因就是应力集中，所谓应力集中，就是构件因为外部尺寸或受力构件在应用过程中，因为突发原因，导致局部应力增大。这种应力增大的情况，将会导致压力容器表面出现裂纹等缺陷。结构形状会断开，在进行焊接过程中出现焊瘤、温度梯度偏大等情况，都会使压力容器表面产生裂纹，在制造压力容器过程中，因为加工与制造存在不科学的情况，机械有可能会出现损伤。而通过分析，不难看出，应力集中是引起以上种种问题的主要原因，因此在压力容器制造过程中，需要采取合理的措施，降低应力集中，从而有效地阻止应力腐蚀的发生。

2 改善应力集中的合理措施

2.1 倒圆、倒角设计

通过有元计算和应力实测可以发现，如果在物体有小空洞、缺口等情况，在受到外力的作用后，其附近的应力将会远大于其它部位的数值。人们将这种应力集中增大的情况称作应力集中。在压力容器中，要想使应力集中能够得到降低，在进行压力容器结构的设计时，应当采取有效措施，使不同类型的圆弧圆角半径得到合理的扩大，在尖锐的拐角处，可以进行倒圆或倒角设计，这一系列措施可以避免压力容器在应用过程中，因为多次承受外力作用而发生应力集中。例如，在压力容器接管处采取倒圆的方式进行设计，依据统计显示，这种设计方案可以降低应力集中30%。如果压力容器介质为易燃易爆物品，或者为承受交变荷载以及低温容器，在设计过程中，都应当采取合理的措施，尽量降低局部结构因为断裂，而导致的峰值应力，避免压力容器在应用过程中出现疲劳损坏或脆性损坏，针对以上类型的压力容器在焊缝余高方面的限制要比普通的容器更加严格，依据相关的设计规定，应当对接管端部进行打磨，使其成为圆角。在制造过程中，不应当使点焊或断开的连接呈裂缝，同时应当在支座处设置垫板，焊接过程中禁止直接焊接壳体，禁止敲打或刻画受力元件，避免有缺口效应的划痕出现。此外，在焊接之后，进行热处理过程中，可以软化淬硬区、降低氢含量、使组织形态发生改变，从而使压力容器的力学性能得到改善。

在设计压力容器过程中，多数情况都需要在硬度理论的基础上进行，对稳定性属小和弹性失效准确进行合理应用，在计算上则应对平板和薄膜理论进行合理应用。在分析上，从应力角度入手，通常应当对成型封头和回转壳体进行应用，应减少平盖封头和矩形容器使用，只有在低压、常压或者有工艺存在特殊要求时，才能对平封头的方式加以应用。如果从应力分布入手，对压力容器进行分析，封头预应力由差到好的排列顺序如下：平封头和紧缩口封头、蝶形封头、椭圆形封头、半球型封头。如果在封头的设计主要考虑材料等因素，则最佳的封头方式为椭圆形封头。

2.2 通过边缘应力降低应力集中

在压力容器设计制造过程中，如果从边缘应力入手，应当尽量便相连接的构件的刚度差降到最低，尽量降低因为内压作用而引发的变形问题，从而导致不协调情况的出现。边缘应力通常都是因为几何形状发生突变引起的，结构之间相互约束会导致边缘弯矩和边缘力出现，引起边缘应力。均匀荷载下，通过降低连续构件之间的刚度差，可以降低应力。边缘应力具有较强的局部性，因此，在压力容器的设计和制造过程中，处理局部，对边缘结构进行改善，从而增强边缘区的局部内容，提高边缘焊缝质量，有效避免了附件局部荷载应力集中的出现，确保了压力容器质量能够达到使用标准。例如，制造材料和直径大小都相连的两圆筒，如果两者的壁厚之间存在较大差异，因为在同一内压作用下，变形将会出现不协调的情况，将会引起较大边缘应力。为了使边缘应力能够得到有效控制，应当较厚圆筒进行削簿过渡。在制造过程中，对厚件进行削簿过渡，在提高焊接质量的同时，可以同时改善焊接条件。

3 结束语

目前压力容器在工业生产过程中有着广泛的应用，其质量对工业的安全生产有着重要影响，因此需要对其设计和制造进行探讨。通过分析可以发现，应力集中式压力容器在质量方面面临挑战，因此需要对应力集中进行消除，杜绝腐蚀情况的发生，确保压力容器在工业生产过程中的安全运行。

[1] 冯强，尹红.试论压力容器制造过程中存在的问题与解决措施[J].科技创新与应用，2015，（21）.

[2] 李振庆，刘红星，刘景新，等.压力容器检验中危险源的辨识和控制[J].化学工程与装备，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，河南新乡人，主要从事机械设计或压力容器设计工作。