压力容器的焊接结构设计

李新伟

摘要：当前随着我国工业化发展及工业化水平的不断提高，一些工业生产中常用到的设备具有了更加广阔的市场，压力容器就是其中之一。在现代工业生产中，压力容器指的是那些具有承压的设备，其主要是由筒体、支座、法兰、密封元件、开孔、封头以及接管等零部件组成的。压力容器的应用范围也十分广泛，不仅仅在化工领域，在能源领域、军工领域、航空航天领域、机械制造领域等中，其都有着十分重要的应用。同时压力容器也是一种典型的焊接结构件，所以其对焊接的要求很高，尤其要保证焊接结构设计合理。

关键词：压力容器；焊接；结构设计

焊接是制造压力容器的重要工艺，焊接质量在很大程度上决定了压力容器的制造质量及使用安全性。压力容器需全面地、正确地考虑并应用焊接技术要求，规定正确、合理、可靠、可行的焊接技术条件，从设计源头保证压力容器的质量和本质安全。

一、压力容器的焊接接头结构

常见的压力容器的焊接接头结构有3类，一类是搭接接头，一类是角接接头，还有一类是对接接头。其中搭接接头属于角焊缝，其是由两个零件相互连接，中面平行而接头处有部分重合，且接头处结构不连续性，接头部位的受力较差；这种接头常出现在压力容器与凸缘的焊接、壳体与加强圈间的焊接以及支座垫板间的焊接当中。角接接头是由两个零件相互连接，中面相交成一定角度，其接头一般会形成角焊缝，且接头处结构不连续性，接头部位的受力较差，存在较严重的应力集中现象；这种接头常出现在凸缘与管板间的焊接、法兰的焊接、夹套的焊接以及接管的焊接等当中。对接接头是由两个零件相互连接，中面处于同一个弧面或平面，其优点在于受力对称、受热均匀、无损检测方便，所以在质量上更加容易得到保障。

二、压力容器的焊接结构设计

（一） 应力分析

压力容器的壳体壁较薄，壳体及底部的主要构成是二维面积承载件，其可以承受均匀分布的平面载荷。压力容器主要承受的是内压静载，对于每个环形单元来说，其环向合力与切向应力都是相等的，可以通过列内力与外力平衡方程来计算压力容器壳体各处切向应力σt：2σyΔlt=PeDiΔlσy=DiPe/2t由力学平衡条件可知，轴向合力与纵向力相等，可以通过列内力与外力平衡方程来计算压力容器壳体各处纵向应力σl：σlπDit≈PeDi2π/4σl≈DiPe/4tσt為σl的两倍，若压力容器的周、纵两向焊缝的厚度一样，那么在处于破裂压力时，容器壳体会沿纵向裂开。再者，在壳体内表面上的内部静压力还会产生向压力Pe，其是逐渐向外减少的，至外表面时为0，可计算出平均径向应力σr：σr=-Pe/2另外在承受内部静压的同时，压力容器还会承受焊接内应力。在容器壁上，材料的变形性能会因两向拉应力状态而大大降低，达到极限时可能引起脆性断裂。

（二）材料选择

在压力容器的材料选择时，需要充分考虑到设计压力、温度、焊接性能以及介质特性等。GB150.2材料的设计压力应≥35MPa，温度应≥-253℃。碳素钢和低合金钢钢板材料在选择时也可参照GB150.2标准。

（三） 纵向及周向焊缝设计

压力容器的纵向及周向焊缝在设计之时，一者首先要遵循焊接的基本规范及工艺，二者还要注意正确选择焊接接头形式，尽量避免采用角焊缝形式，最好是应用对接焊缝形式。再者为了避免出现应力集中的现象，最好要将多个纵向焊缝错开。

（四）门环形凸底壁厚计算

对于圆柱形压力容器且凸底无开口的，理论上可以通过半球形底来最大化地利用其材料性能，从而使壳体只承受压力而不会发生弯曲。但在实际上，由于半球形通常较高，不方便养护，因此一般常应用门环形凸底。门环形凸底是由半球和具有圆柱形边缘的曲面组成的，其会引起应力变向，当壁厚不足时，区域内会产生皱褶。根据门环形凸底计算系数（一般取10mm）可计算出门环形凸底壁厚。

（五）凸底与壳体不等厚截面的焊缝设计

假设压力容器的壳体设计厚度为k，环形凸底的设计壁厚为r，k与r差别较大，则除要选择对接焊缝外，还要选择圆弧或斜坡过渡的接头形式。

（六）壁上开口处补强

在压力容器的设计中，一般壳体、底部都会开设一些开口并连接上接管，其主要目的是为了方便安装维修及操作。但这些开口会在一定程度上降低容器的强度，并且还会产生一些局部的外载荷，而其峰值应力和许用应力若与焊接应力相迭加，则可能会造成压力容器的破坏，所以要进行补强。补强方式一般有两种，一种是在接管处再焊接一个圆环板，另一种是在开口接管处再焊接一个补强管。

三、结论

综上所述，随着压力容器应用范围的不断扩大，对压力容器的焊接结构设计也提出了更高的要求。压力容器的焊接结构设计的合理性直接影响着整个压力容器的质量及安全性，所以必须要得到重视。只有做好压力容器的焊接工作，才能够切实保障其质量。