压力容器设计及制造过程中降低应力集中的措施

2020-11-26王康姜正乾

商品与质量 2020年28期

王康姜正乾

江苏炬峰机械有限公司江苏淮安 211700

目前国内压力容器设计人员在设计产品时，最关心的是产品的性能，以保证设备能够安全运行，在制造工艺性方面更多的是考虑材料的工艺性（包括焊接性、冲压性、切削加工性、热处理性等），对产品结构的工艺性考虑的不是很充分，造成了制造过程中装配、拆卸、焊接、转动、搬运、运输等环节较为困难，具体表现在有的需要设计庞大的专用工装，增加制造成本；有的需要工人在狭小空间作业，增加劳动强度，且有安全隐患；有的结构易造成产品碰撞损伤，带来质量风险。

1 压力容器的主要特点

1.1 具有很高的安全要求

压力容器与其他容器的主要不同之处在于，它主要用于特种设备，并且经常在高温，高压，低温和低压等各种特殊环境中使用。像易燃易爆的液化气体和非常危险的化学介质一样，它们中的大多数都容纳在压力容器中，如果发生故障，不仅会导致重大的经济损失，而且在严重的情况下会出现很多的人员伤亡。因此，在设计和制造的过程中，首先要坚持安全原则，要遵守国家的有关法律法规，严格监控制造过程，有效提高压力容器使用的安全性和可靠性。

1.2 专业性强

与一般工业生产设备的设计和制造相比，压力容器的设计和制造具有很强的专业性，设计和制造过程涉及各种专业领域和技术。例如，不但需要冶金工业、机械和机械加工方面的知识，还需要自动化，化学保护，质量控制，甚至计算机软件的操作和开发技能方面的知识和技能。任何一个缺点都会影响压力容器的设计和制造，并且需要从事压力容器的设计和制造的技术人员通常需要具有更专业的技术知识、经验，并熟练地将各种法律、法规和产品标准应用于实际工作，积极沟通并相互协调，以确保最终设计和制造产品的压力容器的安全性和可靠性。

2 压力容器制造过程中的应力集中问题分析

应力集中是一种常见的弹性力学问题，也是影响脆性材料实际应用的主要问题之一。在物体应用的过程中，如果物体存在形状急剧变化的地方，例如缺口、孔洞等，则很容易发生应力集中的现象。当发生此类现象时，物体很容易产生疲劳裂纹等。在部分极端情况下，甚至会出现物体发生静载断裂的情况，从而直接影响到物体的使用。因此，需要尽可能避免应力集中现象的发生。在压力容器制造的过程中，也容易出现此类问题。压力容器的制造需要进行大量的切割、焊接等工作。如果工序处理不当，就会在压力容器上留下形状急剧变化的地方，从而导致应力集中现象的发生[1]。

3 压力容器制造降低应力集中的方法

3.1 零部件无装配调节余量

①管束折流板无柔性可调空间。某些换热器管束结构图纸上折流板与纵向隔板要求焊接成刚性整体，这种结构焊接存在的轻微变形就会导致管孔不同心，造成后续穿管困难。此问题优化方案为，取消折流板与纵向隔板焊缝，管束折流板之间采用拉杆、定距管连接即可，立管架时初步调同心后，穿管时有折流板有柔性微调空间，避免穿管出现“卡死”问题。②管束与壳体套装间隙过小。管壳式换热器，壳体与管束套装间隙过小，有些设计图纸壳体内径与折流板外径的间隙只有2mm，由于卷焊筒体的椭圆度、不直度，折流板冷作下料尺寸偏差等，实际最大间隙若控制在2mm 以内，则局部区域间隙会＜2mm，甚至为负值，造成套装干涉。此问题优化方案为，适当加大壳体与管束间隙，保证间隙名义尺寸至少有5mm[2]。

3.2 提高设计师的个人能力和素质

设计是产品质量的最主要保证，为了确保压力容器的质量和安全，要不断提高压力容器设计者的技术水平和综合素质，设计者必须有广泛的知识，正确地理解和运用国家的各项法律、法规和标准规范。此外，通过培训和工程实践，设计人员可以灵活地使用各种相关知识，例如力学、材料、计算、焊接、测试、测试、安装、使用和维护等方面的知识，以便于设计人员可以控制某些特定的设计约束条件，例如需要能够控制设计方法、材料选择、结构图、成本管理、时间安排等，这些影响设计的因素称为内部约束。它们不是静态的，设计人员根据特定情况进行管理，收集相关的现有数据，放松某些条件以形成某些可以实施的设计模式，并使用这些内部约束条件进行最终的评估，并选择和查找“最佳”设计，使这些设计能够充分发挥设计师的才能。

3.3 做好防腐蚀设计

大多数压力容器由金属材料制成，在使用过程中经常会出现腐蚀的情况，因此，设计和制造时必须严格遵守防腐蚀设计，这样才能有效地延长压力容器的使用寿命。另外，检查和操作人员还需要定期检查压力容器，以确保金属颗粒在压力容器的金属外表面上均匀分布。进而降低设备腐蚀和爆炸的可能性。在压力容器的制造中，还可以适当地添加铬元素以改善压力容器的耐腐蚀性[3]。