压力容器设计及制造过程中降低应力集中的措施

张翔兮

（遵义市特种设备检验所，遵义 563000）

压力容器在石油、化工等行业中应用广泛。压力容器应力集中可能导致承压安全性和使用寿命降低等安全问题，如容器泄漏、爆炸等，威胁相关工作人员、生产现场及其周边区域的安全。因此，在压力容器设计与制造阶段，需要尽可能减少应力集中现象的发生。

1 压力容器的主要特点

1.1 专业性与密封性

从实际用途方面来看，虽然受到行业与生产需要的影响，压力容器内实际存储的物质有所不同，但是普遍属于易燃易爆、有毒有害、有腐蚀性的压力介质，所以要求压力容器具备更强的专业性和更高的密封性。如果压力容器的密封性偏低，则会增加内部介质泄漏问题的发生概率，产生安全隐患，威胁生产、人员、环境安全。

1.2 安全性

相比于其他常压介质存放容器，压力容器内部储存的物质危险性高，且实际参与的化工、石化等反应过程有一定的危险性，因此在当前设计及制造过程中，人们对于压力容器的安全性能普遍有着更高要求。如果压力容器的安全性偏低，则很有可能在生产期间发生相对严重的安全事故。

1.3 结构稳定性

受内部存储物质不同、生产条件不同、技术工艺不同的影响，不同压力容器的设计和工作压力不同，对压力容器结构的稳定性要求也不相同[1]。在压力容器结构设计期间，要切实参考其操作参数、使用地及其自然条件、介质组分与特性等现实情况，确定设备性能指标，保证结构稳定性满足实际的安全生产需要。

2 压力容器设计及制造过程中应力集中问题的综合分析

2.1 应力集中问题分析

在压力容器形状发生急剧变化的位置出现的应力局部增高现象即压力容器应力集中现象。如果应力过大，则可能引发压力容器的疲劳断裂，或是脆性材料制成零件位置的静载断裂[2]。就当前的情况来看，在压力容器的设计与制造中，设计与制造工序不合理、制造工艺不标准等问题，均有可能使得压力容器形状不连续引发应力集中，使得压力容器的安全性和结构稳定性明显下降。产生应力集中后，压力容器的局部位置可能会发生性能下降或是出现裂纹等问题，也可能引发压力容器的疲劳、应力腐蚀等情况，造成压力容器设计与制造质量下降。应力集中情况严重时，可能出现严重的安全问题，如容器泄漏、爆炸等，威胁相关工作人员、生产现场及其周边区域的安全。

2.2 应力集中产生的主要原因

从压力容器结构设计的角度进行分析，导致应力集中产生的关键原因之一是结构设计不合理。对于压力容器来说，容器封头设计极为关键。想要保证压力容器的密封性达到预期，必须通过强度计算和应力分析科学、合理设计封头。在当前的压力容器设计与制造中，更多使用成型的封头或是回转壳体的封头。若是在设计时采用平盖封头，则势必会导致压力容器的应力分布有所下降，会在工作压力、工作温度范围等方面使得压力容器的性能指标有所下降，增大应力集中问题的发生概率。

从压力容器制造过程的角度进行分析，导致应力集中产生的原因包含两方面，一是生产制造工艺与结构设计配合程度不理想，二是操作工序失误或未达到标准。就生产制造方面来看，为了适应多种工业生产环境，对压力容器的操作参数、使用环境、介质等的考量将更加复杂，而焊接工艺及焊后热处理选取会使压力容器的应力发生急剧变化。如果未针对这一设计要求搭配使用合适的工艺与技术，严格遵守压力容器焊接工艺评定的要求，并优化改善压力容器的制造工艺，则会导致应力集中的发生。就操作工序方面来看，在切割与焊接操作工序中更易发生应力集中。通常情况下，若是未严格依照相关要求在压力容器制造期间实施切割与焊接，那么在对应的切割点与焊接点更易引发应力集中。如果实际使用的材料具有较大脆性，那么可能导致相应位置的表面生成应力集中裂纹，发生更严重的安全事故。

3 压力容器设计及制造过程中应力集中的降低措施与要点

3.1 基于压力容器设计的集中应力降低策略

优化压力容器的设计是防止应力集中问题发生的重要举措。结合分析可知，如果在压力容器设计及制造过程中发生设计不合理等问题，则可能会使压力容器形状随之发生变化而引发应力集中，导致压力容器的安全性和结构稳定性明显下降。因此，压力容器设计应当符合《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG 21—2016）和《压力容器》（GB 150—2011）等相关安全技术规范及规程的基本安全要求。同时，从设计角度来看，在压力容器中容器封头属于重要构件，必须加强对容器封头的科学、优化设计。在当前的压力容器设计中，需要选定合适的封头类型，在保障压力容器满足工艺参数和安全性的同时，实现对应力集中问题的有效控制。

现阶段，压力容器设计及生产制造期间，普遍将封头类型划分为半球形、蝶形、椭圆形以及平盖封头等类型。设计中必须结合压力容器的运行环境、使用性能要求以及其他结构设计方案等内容，选定合适的封头类型，从设计角度降低应力集中现象的发生概率。一般情况下，在压力容器的结构设计中更适合引入成型的封头或是回转壳体的封头，尽可能避免投放平盖封头[3]。从材料消耗的角度进行分析，在当前的压力容器设计期间，中低压的压力容器多选用椭圆封头，高压和超高压压力容器多选用球形封头。在不存在特殊要求的情况下，设计中一般不考虑使用平盖封头和矩形的截面封头，以保证压力容器的结构稳定性和使用安全性。

3.2 基于压力容器边缘应力的集中应力降低策略

在当前的压力容器设计中，它的几何不连续、载荷不连续及温度不连续处，由于介质压力及温度作用，除产生薄膜应力外，还产生了变形协调，导致边缘应力的产生。可以从压力容器的边缘应力入手，通过减小刚度差的方式控制边缘应力的产生，规避应力集中，提升压力容器的结构稳定性和使用安全性。第一，在实际的压力容器设计中，应当尽可能减小两个连接件之间存在的刚度差，以降低压力容器边缘应力大小，利用边缘应力局部性特点进行局部处理，降低压力容器自由变形不平衡问题的发生概率，从而有效控制应力集中问题的发生。对于边缘应力，可通过改变容器边缘结构、边缘局部补强、筒体纵向焊缝错开焊接以及焊后热处理等，局部改变其不连续性，从而有效降低边缘应力。第二，从压力容器的设计工艺方面来看，要有效利用制造材料的自限性，保证其材料塑性，以控制其边缘应力在可控范围内，避免应力集中产生裂纹。特别是对于低温压力容器和承受疲劳载荷的压力容器，需要注意边缘应力的处理，以免发生应力集中问题。

3.3 基于压力容器棱角度的集中应力降低策略

针对结构不连续的位置，可以通过引入经过形状优化的特殊曲线或是圆弧方式实现过渡，有效降低应力集中问题。可调整过渡型圆弧的圆角半径，将不连续拐角转变为连续状态，降低压力容器棱角位置发生应力集中的概率。第一，在压力容器的接管位置，开孔会使容器筒体局部区域表现出结构不连续现象，引起开孔附近区域应力集中，造成筒体上局部应力集中，严重影响筒体的承载能力。第二，在压力容器制造期间，尽可能提升焊接的连续性。此过程需要加大对焊接操作要点的把控，增加焊接辅助设备、投放垫板等，替代直接对壳体实施焊接的操作工艺，提升焊接作业的平稳度，有效规避压力容器制造期间应力集中问题的发生。第三，针对压力容器制造期间产生的由于机械加工而引起的弧坑、划痕等缺陷问题，要求及时进行修复处理，促使压力容器的表面平整度始终满足设计要求，达到改善压力容器使用性能的效果，防止在相应弧坑、划痕等表面缺陷位置发生应力集中[4]。

3.4 基于压力容器焊接工艺的集中应力降低策略

若是压力容器焊接及焊后热处理期间未严格依照焊接工艺评定要求展开各项操作，则会增加应力集中的发生概率。因此，需要在压力容器制造期间优化焊接工艺，重点强化对焊接质量的控制，有效降低应力集中。在此过程中，可以围绕两种策略完成焊接工艺优化。第一种，改进焊接工艺及其技术方法，采用自动氩弧焊等工艺提升焊接质量，降低应力集中发生概率。在制造压力容器期间，焊接操作中应规避使用点焊方式，因为点焊更易导致焊接位置产生应力集中。将全自动氩弧焊等工艺引入压力容器制造，可有效控制焊接位置应力集中问题。基于此，需要引入更优的焊接工艺、焊接设备，并持续提高焊接技术水平，从而优化改善压力容器制造过程。第二种，在压力容器焊接中，要加大对纵（环）焊缝对口错边量、棱角度、咬边、焊缝余高等数值的把控，合理控制焊接期间的各项性能指标与参数，提升压力容器的生产制造质量和结构性能，并在此基础上，按照设计开展焊后热处理工作，进一步降低焊接应力，有效控制应力集中。

3.5 基于压力容器制造监督检验的集中应力降低策略

在对压力容器制造的监督检验过程中，监检人员需要对压力容器的焊接工艺、焊接试件、外观几何尺寸以及无损检测等多个项目进行监督审查，这对焊缝布置情况、母材表面机械接触损伤情况抽查以及焊接接头的表面质量提出了较高要求。无损检测是压力容器设计与制造中需要完成的重要一环，在控制集中应力产生方面能够发挥积极作用。实践中，通过开展无损检验维护压力容器设计与制造质量，可保证质量水平满足设计要求与相关规范，及时发现存在的质量问题并迅速处理，以减小集中应力[5]。为了降低集中应力，需要在压力容器的设计、制造以及监督检验时引入合适的检测技术，针对不同阶段存在的问题进行及时、全面、精准的定位与分析，并在第一时间进行有效处理，确保压力容器的设计合理性和制造质量达标，从而保障容器结构的稳定性和使用安全性。

在当前的实践中，监检人员需要根据受检单位质量保证体系的实施状况、压力容器焊接结构复杂程度和材料的焊接性，确定射线检测底片审查的数量和部位，审查射线底片质量，评定与本规程及产品标准、设计文件规定的符合性。射线底片审查的数量和部位需要满足相关要求，进一步探查并提前消除压力容器焊缝埋藏缺陷，从而有效避免制造过程中应力集中的产生。

4 结语

在压力容器的设计和制造中，如果发生设计不合理、焊接工艺及水平不足等问题，均有可能使得压力容器局部区域出现结构不连续现象而引发应力集中，降低压力容器的安全性和结构稳定性。实际操作中，需要从优化设计与制造两方面入手，通过合理设计封头结构、减小刚度差与边缘应力、引入经过形状优化的特殊曲线或是圆弧方式实现过渡、优化焊接工艺并强化对焊缝的控制、实施无损检测等策略，有效降低应力集中，保证压力容器在运行过程中的结构强度和安全性能。