摘要：通過分析壓力容器的應力可以使人們對壓力容器結構特點、制造工藝等方面要求進行更好的掌握，進而對應力分布方面的狀態進行調整和改善，為壓力容器承載安全性奠定堅實基礎，增加其使用年限。本文對降低壓力容器設計制造應力集中的措施進行分析，希望為壓力容器設計制作工作的開展提供一定參考，對壓力容器安全性及可靠性進行提升，為化工石油等領域工作的開展奠定堅實基礎。

　　關鍵詞：降低;壓力容器;設計制造;應力集中

　　1壓力容器設計與制造的發展現狀

　　1.1設計師由于多種因素而缺乏靈活性

　　作為壓力容器設計和制造的主要執行者，設計和制造人員的專業水平會在一定程度上影響壓力容器設計的質量。但是，由于許多因素，設計人員通常在設計過程中無法大展身手，這也影響了壓力容器設計和制造活動的順利進行。例如：在成本控制的影響下，壓力容器的建造水平無法得到有效提高，因為設計人員只能在有限的成本范圍內選擇合適的建筑材料，此外，國家頒布了許多有關壓力容器設計和制造的法律法規，為設計人員提供了更多的外部約束，導致設計人員在設計時使用的靈活性降低，所以就缺乏了靈活性，無法變通。

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　　1.2壓力容器材料選擇的問題

　　壓力容器的材料選擇非常重要，要根據壓力容器的用途，選擇不同性質的材料。材料對于壓力容器來說非常關鍵，不同的材料種類可以決定壓力容器的使用方向，也可以控制壓力容器的實際使用效果。所以必須選擇高質量的壓力容器材料，如果壓力容器材料的質量不符合相關標準，壓力容器的性能也會大大降低。選用好的材料也能夠在一定程度上解決壓力容器被腐蝕的問題，進一步優化壓力容器的使用效果。

　　1.3熱處理問題

　　熱處理問題主要表現在兩個方面：首先，沒有嚴格的標準。如果不嚴格制定壓力容器熱處理的設計標準，則熱處理過程太粗糙，會隱藏更多的隱患，并對后續生產工作產生不利影響。另外，在實際的設計過程中，必須保證熱處理的完整性，這是達到理想設計和生產狀態的唯一方法。如果無法保證這兩點，那么就會大幅度降低壓力容器的安全性和可靠性。

　　2設計、制造過程中降低壓力容器應力集中的措施

　　降低壓力容器設計制造中的應力集中問題進而確保其承壓安全，本文從下述幾個方面加以說明：

　　2.1設計過程中降低壓力容器應力集中的措施

　　壓力容器的結構設計要求均應有足夠的韌性，需要充分考慮以下問題：結構應盡量簡單，減少約束;避免產生過大的溫度梯度;應盡量避免結構形狀的突然變化，以減小局部高應力;接管端部磨成圓角，呈圓滑過渡;容器支撐需設置墊板，不能直接焊在殼體上。以下為實際設計工作中常采用的幾種措施。

　　2.1.1從減小邊緣應力出發，要盡量減小兩連接件的剛度差

　　邊緣應力是由于壓力容器的幾何形狀的突變，結構的不連續，而引起彈性變形的不連續，當邊緣兩側殼體的彈性變形相互約束必然產生邊緣力和邊緣彎矩，從而產生邊緣應力。因而，在均勻載荷作用下，盡量減小兩連續件的剛度差(元件的剛度和該元件的材料性能、曲率半徑、器壁厚度三者相關)，則就能減小兩連接件上的不連續應力。由于邊緣應力具有局部性，壓力容器的設計和制造中只作局部處理，改善邊緣的結構，邊緣區域局部加強;保證邊緣焊縫質量;避免邊緣區域附加局部載荷或應力集中。

　　例如，直徑和材料都相同的兩圓筒相連，如兩者的壁厚不同，必會由于在同一內壓作用下自由變形的不協調而在兩圓筒的一定范圍內引起較大的邊緣應力。為減小邊緣應力，宜將較厚的圓筒在一定范圍內做成削薄過渡，如圖1所示。對厚件采用削薄過渡的措施還可以改善焊接條件從而提高焊接質量。又如，平封頭和圓筒的選擇，如采用圖2(a)所示的結構，則不僅兩連接之間在連接處的剛度差比較大而引起較大的邊級應力，而且角焊縫的存在也影響焊接質量，所以我國現行標準就規定取圖2(b)的結構，即在平蓋上開一圓槽，這樣不僅減小了兩連接件在連接處的剛度差，改善了應力分布，而且將角焊縫改成了對接焊縫，改善了焊接條件而提高了焊接質量。

　　2.1.2倒圓、倒角設計

　　通過有元計算和應力實測可以發現，如果在物體有小空洞、缺口等情況，在受到外力的作用后，其附近的應力將會遠大于其它部位的數值。人們將這種應力集中增大的情況稱作應力集中。在壓力容器中，要想使應力集中能夠得到降低，在進行壓力容器結構的設計時，應當采取有效措施，使不同類型的圓弧圓角半徑得到合理的擴大，在尖銳的拐角處，可以進行倒圓或倒角設計，這一系列措施可以避免壓力容器在應用過程中，因為多次承受外力作用而發生應力集中。

　　例如，在壓力容器接管處采取倒圓的方式進行設計，依據統計顯示，這種設計方案可以降低應力集中30%。如果壓力容器介質為易燃易爆物品，或者為承受交變荷載以及低溫容器，在設計過程中，都應當采取合理的措施，盡量降低局部結構因為斷裂，而導致的峰值應力，避免壓力容器在應用過程中出現疲勞損壞或脆性損壞，針對以上類型的壓力容器在焊縫余高方面的限制要比普通的容器更加嚴格，依據相關的設計規定，應當對接管端部進行打磨，使其成為圓角。在制造過程中，不應當使點焊或斷開的連接呈裂縫，同時應當在支座處設置墊板，焊接過程中禁止直接焊接殼體，禁止敲打或刻畫受力元件，避免有缺口效應的劃痕出現。此外，在焊接之后，進行熱處理過程中，可以軟化淬硬區、降低氫含量、使組織形態發生改變，從而使壓力容器的力學性能得到改善。

　　在設計壓力容器過程中，多數情況都需要在硬度理論的基礎上進行，對穩定性屬小和彈性失效準確進行合理應用，在計算上則應對平板和薄膜理論進行合理應用。在分析上，從應力角度入手，通常應當對成型封頭和回轉殼體進行應用，應減少平蓋封頭和矩形容器使用，只有在低壓、常壓或者有工藝存在特殊要求時，才能對平封頭的方式加以應用。如果從應力分布入手，對壓力容器進行分析，封頭預應力由差到好的排列順序如下：平封頭和緊縮口封頭、蝶形封頭、橢圓

　　形封頭、半球型封頭。如果在封頭的設計主要考慮材料等因素，則最佳的封頭方式為橢圓形封頭。

　　2.2制造過程中降低壓力容器應力集中的措施

　　前者分析了應力集中產生原因及其危害，從設計角度提出了幾點降低應力集中措施，下面是壓力容器制造方面降低應力集的幾點措施”：容器焊接完成并檢驗合格后進行消除應力熱處理，以便消除在組裝及焊接過程中產生的應力集中;焊接過程中嚴格控制焊接線能量，通過以小電流多道焊來實現;不許強力組裝與成型，不得在設備上刻打鋼印及材料標記;焊接區域內，包括對接接頭表面不得有裂紋、氣孔和咬邊等缺陷，不應有急劇的形狀變化，呈圓滑過渡;殼體上開接管孔及打坡口時盡量使用開孔機，保證坡口表面光潔度，以便在焊接過程中焊接接頭受熱均勻減少焊接過程中應力集中;對材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處理，以提高材料表面的疲勞強度。

　　結束語

　　當前，在我國社會經濟發展進步過程中，壓力容器已經成為了一項重要的工具。因此，制造企業需要加強對壓力容器制造質量的控制，對于壓力容器在實際的制造過程所存在的不足，要進行有效解決，綜合分析壓力容器的功能和使用需要，不斷提高壓力容器的使用安全性，最終實現壓力容器的有效應用。

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　　作者：王長宏 王然