周国风
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摘要：本文通过分析压力容器的应用特点，对其设计制造发展现状进行了探讨。在此基础上，通过分析压力容器制造过程中的应力集中问题，对其影响因素进行了总结。同时，简要说明降低应力集中的几项措施，以保证或延长了压力容器的使用寿命，从而节约了生产成本。
对压力容器制造过程中降低应力集中的方法进行了研究。
关键词：压力容器设计；制造过程；应力集中
引 言
压力容器被广泛地应用在工业制药中，压力容器在生产使用的安全性取决于压力容器的结构设计。压力容器设计计算大多建立在强度理论基础上，采用弹性失效和稳定性失效准则，应用薄壳理论和平板理论来求解结果。通过对压力容器的应力分析，我们可以得到一些启示，即压力容器的某些结构规定和制造要求，都是基于改善其应力分布，降低应力集中而达到提高其承压的安全性和使用寿命的目的。
1 压力容器设计与制造的发展现状
在现代生产活动中，压力容器的设计与制造越来越受到人们的关注。为了推动压力容器的设计发展，本文通过分析压力容器的应用特点，对其设计制造发展现状进行了研究。
1.1 压力容器的应用特点
压力容器目前被广泛应用于化学工业、石油工业等多个领域中，并在其中发挥出了重要的作用。在实际应用中，压力容器能够承受比较大的压力，从而为各类危险品提供一个安全的存放环境。我国作为工业大国之一，石油行业的发展一直是我国关注的重点。压力容器凭借着自身的特点，在其中发挥的作用越来越关键。根据我国压力容器的应用现状，本文对压力容器的应用特点进行了总结：
首先，压力容器有极高的安全性需求。在实际应用压力容器的过程中，需要压力容器储藏大量的高度危害性物质，例如易燃易爆气体等。如果压力容器的安全性不足，很容易导致安全事故的发展，进而影响到压力容器的广泛应用。其次，压力容器对专业性的要求很高。压力容器一般被用于存储特殊物质，其中大量的物质具有腐蚀性等特点。不同的储存物质对压力容器的性能特点要求各不相同。因此，压力容器的专业性要求很高。此外，压力容器需要多种不同的结构。为了充分满足不同物质的存储需求，压力容器需要设计出多种不同的结构，以实现在不同环境下对不同物质的良好存储，因此提高了压力容器的设计难度。
1.2 压力容器的设计制造发展现状分析
为了满足压力容器的未来发展和应用，压力容器的设计制造一直是人们关注的重点研究课题。我国对压力容器设计制造的发展也一直十分重视，并逐步建立了比较成熟的压力容器设计制造体系。
目前，压力容器制造工艺已经比较成熟。现有的压力容器制造工艺主要包括原材料验收、切割、焊接、无损检测、后期处理等。经过一系列的工艺处理，才能够保证制造出的压力容器能够充分满足人们的需求。在压力容器制造的过程中，其结构设计受到人们的重点关注。压力容器的结构决定了其工作性能特点与能够承受的压力。如果压力容器的结构设计不当，很容易发生制造质量不达标，无法满足压力容器安全使用的需求等。
2 压力容器制造过程中的应力集中
压力容器的设计制造对其应用有着重要的影响。由于现代技术等方面的限制，现有的压力容器在制造的过程中存在着应力集中的问题。本文通过分析相关资料，对压力容器制造的应力集中问题进行了研究，并对其中的影响因素进行了探讨。
2.1 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。
2.2 压力容器制造应力集中问题的影响因素分析
为了解决压力容器制造中的应力集中问题，本文通过分析相关资料，对其影响因素进行了总结：
（1）压力容器的结构设计存在缺陷。压力容器在设计的过程中，需要对其封头等结构进行设计，以保证压力容器的密封性等。由于部分设计方案的不合理，采用的平盖封头等设计方案很容易出现缺口等，从而导致应力集中现象的发生。
（2）压力容器的制造工艺不完善。由于特殊情况下的应用需求，部分压力容器需要制造棱角结构。此类结构如果处理不完善，很容易导致应力集中现象的发生。而目前广泛采用的工艺处理手段无法充分满足压力容器棱角的制造，也是重要的影响因素之一。
3 设计、制造过程中降低压力容器应力集中的措施
对于压力容器而言，安全性是核心问题，以此为基础再保障其经济性。压力容器应该具备在较大荷载情况有效应对变形与破坏的能力，这也正是压力容器设计制造的核心与关键所在。降低压力容器设计制造中的应力集中问题进而确保其承压安全，本文从下述几个方面加以说明：
3.1 设计过程中降低压力容器应力集中的措施
压力容器的结构设计要求均应有足够的韧性，需要充分考虑以下问题：结构应尽量简单，减少约束；避免产生过大的温度梯度；应尽量避免结构形状的突然变化，以减小局部高应力；接管端部磨成圆角，呈圆滑过渡；容器支撑需设置垫板，不能直接焊在壳体上。以下为实际设计工作中常采用的几种措施。
3.1.1 从减小边缘应力出发，要尽量减小两连接件的刚度差
边缘应力是由于压力容器的几何形状的突变，结构的不连续，而引起弹性变形的不连续，当边缘两侧壳体的弹性变形相互约束必然产生边缘力和边缘弯矩，从而产生边缘应力。因而，在均匀载荷作用下，尽量减小两连续件的刚度差（元件的刚度和该元件的材料性能、曲率半径、器壁厚度三者相关），则就能减小两连接件上的不连续应力。由于边缘应力具有局部性，压力容器的设计和制造中只作局部处理，改善边缘的结构，边缘区域局部加强；保证边缘焊缝质量；避免边缘区域附加局部载荷或应力集中。例如，直径和材料都相同的两圆筒相连，如两者的壁厚不同，必会由于在同一内压作用下自由变形的不协调而在两圆筒的一定范围内引起较大的边缘应力。为减小边缘应力，宜将较厚的圆筒在一定范围内做成削薄过渡，如图1所示。对厚件采用削薄过渡的措施还可以改善焊接条件从而提高焊接质量。又如，平封头和圆筒的选择，如采用图2（a）所示的结构，则不仅两连接之间在连接处的刚度差比较大而引起较大的边级应力，而且角焊缝的存在也影响焊接质量，所以我国现行标准就规定取图2（b）的结构，即在平盖上开一圆槽，这样不仅减小了两连接件在连接处的刚度差，改善了应力分布，而且将角焊缝改成了对接焊缝，改善了焊接条件而提高了焊接质量。
3.1.2 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。
3.2 制造过程中降低压力容器应力集中的措施
前者分析了应力集中产生原因及其危害，从设计角度提出了几点降低应力集中措施，下面是压力容器制造方面降低应力集的几点措施”：容器焊接完成并检验合格后进行消除应力热处理，以便消除在组装及焊接过程中产生的应力集中；焊接过程中严格控制焊接线能量，通过以小电流多道焊来实现；不许强力组装与成型，不得在设备上刻打钢印及材料标记；焊接区域内，包括对接接头表面不得有裂纹、气孔和咬边等缺陷，不应有急剧的形状变化，呈圆滑过渡；壳体上开接管孔及打坡口时尽量使用开孔机，保证坡口表面光洁度，以便在焊接过程中焊接接头受热均匀减少焊接过程中应力集中；对材料表面作喷丸、辊压、氧化等处理，以提高材料表面的疲劳强度。
结束语
压力容器的设计制造对其应用有着重要的影响。为了推动压力容器的应用发展，本文通过分析压力容器的设计制造现状，对其中的应力集中问题进行了研究。在此基础上，本文结合压力容器制造中应力集中问题的影响因素，对其结构设计要点与制造工艺改进方法进行了探讨。这些研究对压力容器的设计制造与应用有很好的帮助。
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