江苏省特种设备安全监督检验研究院 江苏南京 210036
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。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。
关键词：压力容器；焊接；结构设计
1 压力容器生产现状
压力容器在我国很多领域中都有应用，压力容器也属于一种通用较为广泛的产品。压力容器在应用的领域中，大多数都在冶金工业、机械行业以及安全防护等行业；而且，压力容器在日常生产生活中是不可缺少的设备，这也意味着在我国制造业方面压力容器制造亦是重要的领域之一。而压力容器主要由座架、开口、接通器、封头以及密封设备等元件组成。除此之外，在压力容器中还设有安全系统设备、生产工艺以及仪表等功能；压力容器所受的压力较大，密封的原因以及易燃问题，都是比较容易引起爆炸事件以及火灾事件，这些问题都会给企业或工作人员带来损失以及危险。当前局势下，我国已经压力容器定为较为规范的设备，并且在生产过程中，都是需要经过严格检查。而在检测中，都是由国家专业机构进行检查，根据焊接的检测方法，来确定压力容器的安全，而焊接的方法主要根据焊材的直径、焊接的电流及速度等方法来测试。
2 压力容器焊接三类结构
通常来说，压力容器的结构分为三种，球形、锥形以及圆柱形，压力容器组件的组成有四种：端盖、封头、筒体以及接管。压力容器中封头的形状包括椭圆形、球形以及蝶形这三种。而压力容器的结构是多种多样的，以下表 1（承受压力分级表）与表 2（使用过程作用分类表）的检测数据以及分析数据。
3 压力容器焊接结构的焊接方法
手工电弧焊、埋弧焊以及氩弧焊接这三种焊接方式是常见的压力容器焊接方法。以下是对这三种焊接方式的具体分析。
第一种，手工电弧焊。手工电弧焊的焊接方式也被称为焊条电弧焊，也是一种母材与焊缝金属融化而形成的焊接方法。这种焊接方法简单，所需要的设备少，因此焊接的成本很低，用电没有过多的需求，直流或者交流电都可以采用。简单来说，手工电弧焊的焊接方法简单，焊接工作地点要求不高，因此可以适应各种地方的焊接。焊条质量与人工焊接的技术对焊接质量有决定性关系，钢材焊接范围广泛；
第二种，埋弧焊。埋弧焊与手工电弧焊相比，有很多不同的地方，其主要是在焊接机的保护下进行燃烧焊接。在造船，压力容器，重型机械、军工等制造业中应用的非常广泛，它是现在应用最广泛的焊接方法；
第三种，氩弧焊接。氩弧焊接是在传统电弧焊接的基础上，在惰性气体氩气的保护下，采用的焊接材料和燃烧反应的焊接方法，具有焊缝成型美观、焊接质量高的优点。
4 压力容器的焊接结构设计
（1）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 ：
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 ：
= 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 ，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 ：
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。
（2） 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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
（6） 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。
5 压力容器的焊接结构设计中应当注意问题
5.1 尽量地错开焊缝
在焊接工作中，一般都是尽量的避免焊缝交叉。通过调查分析得知，在压力容器焊接作业的安全事故中，一般都是出现裂痕的现象，而这种现象一般都是因为疲劳操作，主要原因在于焊接结构设计的过程中，其他焊缝热影响区对角焊缝、焊缝交叉造成了一定的影响，进而导致出现了微裂纹或者是一些其他的焊缝缺陷。
5.2 重要的接头不能采用角焊缝
在焊接技术中，结构的偏差以及焊接不对称的时间较为常见；除此之外，在焊接时往往会出现焊穿的情况，以此会将焊接缝隙变得更大。有时，焊接的热输入会影响材料的性能，从而会导致压力容器在压力过大的情况材料结构发生损坏。根据分析的数据得知，在设备寿命方面的问题，角焊缝与接焊缝相比也是相差甚远。所以，在压力容器焊接结构的选择上，应该尽量采取对接的方法，而在焊接作业时，尽可能的避免焊接缝隙过大，焊缝两侧材料厚度差异悬殊等影响焊缝质量的因素存在。
6 结束语
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。
参考文献：
[1]孙霄飞.压力容器的焊接结构设计[J].化工中间体，2015(11).
[2]王安.压力容器焊接结构与工艺 CAD 设计方法 [J]. 化工管理，2014(15).
论文作者:江乃波
论文发表刊物:《防护工程》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/30
标签：压力容器论文; 壳体论文; 应力论文; 都是论文; 电弧论文; 结构设计论文; 材料论文; 《防护工程》2017年第27期论文;