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摘要：本文主要针对压力容器结构设计展开分析，思考了压力容器结构设计的基本的理念和重点的要求，总结了一些关键性的要点和措施，希望能够为今后的压力容器结构设计工作带来参考。
关键词：压力容器；结构设计；要求
1、研究压力容器安全问题的重要意义
压力容器的用途十分广泛，它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。我国现有在用压力容器大多数是在高温、高压、低温、疲劳及腐蚀性介质等苛刻工况下运行。安全使用寿命长的可达20年以上，短的只有几年甚至几个月。在用压力容器往往存在着各种焊接缺陷、结构缺陷、材料缺陷、使用时产生的裂纹、腐蚀、磨损等，再加上长期超期服役造成的材料损伤，潜在危害性极大。一旦发生事故将会对人民生命财产安全造成极大的危害，因而世界各国对压力容器的安全问题都相当重视。
2、压力容器设计时的相关要求
2.1对封头及法兰结构的要求
2.1.1对封头的要求
（1）椭球形封头。由于椭球壳体环向应力为压应力，为了使这部分壳体不至于失稳，对于标准椭球形封头，规定其有效厚度应不小于封头内直径的0.15%，其他椭球形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.30%。但在确定厚度时，考虑了内压作用下的弹性失稳问题，不受限制
（2）（2）球形封头。理论上球形封头的壁厚为圆筒形的一半即可，但在实际工作中，如果采用球形封头，其成型较为困难，而且在焊接过程中会有较多的焊缝产生，所以在实际压力容器设计中应用的较少。
（3）碟形封头。由于碟形封头的球面部分与过渡区、过渡区与直边段的曲率半径不同，造成结构不连续，会引起连接处的局部高应力，因此规定碟形封头球面部分的半径一般不大于筒体内径，通常取0.9倍的封头内直径，而封头转角内半径应不小于简体内直径的10%，且不得小于3倍封头名义壁厚。
（4）锥形封头。锥形封头分为无折边锥形封头和带折边锥形封头两种。对于锥体大端，当锥壳半顶角a<30°时，可以来用无折边结构；当a>30°时，应采用带过渡段的折边结构。大端折边的过渡段转角半径应不小于封头大端内直径的10%，且不小于该过渡段厚度的3倍。
（5）平盖。平盖封头具有较差的受力情况，所以在设计时，受压条件相同下，利用平盖封头则需要壁厚增加不少，但由于平盖封头结构及制作上都较为简单，所以通常都会在压力不高，而直径也不大的容器中进行使用。同时在高压容器中，由于利用凸型封头制作难度较大，所以采用平板封头的情况较多。
（6）凸形封头的拼接。均多块扇形板组拼的封头必须具有中心圆板，中心圆板的直径应不小于封头直径的1/2。
2.1.2对法兰的要求
压力容器中由于泄漏而导致事故发生的情况较多，而法兰如果密封不好，则极易导致泄漏的发生。由于法兰是一种可拆卸的结构，所以在确保其连接处的紧密性，则需要对压紧面形式的合理性进行选择。通常较为常用的压紧面有平面、凹凸面、槽面和梯形槽等。由于平面型压紧面密封性较差，结构简单，所以在压力不高的容器中会采用，对于清洗和防腐都具有较大的便利。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而在中压及温度较高的地方则会采用凹凸形压紧面，由于此种压紧面垫片适中，具有良好的密封性，而且在压紧后垫后也不易被挤出；而利用槽形压紧面是，往往是应用于用于易燃、易爆和有毒介质的密封容器，虽然其密封性能非常好，但却有一个弊端，想进行垫片的更换具有较大的难度。利用梯形糟压紧面时，通常会需要与椭圆垫和八角垫相互配套使用，这种压紧面使用时通常都是在结构压力和温度都呈现较高的时候才会采用。
2.2对压力容器用钢材的要求
2.2.1具有良好的力学性能
第一，制造、压力容器的材料应具有适当的强度（主要是指屈服强度和抗拉强度），以防止在承受压力时发生塑性变形甚至断裂。对于和中、高温压力容器，还应考虑材料的抗蠕变性能，测定材料的高温性能指标，即蠕变极限和持久强度。
第二，制造、压力容器的材料必须具有良好的塑性，以防止、压力容器在使用过程中因意外超载而导致破坏。
第三，制造、压力容器的材料应具有较高的韧性，使、压力容器能承受运行过程中可能遇到的冲击载荷的作用。特别是操作温度或环境温度较低的压力容器，更应考虑材料的冲击韧性值。
2.2.2具有良好的工艺性能。由于、压力容器的承压部件，大都是用钢板滚卷或冲压成形的，所以要求材料有良好的冷塑性变形能力，在加工时容易成形且不会产生裂纹等缺陷。制造、压力容器的材料应具有较好的可焊性，以保证材料在规定的焊接工艺条件下获得质量优良的焊接接头。材料具有适宜的热处理性能，容易消除加工过程中产生的残余应力，而且对焊后热处理裂纹不敏感。
2.2.3具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能。设计压力容器时，必须根据其使用条件，选择适当的耐腐蚀材料。对于和高温压力容器，所选用的材料还应具有抗氧化性能。
2.3对焊接的要求
压力容器结构需要焊接的地方较多，但在焊接过程中必会存在着一定的应力，所以需要对焊接应力尽可能的进行消除，从而避免发生焊接缺陷。焊接应力及焊接变形不可能完全消除，而且在处理过程中如果采用的措施不科学，则还会导致新问题的发生，所以在焊接过程中需要从焊接材料、方法和工艺等多方面采取必要的措施，在结构设计时，尽量应用最合理的焊接结构，从而确保焊接的质量。
3、压力容器开孔补强结构设计
开孔补强的结构设计在压力容器的生产和使用过程中起到至关重要的作用，他保障了压力容器的使用安全和使用寿命的延长。
3.1补强圈补强
补强圈补强是在容器的壁上另外焊接一块补强板来增加开孔处的承载面积，由于承受应力的金属面积增大了，所以开孔边缘处的应力峰值降低。补强圈的位置对最大应力值有较大的影响，实践已证明，在补强的有效范围内补以同样截面尺寸的金属材料，采用不同的位置时，对应力集中系数则有显著的影响。补强材料均匀地布置在容器的内、外两侧，不会引起材料的不对称，从而避免产生附加弯矩和相应的弯曲应力。近年来大量的实际使用情况表明补强圈与器壁连接处的搭接焊缝，不仅因此处容器形状发生突变，造成较高的局部应力，还由于焊接过程中容器壁对焊缝金属具有很大的约束作用，妨碍其冷却收缩，从而容易在焊根处出现焊接裂纹。特别是高强度钢淬硬性大，对焊接裂纹比较敏感，更容易开裂。因此，必须采用预热及焊后热处理等措施，防止此焊接裂纹的发生。
3.2整体补强
整体补强则不受上述条件的限制，具有结构简单、焊缝质量容易检验、补强效果好、适用范围广、制造加工方便等优点，因此具有广泛的使用前景。若条件许可，推荐以厚壁管代替补强圈进行补强。整体补强包括增加壳体厚度、或用全焊透结构型式将厚壁管或整体补强锻件与壳体相焊。整体补强一般采用厚壁管形式，厚壁管的材料应根据设备的操作条件和介质特性来选取，一般应选择与壳体材料相同类别和强度等级的材料。选择接管强度等级比壳体材料等级高的材料，对补强效果没有什么影响。若选择接管强度等级小于壳体材料强度等级的材料，则补强面积需按壳体材料与补强材料许用应力之比增加。
4、结束语
综上所述，在压力容器结构设计的过程中，一定要积极采取更好的设计方案，本文总结了压力容器结构设计的方法和设计的对策，可以为今后的设计工作提供借鉴。
参考文献：
[1]秦叔经.压力容器标准和规范中分析设计方法的进展[J].化工设备与管道，2016，01：1-8
[2]师聪.低温压力容器设计方法探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2017，01：226+184
论文作者:郭学双
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/12
标签：压力容器论文; 封头论文; 材料论文; 补强论文; 应力论文; 壳体论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第6期论文;