摘要：近幾年國(guó)家對(duì)壓力容器加強(qiáng)管理，使其在制造、安裝、修理質(zhì)量上基本得到保證，鍋爐壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全是一項(xiàng)十分重要的安全工作。本文就鍋爐壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述。

關(guān)鍵詞：鍋爐壓力容器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 安全問題 分析

鍋爐壓力容器被廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，密封，承壓及介質(zhì)等原因，極易發(fā)生爆炸，不僅會(huì)破壞日常生活設(shè)備，造成環(huán)境的污染，還會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。為此，開展鍋爐壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全工作有著非常重要的意義。在開展鍋爐壓力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圈圈檢驗(yàn)過程中，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)一定要嚴(yán)格遵循國(guó)家相關(guān)法律規(guī)定，按照有關(guān)檢查程序來開展日常檢驗(yàn)工作，唯有如此，才能夠?qū)㈠仩t壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全工作高質(zhì)量完成，以避免各類事故的發(fā)生。

現(xiàn)代的壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正在逐步擺脫傳統(tǒng)觀念的束縛，體現(xiàn)真正滿足工藝要求的設(shè)計(jì)理念，追求實(shí)效性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的和諧統(tǒng)一。

結(jié)構(gòu)的合理性設(shè)計(jì)：標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)壓力容器的具體結(jié)構(gòu)形式不予限制，因此壓力容器結(jié)構(gòu)所受的制約較少，給設(shè)計(jì)者很大的發(fā)揮空間，有利于設(shè)計(jì)出更加合理的結(jié)構(gòu)。另外，分析設(shè)計(jì)手段的運(yùn)用和驗(yàn)證性試驗(yàn)的實(shí)施為結(jié)構(gòu)的合理性設(shè)計(jì)提供了必要的保障。

結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)：壓力容器的安全性和經(jīng)濟(jì)性的和諧統(tǒng)一一直是設(shè)計(jì)者的追求，應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)就是應(yīng)此要求而出現(xiàn)的。焊接鋼管的使用和特殊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，在很大程度上是考慮了壓力容器結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)的安全系數(shù)設(shè)計(jì)法為了“保險(xiǎn)”起見，往往將安全系數(shù)的取值偏大，使得所設(shè)計(jì)的壓力容器及零件的結(jié)構(gòu)尺寸偏大，不僅浪費(fèi)材料，而且由于各個(gè)零件的壽命和強(qiáng)度難以保證合理的匹配，結(jié)果造成最終產(chǎn)品1+1<2的情況。而可靠性設(shè)計(jì)中將部分參數(shù)作為隨機(jī)變量來處理，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并建立統(tǒng)計(jì)模型，用概率統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算，能夠全部掃描設(shè)計(jì)對(duì)象，所得結(jié)果更符合世界情況。

一、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

1 結(jié)構(gòu)不連續(xù)處平滑過渡。受壓殼體存在幾何形狀突變或其他結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生較高的不連續(xù)應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免。對(duì)于難以避免的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)采用平滑過渡的形式，防止突變。

2 引起應(yīng)力集中或削弱強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)相互錯(cuò)開。在鍋爐壓力容器設(shè)計(jì)中，不可避免地存在一些局部應(yīng)力較高或?qū)Σ考?qiáng)度有所削弱的結(jié)構(gòu)。

3 避免采用剛性過大的焊接結(jié)構(gòu)。剛性大的焊接結(jié)構(gòu)不僅會(huì)使焊接構(gòu)件因施焊時(shí)的膨脹和收縮受到約束而產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，而且使殼體在操作條件波動(dòng)時(shí)的變形受到約束而產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施予以避免。

4 受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。受熱部件的熱膨脹，如果受到外部或自身的限制，在部件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使受熱部件不受外部約束，減小自身約束。

二、對(duì)封頭及法蘭結(jié)構(gòu)的要求

1 對(duì)封頭的要求

（1）橢球形封頭。由于橢球殼體環(huán)向應(yīng)力為壓應(yīng)力，為了使這部分殼體不至于失穩(wěn)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭，規(guī)定其有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的 0.15%，其他橢球形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%。

（2）球形封頭。雖然球形封頭壁厚比直徑與壓力相同的圓筒體減薄一半，但在實(shí)際工作中，為了焊接方便以及降低連接處的邊緣應(yīng)力，半球形封頭常和筒體取相同的厚度。另外，球形封頭成型較橢球形封頭困難，且焊縫較多，故一般較少采用。

（3）碟形封頭。由于碟形封頭的球面部分與過渡區(qū)、過渡區(qū)與直邊段的曲率半徑不同，造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)，會(huì)引起連接處的局部高應(yīng)力，因此規(guī)定碟形封頭球面部分的半徑一般不大于筒體內(nèi)徑，通常取 0.3倍的封頭內(nèi)直徑，而封頭轉(zhuǎn)角內(nèi)半徑應(yīng)不小于簡(jiǎn)體內(nèi)直徑的 10%，且不得小于3倍封頭名義壁厚。

（4）錐形封頭。錐形封頭分為無折邊錐形封頭和帶折邊錐形封頭兩種。對(duì)于錐體大端，當(dāng)錐殼半頂角 a<30。時(shí)，可以來用無折邊結(jié)構(gòu)；當(dāng)a>30。時(shí)，應(yīng)采用帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。大端折邊的過渡段轉(zhuǎn)角半徑應(yīng)不小于封頭大端內(nèi)直徑的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。

（5）平蓋。與其他封頭比較，平板封頭受力情況最差。在相同的受壓條件下，平板蓋比其他形式的封頭厚得多。但是，由于平板封頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，在壓力不高、直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。

（6）凸形封頭的拼接。均多塊扇形板組拼的封頭必須具有中心圓板，中心圓板的直徑應(yīng)不小于封頭直徑的 1/2。

2 對(duì)法蘭的要求

法蘭連接是一種常見的可拆卸結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用中，由于法蘭密封不良而造成泄漏的現(xiàn)象較為常見。要保證法蘭連接的緊密性，必須合理地選擇壓緊面的形狀。最常采用的壓緊面形狀有平面、凹凸面、槽面和梯形槽等。平面形壓緊面用于壓力不高的場(chǎng)合 （p≤2.5MPa），其密封性能較差，仍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，便于進(jìn)行防腐和清洗；凹凸形壓緊面適用于中壓及溫度較高的場(chǎng)合，其密封性能好，墊片易于對(duì)中，壓緊時(shí)能防止墊片被擠出；槽形壓緊面適于易燃、易爆和有毒介質(zhì)的密封，密封性能可靠，但更換墊片較困難；梯形糟壓緊面常與橢圓墊和八角墊配用，這是因?yàn)椴鄣腻F面與墊圈形成線（或窄面）接觸密封，此種結(jié)構(gòu)常在壓力（p>6.4MPa）、溫度（t>350℃）較高時(shí)采用。

3 對(duì)開孔的要求

殼體上的開孔的形狀有圓形、橢圓形或長(zhǎng)圓形等。開孔尺寸應(yīng)符合系列規(guī)定：第一，在圓筒殼體上開孔，當(dāng)內(nèi)徑小于等于1500mm時(shí)，最大孔徑應(yīng)小于等于筒體內(nèi)徑的1/2，且小于等于520mm；內(nèi)徑大于1500mm的圓筒，最大孔徑應(yīng)小于等于筒體內(nèi)徑的1/3，且小于等于l000mm；第二，在凸形封頭或球形容器上開孔，最大孔徑應(yīng)不大于殼體內(nèi)徑的1/2；第三，在錐形封頭上開孔，最大直徑應(yīng)不大于孔中心處錐體內(nèi)直徑的1/3。在橢球形或碟形封頭過渡部分開孔時(shí)，其孔的中心線宜垂直于封頭表面。

三、對(duì)鍋爐壓力容器用鋼材的要求

1 具有良好的力學(xué)性能。首先，制造鍋爐、壓力容器的材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度（主要是指屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度），以防止在承受壓力時(shí)發(fā)生塑性變形甚至斷裂。對(duì)于鍋爐和中、高溫壓力容器，還應(yīng)考慮材料的抗蠕變性能，測(cè)定材料的高溫性能指標(biāo)，即蠕變極限和持久強(qiáng)度。其次，制造鍋爐、壓力容器的材料必須具有良好的塑性，以防止鍋爐、壓力容器在使用過程中因意外超載而導(dǎo)致破壞。第三，制造鍋爐、壓力容器的材料應(yīng)具有較高的韌性，使鍋爐、壓力容器能承受運(yùn)行過程中可能遇到的沖擊載荷的作用。

2具有良好的耐腐蝕性能和抗氧化性能。設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，必須根據(jù)其使用條件，選擇適當(dāng)?shù)哪透g材料。對(duì)于鍋爐和高溫壓力容器，所選用的材料還應(yīng)具有抗氧化性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐玉江.壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題的探析[J].石油化工設(shè)計(jì)，2003（4）.

[2]張春雷.電站鍋爐高溫壓力管道對(duì)接焊縫裂紋分析及處理[J].焊接.2009.

[3]邱燕，劉志超等.電站煤粉鍋爐爐內(nèi)壓力波動(dòng)的非線性特性分析[J].2009.

[4]楊昭.工業(yè)蒸汽鍋爐監(jiān)督檢驗(yàn)中射線檢測(cè)比例探討[J].石油化工設(shè)備.2010.

[5]彭小蘭，李丁等.生物質(zhì)鍋爐的制 造監(jiān)督檢驗(yàn)實(shí)踐[J].節(jié)能與環(huán)保.2010.