張翔兮

（遵義市特種設備檢驗所，遵義 563000）

壓力容器在石油、化工等行業(yè)中應用廣泛。壓力容器應力集中可能導致承壓安全性和使用壽命降低等安全問題，如容器泄漏、爆炸等，威脅相關工作人員、生產現(xiàn)場及其周邊區(qū)域的安全。因此，在壓力容器設計與制造階段，需要盡可能減少應力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

1 壓力容器的主要特點

1.1 專業(yè)性與密封性

從實際用途方面來看，雖然受到行業(yè)與生產需要的影響，壓力容器內實際存儲的物質有所不同，但是普遍屬于易燃易爆、有毒有害、有腐蝕性的壓力介質，所以要求壓力容器具備更強的專業(yè)性和更高的密封性。如果壓力容器的密封性偏低，則會增加內部介質泄漏問題的發(fā)生概率，產生安全隱患，威脅生產、人員、環(huán)境安全。

1.2 安全性

相比于其他常壓介質存放容器，壓力容器內部儲存的物質危險性高，且實際參與的化工、石化等反應過程有一定的危險性，因此在當前設計及制造過程中，人們對于壓力容器的安全性能普遍有著更高要求。如果壓力容器的安全性偏低，則很有可能在生產期間發(fā)生相對嚴重的安全事故。

1.3 結構穩(wěn)定性

受內部存儲物質不同、生產條件不同、技術工藝不同的影響，不同壓力容器的設計和工作壓力不同，對壓力容器結構的穩(wěn)定性要求也不相同[1]。在壓力容器結構設計期間，要切實參考其操作參數(shù)、使用地及其自然條件、介質組分與特性等現(xiàn)實情況，確定設備性能指標，保證結構穩(wěn)定性滿足實際的安全生產需要。

2 壓力容器設計及制造過程中應力集中問題的綜合分析

2.1 應力集中問題分析

在壓力容器形狀發(fā)生急劇變化的位置出現(xiàn)的應力局部增高現(xiàn)象即壓力容器應力集中現(xiàn)象。如果應力過大，則可能引發(fā)壓力容器的疲勞斷裂，或是脆性材料制成零件位置的靜載斷裂[2]。就當前的情況來看，在壓力容器的設計與制造中，設計與制造工序不合理、制造工藝不標準等問題，均有可能使得壓力容器形狀不連續(xù)引發(fā)應力集中，使得壓力容器的安全性和結構穩(wěn)定性明顯下降。產生應力集中后，壓力容器的局部位置可能會發(fā)生性能下降或是出現(xiàn)裂紋等問題，也可能引發(fā)壓力容器的疲勞、應力腐蝕等情況，造成壓力容器設計與制造質量下降。應力集中情況嚴重時，可能出現(xiàn)嚴重的安全問題，如容器泄漏、爆炸等，威脅相關工作人員、生產現(xiàn)場及其周邊區(qū)域的安全。

2.2 應力集中產生的主要原因

從壓力容器結構設計的角度進行分析，導致應力集中產生的關鍵原因之一是結構設計不合理。對于壓力容器來說，容器封頭設計極為關鍵。想要保證壓力容器的密封性達到預期，必須通過強度計算和應力分析科學、合理設計封頭。在當前的壓力容器設計與制造中，更多使用成型的封頭或是回轉殼體的封頭。若是在設計時采用平蓋封頭，則勢必會導致壓力容器的應力分布有所下降，會在工作壓力、工作溫度范圍等方面使得壓力容器的性能指標有所下降，增大應力集中問題的發(fā)生概率。

從壓力容器制造過程的角度進行分析，導致應力集中產生的原因包含兩方面，一是生產制造工藝與結構設計配合程度不理想，二是操作工序失誤或未達到標準。就生產制造方面來看，為了適應多種工業(yè)生產環(huán)境，對壓力容器的操作參數(shù)、使用環(huán)境、介質等的考量將更加復雜，而焊接工藝及焊后熱處理選取會使壓力容器的應力發(fā)生急劇變化。如果未針對這一設計要求搭配使用合適的工藝與技術，嚴格遵守壓力容器焊接工藝評定的要求，并優(yōu)化改善壓力容器的制造工藝，則會導致應力集中的發(fā)生。就操作工序方面來看，在切割與焊接操作工序中更易發(fā)生應力集中。通常情況下，若是未嚴格依照相關要求在壓力容器制造期間實施切割與焊接，那么在對應的切割點與焊接點更易引發(fā)應力集中。如果實際使用的材料具有較大脆性，那么可能導致相應位置的表面生成應力集中裂紋，發(fā)生更嚴重的安全事故。

3 壓力容器設計及制造過程中應力集中的降低措施與要點

3.1 基于壓力容器設計的集中應力降低策略

優(yōu)化壓力容器的設計是防止應力集中問題發(fā)生的重要舉措。結合分析可知，如果在壓力容器設計及制造過程中發(fā)生設計不合理等問題，則可能會使壓力容器形狀隨之發(fā)生變化而引發(fā)應力集中，導致壓力容器的安全性和結構穩(wěn)定性明顯下降。因此，壓力容器設計應當符合《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》（TSG 21—2016）和《壓力容器》（GB 150—2011）等相關安全技術規(guī)范及規(guī)程的基本安全要求。同時，從設計角度來看，在壓力容器中容器封頭屬于重要構件，必須加強對容器封頭的科學、優(yōu)化設計。在當前的壓力容器設計中，需要選定合適的封頭類型，在保障壓力容器滿足工藝參數(shù)和安全性的同時，實現(xiàn)對應力集中問題的有效控制。

現(xiàn)階段，壓力容器設計及生產制造期間，普遍將封頭類型劃分為半球形、蝶形、橢圓形以及平蓋封頭等類型。設計中必須結合壓力容器的運行環(huán)境、使用性能要求以及其他結構設計方案等內容，選定合適的封頭類型，從設計角度降低應力集中現(xiàn)象的發(fā)生概率。一般情況下，在壓力容器的結構設計中更適合引入成型的封頭或是回轉殼體的封頭，盡可能避免投放平蓋封頭[3]。從材料消耗的角度進行分析，在當前的壓力容器設計期間，中低壓的壓力容器多選用橢圓封頭，高壓和超高壓壓力容器多選用球形封頭。在不存在特殊要求的情況下，設計中一般不考慮使用平蓋封頭和矩形的截面封頭，以保證壓力容器的結構穩(wěn)定性和使用安全性。

3.2 基于壓力容器邊緣應力的集中應力降低策略

在當前的壓力容器設計中，它的幾何不連續(xù)、載荷不連續(xù)及溫度不連續(xù)處，由于介質壓力及溫度作用，除產生薄膜應力外，還產生了變形協(xié)調，導致邊緣應力的產生?？梢詮膲毫θ萜鞯倪吘墤θ胧?，通過減小剛度差的方式控制邊緣應力的產生，規(guī)避應力集中，提升壓力容器的結構穩(wěn)定性和使用安全性。第一，在實際的壓力容器設計中，應當盡可能減小兩個連接件之間存在的剛度差，以降低壓力容器邊緣應力大小，利用邊緣應力局部性特點進行局部處理，降低壓力容器自由變形不平衡問題的發(fā)生概率，從而有效控制應力集中問題的發(fā)生。對于邊緣應力，可通過改變容器邊緣結構、邊緣局部補強、筒體縱向焊縫錯開焊接以及焊后熱處理等，局部改變其不連續(xù)性，從而有效降低邊緣應力。第二，從壓力容器的設計工藝方面來看，要有效利用制造材料的自限性，保證其材料塑性，以控制其邊緣應力在可控范圍內，避免應力集中產生裂紋。特別是對于低溫壓力容器和承受疲勞載荷的壓力容器，需要注意邊緣應力的處理，以免發(fā)生應力集中問題。

3.3 基于壓力容器棱角度的集中應力降低策略

針對結構不連續(xù)的位置，可以通過引入經(jīng)過形狀優(yōu)化的特殊曲線或是圓弧方式實現(xiàn)過渡，有效降低應力集中問題?？烧{整過渡型圓弧的圓角半徑，將不連續(xù)拐角轉變?yōu)檫B續(xù)狀態(tài)，降低壓力容器棱角位置發(fā)生應力集中的概率。第一，在壓力容器的接管位置，開孔會使容器筒體局部區(qū)域表現(xiàn)出結構不連續(xù)現(xiàn)象，引起開孔附近區(qū)域應力集中，造成筒體上局部應力集中，嚴重影響筒體的承載能力。第二，在壓力容器制造期間，盡可能提升焊接的連續(xù)性。此過程需要加大對焊接操作要點的把控，增加焊接輔助設備、投放墊板等，替代直接對殼體實施焊接的操作工藝，提升焊接作業(yè)的平穩(wěn)度，有效規(guī)避壓力容器制造期間應力集中問題的發(fā)生。第三，針對壓力容器制造期間產生的由于機械加工而引起的弧坑、劃痕等缺陷問題，要求及時進行修復處理，促使壓力容器的表面平整度始終滿足設計要求，達到改善壓力容器使用性能的效果，防止在相應弧坑、劃痕等表面缺陷位置發(fā)生應力集中[4]。

3.4 基于壓力容器焊接工藝的集中應力降低策略

若是壓力容器焊接及焊后熱處理期間未嚴格依照焊接工藝評定要求展開各項操作，則會增加應力集中的發(fā)生概率。因此，需要在壓力容器制造期間優(yōu)化焊接工藝，重點強化對焊接質量的控制，有效降低應力集中。在此過程中，可以圍繞兩種策略完成焊接工藝優(yōu)化。第一種，改進焊接工藝及其技術方法，采用自動氬弧焊等工藝提升焊接質量，降低應力集中發(fā)生概率。在制造壓力容器期間，焊接操作中應規(guī)避使用點焊方式，因為點焊更易導致焊接位置產生應力集中。將全自動氬弧焊等工藝引入壓力容器制造，可有效控制焊接位置應力集中問題。基于此，需要引入更優(yōu)的焊接工藝、焊接設備，并持續(xù)提高焊接技術水平，從而優(yōu)化改善壓力容器制造過程。第二種，在壓力容器焊接中，要加大對縱（環(huán)）焊縫對口錯邊量、棱角度、咬邊、焊縫余高等數(shù)值的把控，合理控制焊接期間的各項性能指標與參數(shù)，提升壓力容器的生產制造質量和結構性能，并在此基礎上，按照設計開展焊后熱處理工作，進一步降低焊接應力，有效控制應力集中。

3.5 基于壓力容器制造監(jiān)督檢驗的集中應力降低策略

在對壓力容器制造的監(jiān)督檢驗過程中，監(jiān)檢人員需要對壓力容器的焊接工藝、焊接試件、外觀幾何尺寸以及無損檢測等多個項目進行監(jiān)督審查，這對焊縫布置情況、母材表面機械接觸損傷情況抽查以及焊接接頭的表面質量提出了較高要求。無損檢測是壓力容器設計與制造中需要完成的重要一環(huán)，在控制集中應力產生方面能夠發(fā)揮積極作用。實踐中，通過開展無損檢驗維護壓力容器設計與制造質量，可保證質量水平滿足設計要求與相關規(guī)范，及時發(fā)現(xiàn)存在的質量問題并迅速處理，以減小集中應力[5]。為了降低集中應力，需要在壓力容器的設計、制造以及監(jiān)督檢驗時引入合適的檢測技術，針對不同階段存在的問題進行及時、全面、精準的定位與分析，并在第一時間進行有效處理，確保壓力容器的設計合理性和制造質量達標，從而保障容器結構的穩(wěn)定性和使用安全性。

在當前的實踐中，監(jiān)檢人員需要根據(jù)受檢單位質量保證體系的實施狀況、壓力容器焊接結構復雜程度和材料的焊接性，確定射線檢測底片審查的數(shù)量和部位，審查射線底片質量，評定與本規(guī)程及產品標準、設計文件規(guī)定的符合性。射線底片審查的數(shù)量和部位需要滿足相關要求，進一步探查并提前消除壓力容器焊縫埋藏缺陷，從而有效避免制造過程中應力集中的產生。

4 結語

在壓力容器的設計和制造中，如果發(fā)生設計不合理、焊接工藝及水平不足等問題，均有可能使得壓力容器局部區(qū)域出現(xiàn)結構不連續(xù)現(xiàn)象而引發(fā)應力集中，降低壓力容器的安全性和結構穩(wěn)定性。實際操作中，需要從優(yōu)化設計與制造兩方面入手，通過合理設計封頭結構、減小剛度差與邊緣應力、引入經(jīng)過形狀優(yōu)化的特殊曲線或是圓弧方式實現(xiàn)過渡、優(yōu)化焊接工藝并強化對焊縫的控制、實施無損檢測等策略，有效降低應力集中，保證壓力容器在運行過程中的結構強度和安全性能。