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[摘 要]压力容器的破坏，有很大一部分是结构设计不合理引起的，本文的目的在于解决压力容器制造前的结构设计问题，对压力容器进行了应力分析，并结合实例对压力容器壳体及凸底的壁厚进行了强度设计，对开口补强问题进行了阐述，对容器各处焊缝设计应遵循的原则进行了总结，为压力容器焊接结构设计提供了一定的依据。
[关键词]压力容器；结构设计；焊接應力；开口补强
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0051-01
引言
压力容器是典型的焊接结构件，合理的焊接结构设计以及良好的焊接质量，是保证压力容器安全使用的两个重要因素。本文主要从压力容器应力分析、材料选择、壁厚设计、开口补强、焊缝设计等问题讨论其结构设计问题。
1 应力分析
压力容器属于薄壁壳体类零件，其壳体和底部是由二维面积承载件构成，像薄膜一样承受由工作压力所产生的均匀分布的平面载荷。主要受内压静载的压力容器，对于每一个环形单元体，根据力学平衡条件由内压力产生的环向合力与壳体纵向截面上的切向应力相等，列内力和外力的平衡方程可以求得图所示的压力容器壳体每一处的切向应力，根据力学平衡条件，内压产生的轴向合力与壳体横截面上的纵向力相等，列内力和外力的平衡方程可以求得图所示的压力容器壳体每一处的纵向应力。
2 材料的选取
压力容器用钢板材料的选取是结构设计和壁厚计算前要完成的关键工作，材料选取要综合考虑设计压力、设计温度、介质特性、焊接性能等。GB150.2材料选用标准适用于设计温度不低于-253℃，设计压力不低于35MPa的压力容器，在该标准中，压力容器用碳素钢和低合金钢钢板引用了GB713-2008锅炉和压力容器用钢板，其中常用的钢板有Q245R（旧牌号20g）、Q345R（旧牌号16Mng）、Q370R（旧牌号15MnMoNbR）、12CrMoVR（旧牌号12Cr1MoVg）等。
3 壳体所需壁厚及焊缝设计
3.1 壳体所需壁厚计算
将σzu1=ks和Di=Da-2t代入，并考虑到焊缝的重要性和计入厚度附加量后，经变换就得到了圆柱形压力容器壳体（适用于Da/Di≤1.2）所需壁厚的公式：t=DaPe2KSv+Pe+C1+C2式中：Da-壳体外径；Pe-许用最大工作压力（MPa）；K-压力容器的强度特征值；S-安全系数；v-焊缝考虑许用计算应力利用程度的系数；C1-材料厚度负偏差；C2-腐蚀裕量。对于材料为Q245R热轧钢板的圆柱形压力容器，取K=245N/mm2，安全系数S=1.6，材料厚度负偏差C1=0.5mm，腐蚀裕量C2=1mm。
3.2 纵向焊缝及周向焊缝设计
压力容器的纵向焊缝及周向焊缝是重要焊缝，在焊接时除了遵循基本的焊接规范和工艺外，还需注意纵向焊缝及周向焊缝要避免采取角焊缝形式，均应采用对接焊缝形式，为避免应力集中，多个纵向焊缝要错开。常见等厚壳体焊接的坡口形式、周向焊缝及纵向焊缝节点。
4 凸底所需壁厚及其与壳体对接焊缝设计
4.1 门环形凸底所需壁厚计算
对凸底于不带开口的圆柱形压力容器，理论上采用半球形底可以最大程度地利用材料的性能，壳体只承受压力，不受弯曲，但半球形较高，养护不方便，所以目前最常用的是门环形凸底，是由半球和有着圆柱形边缘的过渡曲面组合而成的。由于其曲率半径不均匀，这种底会导致应力变向，在外缘处半球部分的拉应力变为在过渡曲面处的弯曲压应力，这样当壁厚不足时会在该区域形成皱褶，对于门环形无开口凸底，其所要求的过渡曲面壁厚按下式计算：t=DaPeβ4KSv+C1+C2β-门环形凸底计算系数。
4.2 凸底与壳体不等厚截面对接焊缝设计
在设计案例中，压力容器壳体的设计厚度为9mm，带管接头的门环形凸底的设计壁厚为13mm，两者壁厚差别较大，此时除采用对接焊缝外，在焊接结构设计上要采取圆弧或斜坡过渡的焊接接头形式，常见的壳体与凸底不等厚对接接头连接形式，均采取削薄厚壁边缘后再对接的方法，若机加难度较大可以采用堆焊的方法将薄板边缘焊成斜面。
5 容器壁上开口处补强问题
设计压力容器时，为了实现正常的操作和安装维修，在壳体或底部上往往开设各种开口并连接接管，这些开口不仅会削弱容器的整体强度，而且还会造成开口边缘的局部应力集中，加上接管有时还会有局部的外载荷，这些部位的峰值应力和许用应力就会和焊缝处的焊接应力相迭加，因此开口附近往往会成为容器的破坏源，其破坏形式通常是疲劳破坏或脆性裂口，在压力容器中必须考虑开口处补强的问题。通常采用两种补强方法，（a）在接管焊接一个圆环板补强圈来增加容器壁局部厚度，（b）在开口接管处焊接一个补强管，补强材料一般与壳体材料相同。需注意补强材料沿壳体壁厚要对称分布，补强材料与壳体或接管在外形上圆滑过渡，使其不再引起额外的应力集中。
6 焊接结构设计原则
焊接应力产生的局部塑性变形会使器壁沿着焊缝发生弯曲、扭曲或挠曲，在内压作用下又会发生附加弯曲应力，造成应力集中，这是压力容器的安全隐患，合理的焊接结构可以最大程度地减少焊接应力的危害。在保证焊接质量的前提下，接头的设计应遵循以下基本原则：（1）焊缝填充金属应尽量少；（2）合理选择坡口角度、钝边高、根部间隙等结构尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，减少焊接缺陷产生的可能；（3）有利于减少焊接工作量，且方便操作；（4）按等强度要求，焊条或焊丝强度应不低于母材强度；（5）焊缝应尽量连续、光滑，减少应力集中。
结束语
压力容器焊接结构设计是否合理直接关系到其强度和安全性，应该在对其进行应力分析的基础上对其进行材料选择，计算其各处设计厚度，对开口处考虑补强，在焊缝设计上尽力避免焊接应力的危害。在合理地设计焊接结构的基础上，为了消除焊接残余应力及防止各种焊接缺陷，可以在焊前、焊后和焊接过程中采取各方面的措施，如焊前预热、焊后缓冷、焊后热处理及选择适宜的焊接规范等措施，改善焊接质量。
参考文献
[1] 宋以国.多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析[D].哈尔滨工程大学，2013.
[2] 王艳飞，巩建鸣，蒋文春.焊缝层数对特厚度管板焊接残余应力与变形影响的有限元分析[J].上海交通大学学报，2013，11：1675-1679.
[3] 王宏伟，付玮，杨波，杨新华.不同焊缝形貌电子束焊接接头疲劳寿命的数值分析和比较[J].固体力学学报，2013，S1：43-48.
[关键词]压力容器；结构设计；焊接應力；开口补强
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0051-01
引言
压力容器是典型的焊接结构件，合理的焊接结构设计以及良好的焊接质量，是保证压力容器安全使用的两个重要因素。本文主要从压力容器应力分析、材料选择、壁厚设计、开口补强、焊缝设计等问题讨论其结构设计问题。
1 应力分析
压力容器属于薄壁壳体类零件，其壳体和底部是由二维面积承载件构成，像薄膜一样承受由工作压力所产生的均匀分布的平面载荷。主要受内压静载的压力容器，对于每一个环形单元体，根据力学平衡条件由内压力产生的环向合力与壳体纵向截面上的切向应力相等，列内力和外力的平衡方程可以求得图所示的压力容器壳体每一处的切向应力，根据力学平衡条件，内压产生的轴向合力与壳体横截面上的纵向力相等，列内力和外力的平衡方程可以求得图所示的压力容器壳体每一处的纵向应力。
2 材料的选取
压力容器用钢板材料的选取是结构设计和壁厚计算前要完成的关键工作，材料选取要综合考虑设计压力、设计温度、介质特性、焊接性能等。GB150.2材料选用标准适用于设计温度不低于-253℃，设计压力不低于35MPa的压力容器，在该标准中，压力容器用碳素钢和低合金钢钢板引用了GB713-2008锅炉和压力容器用钢板，其中常用的钢板有Q245R（旧牌号20g）、Q345R（旧牌号16Mng）、Q370R（旧牌号15MnMoNbR）、12CrMoVR（旧牌号12Cr1MoVg）等。
3 壳体所需壁厚及焊缝设计
3.1 壳体所需壁厚计算
将σzu1=ks和Di=Da-2t代入，并考虑到焊缝的重要性和计入厚度附加量后，经变换就得到了圆柱形压力容器壳体（适用于Da/Di≤1.2）所需壁厚的公式：t=DaPe2KSv+Pe+C1+C2式中：Da-壳体外径；Pe-许用最大工作压力（MPa）；K-压力容器的强度特征值；S-安全系数；v-焊缝考虑许用计算应力利用程度的系数；C1-材料厚度负偏差；C2-腐蚀裕量。对于材料为Q245R热轧钢板的圆柱形压力容器，取K=245N/mm2，安全系数S=1.6，材料厚度负偏差C1=0.5mm，腐蚀裕量C2=1mm。
3.2 纵向焊缝及周向焊缝设计
压力容器的纵向焊缝及周向焊缝是重要焊缝，在焊接时除了遵循基本的焊接规范和工艺外，还需注意纵向焊缝及周向焊缝要避免采取角焊缝形式，均应采用对接焊缝形式，为避免应力集中，多个纵向焊缝要错开。常见等厚壳体焊接的坡口形式、周向焊缝及纵向焊缝节点。
4 凸底所需壁厚及其与壳体对接焊缝设计
4.1 门环形凸底所需壁厚计算
对凸底于不带开口的圆柱形压力容器，理论上采用半球形底可以最大程度地利用材料的性能，壳体只承受压力，不受弯曲，但半球形较高，养护不方便，所以目前最常用的是门环形凸底，是由半球和有着圆柱形边缘的过渡曲面组合而成的。由于其曲率半径不均匀，这种底会导致应力变向，在外缘处半球部分的拉应力变为在过渡曲面处的弯曲压应力，这样当壁厚不足时会在该区域形成皱褶，对于门环形无开口凸底，其所要求的过渡曲面壁厚按下式计算：t=DaPeβ4KSv+C1+C2β-门环形凸底计算系数。
4.2 凸底与壳体不等厚截面对接焊缝设计
在设计案例中，压力容器壳体的设计厚度为9mm，带管接头的门环形凸底的设计壁厚为13mm，两者壁厚差别较大，此时除采用对接焊缝外，在焊接结构设计上要采取圆弧或斜坡过渡的焊接接头形式，常见的壳体与凸底不等厚对接接头连接形式，均采取削薄厚壁边缘后再对接的方法，若机加难度较大可以采用堆焊的方法将薄板边缘焊成斜面。
5 容器壁上开口处补强问题
设计压力容器时，为了实现正常的操作和安装维修，在壳体或底部上往往开设各种开口并连接接管，这些开口不仅会削弱容器的整体强度，而且还会造成开口边缘的局部应力集中，加上接管有时还会有局部的外载荷，这些部位的峰值应力和许用应力就会和焊缝处的焊接应力相迭加，因此开口附近往往会成为容器的破坏源，其破坏形式通常是疲劳破坏或脆性裂口，在压力容器中必须考虑开口处补强的问题。通常采用两种补强方法，（a）在接管焊接一个圆环板补强圈来增加容器壁局部厚度，（b）在开口接管处焊接一个补强管，补强材料一般与壳体材料相同。需注意补强材料沿壳体壁厚要对称分布，补强材料与壳体或接管在外形上圆滑过渡，使其不再引起额外的应力集中。
6 焊接结构设计原则
焊接应力产生的局部塑性变形会使器壁沿着焊缝发生弯曲、扭曲或挠曲，在内压作用下又会发生附加弯曲应力，造成应力集中，这是压力容器的安全隐患，合理的焊接结构可以最大程度地减少焊接应力的危害。在保证焊接质量的前提下，接头的设计应遵循以下基本原则：（1）焊缝填充金属应尽量少；（2）合理选择坡口角度、钝边高、根部间隙等结构尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，减少焊接缺陷产生的可能；（3）有利于减少焊接工作量，且方便操作；（4）按等强度要求，焊条或焊丝强度应不低于母材强度；（5）焊缝应尽量连续、光滑，减少应力集中。
结束语
压力容器焊接结构设计是否合理直接关系到其强度和安全性，应该在对其进行应力分析的基础上对其进行材料选择，计算其各处设计厚度，对开口处考虑补强，在焊缝设计上尽力避免焊接应力的危害。在合理地设计焊接结构的基础上，为了消除焊接残余应力及防止各种焊接缺陷，可以在焊前、焊后和焊接过程中采取各方面的措施，如焊前预热、焊后缓冷、焊后热处理及选择适宜的焊接规范等措施，改善焊接质量。
参考文献
[1] 宋以国.多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析[D].哈尔滨工程大学，2013.
[2] 王艳飞，巩建鸣，蒋文春.焊缝层数对特厚度管板焊接残余应力与变形影响的有限元分析[J].上海交通大学学报，2013，11：1675-1679.
[3] 王宏伟，付玮，杨波，杨新华.不同焊缝形貌电子束焊接接头疲劳寿命的数值分析和比较[J].固体力学学报，2013，S1：43-48.