摘要：压力容器科学合理的结构设计对于安全生产有着深远的意义。安全性时时刻刻在我们身边，因此研究压力容器的安全性显得十分重要和迫切。通过对结构设计安全问题的研究，可以避免不必要安全事故的发生。
关键词：压力容器；结构设计；安全；问题
由于结构设计不合理，会造成很多压力容器的安全事故。结构设计合理，首先需要结构易于制造，以提高质量，减少制造上的缺陷。其次是要求其结构，以促进非破坏性试验，制造缺陷和利用能源的生成及时，还要考虑结构设计这方面的问题。所以，安全合理的结构设计很必要。
一、研究压力容器安全问题的重要意义
压力容器的用途分广泛，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。
二、原因分析
（一）角缝未焊实
一化肥厂氨合成段水平冷却器爆炸，在20MPa的外壳设计压力、L6MP设备管设计压力、25℃的一个工作温度下。从电子显微镜中看，具有明显断裂特性。
通过计算表明，该焊缝的轴向的弯曲应力的内表面超过因为缺乏造成的应力集中穿透的材料的屈服强度，所以裂缝在焊根部扩展。另外，由于焊接板侧管的根部有一个半径为5mm的槽，它会与超声波探伤干扰，这是难以保证焊接质量的。
以上面的分析可以看出，爆炸的主要原因是在结构设计采用单面焊接槽的缘故，从而在焊接时严重影响了根部穿透；与此同时，在具体操作中，不斷地开停，压力温度波动循环疲劳，最终造成裂纹扩展。
（二）开孔和制造缺陷
某厂发生爆炸，焊接塔爆破试验结果的X光检测显示，所有环焊缝基本金属未熔化，有气孔和小裂缝。除了上述的纵向焊缝致命的缺陷，有2〜3mm的严重焊咬边。另外，纵向接缝也非常不合理，开成的孔DN450应力集中引起的局部高应力。
三、结构设计原则
（一）圆滑过渡
在每个压力连接元件，突变或其他几何形状的压力容器中，会产生更高的压力边缘应力。连接边不同，边缘效应也不同。一些显著边缘效应，应力可以是一个较大的值。但只能在本地连接存在附近，稍微远离的交界处，它们沿着波形迅速减弱。如在可视边缘应力松弛的气缸压方向，平盖连接边缘趋向于零。在压力容器的结构设计上，考虑到边缘应力的局限性，一般情况下，圆弧过渡的方法可以减少局部不连续的压力。边缘强度折边锥加强，可以避免使用角焊缝印版滚筒和容器盖结构。
（二）错开焊缝
以上事故表明，大多数事故是因为裂纹和缺陷的出现，它们产生于焊缝处，焊缝未焊透等地方概率较大。当容器焊接，热焊接元件形成非均匀的温场，使得残余力不均匀。因此，在容器中的实际焊接中，要随着焊接部件大小，焊缝形状不断变化。结构设计上，要尽量远离焊接管，轴承等集中区域，防止由于局部高应力状态而重叠。
四、结构设计应用
（一）壳体接管开孔
接头结合过程与容器开口加强环连接，再加上焊接金属通常比塑料焊缝疲劳负载基材低。焊接施工作业难以控制所有焊接的焊缝，因为在外壳上依旧采用了大量的气割等手动开启方式，难以保证钝边斜角的鞍形开口槽面去除。施工操作位置和焊接管不利于控制成型，因此易出现裂纹、夹渣等问题。
金属的疲劳断裂约40%，接管设计应考虑到最小化应力集中。安全容器具有最低总应力的所有部分，而非采取最大安全措施。因此，有效地减少了应力集中。
（二）开孔补强
最佳的整体锻造可以增强结构加固，应力最大部分加强是其重点，加强高效率，对接焊缝，耐疲劳性，疲劳寿命比非穿孔缸仅下降15%，用于承压，高低温或者重复加载设备开口。由于加工难度较大，现在缸体孔这种结构不常使用，但设有一个专门的机器来加工。球形容器加强结构多，其规则形状易于制造和加工。
（三）焊接结构设计
合理的焊接是在保证质量的同时进行容器生产，设计有以下要求。填充金属不要太多；选择合适的斜角、高钝边、根分区的尺寸，以便坡口和渗透，减少各种焊接缺陷；以相等的强度要求，焊条的强度要不小于基材强度。
尝试使用对接接头，焊接材料、工艺和操作水平决定了焊缝质量。因此，尽量使用容易检测的接头。焊件厚度往往有几种连接器以供选择的，但要以制造厂的设备条件为基础。若制造厂加工能力弱，选择V形或X形槽是较好的，因为这些槽的处理很简单。诸如U形或双U型槽接头，我们需要完成机器的加工工厂。但V型槽料往往比较效率低，焊接应力、钢的抗开裂性差。在管板前的事故和头部被连接到作为一个U形槽对接接头，使用手工电弧焊焊接底漆加入两个氢双面，将能够实现双面焊接侧成型的要求，焊接质量可以大大提高。
焊接应力集中很可能由结构引起，应尽量降低。但高圆角结构应力集中就需要加强。如果该槽开口很适度，则过渡平滑接应力集中在焊接期间。由于本地设备制造所造成的不连续性缺陷，更多的焊缝应力应该加强集中。
五、结束语
压力容器的安全问题涉及到许多方面，每一个方面都是不可忽视的课题。在对这些问题充分掌握的基础上，才能够在机构方面设计出更为科学合理、安全可靠的压力容器。
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作者简介：
薛安雪，江苏省特种设备安全监督检验研究院。