压力容器的焊接结构设计

孙霄飞

（中油辽河工程有限公司机械工程所 辽宁盘锦 124010）

压力容器的焊接结构设计

孙霄飞

（中油辽河工程有限公司机械工程所 辽宁盘锦 124010）

对于压力容器的焊接工艺，我国有着非常详细的、严格的规定，但是，在压力容器的实际生产、制造过程中，压力容器焊接结构的设计不仅依靠相关标准，也依靠具有丰富经验的相关技术人员的合理判断。近几年来，压力容器在实际生产过程中得到了广泛的应用，因此，加强对压力容器焊接结构的研究具有非常重要的价值。本篇论文主要对压力容器的焊接结构设计进行了研究与探讨，以期为业界的相关研究与实践提供参考依据。

压力容器；焊接结构；设计

压力容器是一个典型的、具有代表性的焊接结构件，保证焊接结构设计的合理以及焊接质量的良好，是确保压力容器能够安全使用的重要条件。压力容器主要由六大结构组成，包括筒体、支座、密封元件、法兰、封头以及开孔和接管。压力容器涉及到了很多领域，例如安全防护、防腐、机械加工、无损检测、冶金等等，在实际生产中，压力容器是一种不可或缺的重要设备。由于介质易燃、密封质量以及承受压为过大等因素，压力容器极易引发火灾、爆炸，给财产、设备以及人员造成重大的伤害，因此，应当加强对压力容器焊接结构的研究。

一、焊接结构的主要类型

焊接结构有非常多的类型，因此，焊接结构的分类方法也会有所不同，不同的分类方法之间，会出现一定的重复、交叉现象。一般情况下，可以使用三种方法对焊接结构进行分类，第一种分类方法是制造方式，即生产者；第二种分类方法是结构形式，即设计者；第三种分类方法是用途，即使用者。具体如表1所示：

二、压力容器的焊接接头结构

压力容器的焊接接头主要有三种形式，第一种是搭接接头（图1），第二种是角接接头，T字形接头也属于角接接头（图2），第三种是对接接头（图3）。

图1 搭接接头

图2 角接接头

图3 对接接头

第一，搭接接头的结构如图1所示：两个零件互相连接，在其接头处出现部分重合，中面是相互平行的。其主要特点为：属于角焊缝，接头处的结构明显地具有一定的不连续性，在承载后，接头部位的受力情况比较差。搭接接头主要应用于容器与凸缘之间的焊接、器壁有支座垫板之间的焊接以及壳体与加强圈之间的焊接。

表1 焊接结构的分类

第二，角接接头以及T字形接头的结构如图2所示。角接接头指的是两个零件互相连接之后，在其接头处的中面相交成某一角度或者是中面相互垂直的焊接接头。T字形接头指的是两个零件呈T字形连接的焊接接头。角接接头与T字形接头都会形成角焊缝。其主要特点为：相互之间的结构具有一定的不连续性，与搭接接头相同，其在承载后，接头部位的受力状态比较差，应力集中较为严重，无法有效保证焊接质量。角接接头以及T字形接头主要应用于某些特殊部位，例如凸缘与管板、夹套、法兰、接管的焊接等。

第三，对接接头的结构如图3所示。两个零件互相连接之后，在其接头处的中面是处在同一个弧面或者是平面上的焊接接头，就是对接接头。对接接头的主要特点为：方便进行无损检测，受力比较对称，受热也比较均匀，容易保证焊接质量。对接接头是最为常用的一种焊接结构形式。因为对接接头比较容易保证焊接质量，因此应当尽量使用对接接头进行焊接。

三、焊接结构的设计原则

在焊接应力的作用下而形成的局部塑性变形，会进一步导致器壁沿着焊缝产生挠曲、扭曲或弯曲变形，在内压作用之下则会出现一定的附加弯曲应力，从而导致应力集中，为压力容器的使用带来了安全隐患，通过对焊接结构进行合理地设计，能够在最大程度上降低焊接应力造成的危害。

1.焊接接头设计应遵循的原则

在确保焊接质量的前提下，焊接接头设计应当遵循的基本原则主要包括以下几点：第一，应保证焊缝尽可能地光滑、连续，以降低应力集中；第二，根据等强度要求，所使用的焊丝、焊条的强度应当大于等于母材强度；第三，接头设计应保证操作方便，且有利于降低焊接工作量；第四，应当合理地对根部间隙、钝边高以及坡口角度等结构的尺寸进行选择，使其有利于焊透、坡口加工，降低出现焊接缺陷的可能性；第五，应尽可能地降低焊缝填充金属。

2.压力容器的焊接结构设计中应当注意的几点

第一，应当尽可能地错开焊缝。根据相关统计分析表明，在由压力容器的焊接结构而引发的安全事故中，大多数是因为疲劳循环情况下裂纹的进一步扩展引发的，出现这种现象的主要原因在于焊接结构设计的过程中，其他焊缝热影响区对角焊缝、焊缝交叉造成了一定的影响，进而导致出现了微裂纹或者是一些其他的焊缝缺陷。在对容器进行焊接的过程中，每一个焊缝热源都会在其周围的焊接构件区域内产生温度场，这些温度场是不均匀的，从而形成的焊接残余应力也会呈现出不均匀的状态。这些焊接残余应力也会随着焊接工艺、焊缝布置以及焊接构件的尺寸与形状的不同而产生相应的变化，因此，在结构设计的过程中，应当尽可能地错开焊缝。

第二，不等厚截面对接采用的方式是圆滑过渡。在压力容器的焊接结构设计中，在相邻的两个元件壁厚差别比较小的情况下，可以选择等厚结构设计的方式，以避免截面突变现象的出现，导致应力集中；在相邻的两个元件壁厚差别比较大，或者是出现几何形状突变的现象时，连接处的结构就会呈现出不连续性，这是采用的方式应当时圆滑过渡，应保证过渡角小于30度，以避免出现边缘效应。

第三，对于比较重要的接头，切忌采用角焊缝。由于单面坡口接焊缝的焊接结构存在一定的不对称性，此外，其根部极易出现未焊透等一些问题，从而会加大焊缝内表面的轴向弯曲应力，一般会高过材料屈服强度，进而导致在压力容器的使用过程中会出现疲劳裂纹扩展。根据相关统计计算表明，在疲劳寿命方面，角焊缝仅仅是接焊缝的五分之一。因此，压力容器壳体的周向焊缝与纵向焊缝都应当采取对接接头，而且在进行焊接时应当尽量避免焊缝母材出现咬边、气孔、夹渣以及未熔合等缺陷。

结语

在压力容器的焊接结构设计中，焊工工艺、焊接方法以及施焊位置等与经济效益具有十分密切的关联。相关设计人员在进行压力容器的焊接结构设计时，应当充分考虑拟采用的焊接工艺、焊接方法的可操作性与可达性。此外，在合理地进行焊接结构设计的基础上，为达到预防各种焊接缺陷、消除焊接残余应力的目的，可以在进行焊接之前、进行焊接的过程中以及焊接完成之后积极采取各种有效的措施，例如在进行焊接之前预热、选择合理的焊接规范、焊接完成之后进行热处理、焊接完成之后缓冷等，以提高焊接质量。

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