压力容器的安全和结构设计

第34卷第12期 2005年12月 应 用 化 工 Applied Chemical Industry Vol . 34 No. 12 Dec. 2005 收稿日期: 2005209221 作者简介:吴润庆(1953 - ) ,男,广东佛山人,广东省石油化工设计院工程师,主要从事化工设备设计研究,国家一、 二、 三 类压力容器和压力罐设计审核资格。电话: (020) 81217669, E2mail:wrq200508163. com 压力容器的安全与结构设计 吴润庆 (广东省石油化工设计院,广东 广州 510130) 摘 要:根据过去的压力容器破坏事故分析,有相当一部分是由于结构设计不合理引起的,认为设计合理可靠的结 构和强度设计同样重要。就压力容器结构设计的一般原则和结构设计常遇到的问题,如壳体接管开孔、 开孔补强 和焊接结构的设计实例予以阐述。 关键词:压力容器安全;结构设计原则;结构设计应用 中图分类号: TQ 050 文献标识码:A 文章编号: 1671 - 3206(2005) 12 - 0781 - 04 Study on safety and structural design of pressure vessels WU Run2qing (Guangdong ProvincialDesign Institute of Petroleum and Chemical Industry, Guangzhou 510130,China) Abstract: From our analysis, so many accidentsof pressure vesselswere due to the unreasonable structur2 al design,which is as important as strength design. Structural design principles of pressure vessels, prob2 lems of structural design, such as nozzles subjected to shells, opening reinforcement and illustrations of welded structure design, are described in this article. Key words: safety of pressure vessels; principles of structural design; application of structural design 在压力容器的破坏事故中,有相当一部分是由 于结构设计不合理引起的。结构设计不合理,往往 使得压力容器在制造或使用过程中容易产生应力集 中。合理的结构设计,首先要求其结构便于制造,有 利于保证质量和避免或减少制造缺陷。其次是要求 其结构便于无损探伤,使制造和使用中产生的缺陷 能及时并准确地检查出来。结构设计还要考虑尽量 降低局部附加应力和应力集中,因为局部的高应力 区会成为断裂破坏之源。因此,设计合理可靠的结 构是和强度设计同样重要的。 1 压力容器破坏事故原因分析 1. 1 角焊缝结构未焊透 某化肥厂合成工段一级卧式氨冷器发生爆炸事 故。该设备管程设计压力为20 MPa,壳程设计压力 1. 6 MPa,工作温度- 2550,封头与管板的材料 都是20 G。爆炸断口都发生在管板与封头连接的 环焊处,从断口上看到焊缝根部未焊透严重,多者占 周长的80% ,深24 mm,最深处达6 mm,断口中部 表面平滑平坦,从电镜观察有明显的疲劳断裂特征。 封头和管板连接处的单面坡口角接环缝(见图 1) ,正处在结构不连续处,焊缝根部应力值很高。 通过计算表明,该焊缝内表面轴向弯曲应力已超过 材料的屈服强度,又因未焊透引起了应力集中,故在 焊缝根部产生裂纹并扩展。此外,由于焊缝根部管 板一侧有一半径R=5 mm的环形槽,它将干扰超声 波探伤,因此焊缝质量难以保证。 图1 难焊透的单面焊结构 Fig . 1 Hard complete penetration of single welded joint 从以上分析可知,其爆炸主要是由于结构设计 上采用了单面焊坡口形式,在焊接过程中产生了严 重的根部来焊透等缺陷;同时,在实际运行中频繁开 停,使压力温度波动,形成疲劳循环的工作环境,最 终导致疲劳裂纹扩展而引起的。 应用化工第34卷 1. 2 不合理开孔和制造缺陷 某厂饱和塔规格为 12008200 mm,设计压 力为1. 6MPa,为了防止腐蚀,塔上部二段筒体(约5 m长)选用了10 mm厚的12CrNi3板材,其余部分均 为10 mm的A3钢板,在操作压力为0. 88 MPa时发 生爆炸,距塔顶部2 m处第三道环焊缝及该处纵焊 缝全部炸裂。现场分析看,塔体焊接质量太差,对该 炸裂口焊缝所作的X射线探伤检查结果表明,全部 环焊缝有极其明显的母材未熔合,连续点状夹渣,气 孔及细小裂纹;纵焊缝除有上述致命缺陷外,还有严 重的焊接咬边现象,咬边深度达23 mm。此外,在 纵焊缝上还极不合理地开有一个DN450的入孔,在 应力集中区造成局部的高应力状态。加之,焊缝中 的裂纹及未溶合部分在长期生产中被腐蚀,有些地 方仅剩有3 mm多,难以承受操作压力。 2 结构设计的一般原则 2. 1 截面突变的不连续处应圆滑过渡 在压力容器各受压元件的连接处,常有几何形 状突变或其它结构上的不连续。在这些部位都会产 生较高的不连续应力(或称边缘应力)。不同的连 接边缘,有不同程度的边缘效应,有的边缘效应显 著,应力可达到很大的数值。但是,边缘应力有其特 点,即影响范围小。这些应力只存在可连接处附近 的局部区域,离开连接处稍远一些,它们就沿着圆筒 的轴线方向呈波形的迅速衰减,并趋于零。例如平 盖与圆筒的连接边缘,圆筒的轴线方向X2. 5RS 处,可视边缘应力衰减趋于零(见图 2) 2, 4 。 图2 简体边缘应力示意图 Fig . 2 Free hand drowing for edge stress of shell 由于边缘应力具有局限性,因此在压力容器结 构设计中,一般采用圆弧过渡或斜坡过渡的方法来 降低局部的不连续应力水平。如对椭圆形封头和蝶 形封头按JB /T4746设置足够大的过渡圆弧,且留有 直边,使压力容器强度较薄弱的焊接接缝离开边缘 应力的影响区。对边缘强度不足的无折边锥形封头 作局部加强,以及避免采用容器筒体与端盖连接的 平板角焊结构。 2. 2 焊缝错开并尽量远离应力集中区 从前述事故分析可知,事故大多数是由于裂纹 和尖锐的缺陷所造成的。而他们往往起源于焊缝及 其热影响区,特别在焊缝交叉处和未焊透的角焊缝 处产生这类缺陷的概率较大。容器焊接时,热源对 焊接构件形成不均匀的温度场,产生不均匀的残余 应力。所以实际焊接容器中的残余应力,随焊接构 件的形状、 尺寸、 焊缝布置、 焊接工艺不同而变化,焊 接容器存在的残余应力是复杂的。在结构设计中, 不仅要尽量减少焊接结构本身的应力集中,而且还 要使焊缝尽可能的远离接管、 支座等其他应力集中 区,以避免互相重叠造成局部的高应力状态。 2. 3 避免采用刚性过大的焊接结构和静不定结构 刚性过大的焊接件,不仅因施焊时的膨胀和收 缩受到约束而产生较大的焊接应力,而且在操作条 件波动时,还会因变形受限制而产生附加弯曲应力。 卧式容器应尽量采用静定的双支座结构。 3 结构设计原则的应用 3. 1 壳体接管开孔 工艺接管与容器壳体及开孔补强圈连接的接头 处拘束度大,存在较大的应力集中,加之焊缝金属通 常比母材塑性低,焊缝根部及焊接热影响,在疲劳载 荷(如循环压力和温度、 振动等)作用下,易成为裂 纹的起源。从焊接施工操作看,这类焊缝是容器上 所有焊缝中最难控制,也是最易产生问题的地方 (如事故二)。因为目前壳体上的马鞍形开孔仍大 量采用气割、 气刨等手工开孔方法,不易保证坡口角 度及钝边尺寸;坡口表面的氧化皮较难去除,施焊接 管的操作位置又往往不利于焊工控制成型等,所以 极易产生裂纹、 未焊透、 夹渣、 未溶合等缺陷。可以 说,开孔接管等几何不连续部位是压力容器的真正 薄弱环节。这些部位的完整性,很大程度上决定了 压力容器的安全使用寿命。 疲劳断裂失效约占金属失效结构的40% , AS ME认为,接管的设计应考虑最大限度地降低应 力集中。最安全的容器是在容器上所有部分都具有 最低的总应力(一次应力及应力集中等 ) , 而不是在 一次膜应力上取最大的安全系数,而不管局部应力 集中。所以,有效的降低应力集中,是设计容器与接 管焊接接头时应给予足够重视的问题。 3. 2 开孔补强结构 补强圈补强是最常见的补强结构,但这种结构 存在以下缺点: 搭接结构容易产生较大的局部应 287 第12期吴润庆:压力容器的安全与结构设计 力并导致焊接裂纹,对淬硬性强、 缺口敏感性高的低 合金钢就更为不利; 搭接的补强圈结构没有和壳 体接管形成整体,其抗疲劳性能差。据介绍,带补强 圈结构的筒体,其疲劳寿命比未开孔时降低30%左 右。因此,这种结构一般用于静压、 常温的中低压容 器。GB150限制其使用范围为,钢材的标准抗拉强 度下限值 b540 MPa;补强圈厚度小于或等于 1. 5 n( n为壳体开孔处名义厚度 ) ; 壳体名义厚度 n38 mm1 。此外,补强圈结构还有补强区分散 及补强效率不高的缺点。所以在可能的条件下,应 该用厚壁管补强来代替。 内伸式厚壁管补强结构,能使所有用来补强的 金属材料都直接处在最大应力的区域内,因而能更 有效地降低开孔周围的应力集中程度,其应力集中 系数比开平齐接管下降40%。 图3 整体锻件补强 Fig . 3 Reinforcement by integral forging piece 最好的补强结构是整体锻件补强(见图 3) 3 , 其补强材料集中于应力最大的部位,补强效率高,焊 缝为对接,抗疲劳性好,疲劳寿命比不开孔的筒体仅 降低10%15% ,主要用于承受高压、 高温、 低温或 反复载荷的设备开孔。目前对于圆筒体开孔,此结 构还不常用,因为加工较困难,要有专用机床。球形 容器补强采用此结构较多,因结构形状规则,容易制 造加工。 3. 3 焊接结构设计 3. 3. 1 合理的焊接接头 焊接是容器制造的重要 环节,在保证质量的前提下,焊接接头设计一般有如 下要求, 焊缝填充金属应尽量少; 合理选择坡口 角度、 钝边高、 根部间壁等结构尺寸,使之有利于坡 口加工及焊透,以减少各种焊接缺陷产生的可能性; 按等强度要求,焊条或焊丝强度,应不低于母材强 度; 焊缝外形应尽量连续、 圆滑、 减少应力集中。 3. 3. 2 尽量采用对接接头 一般认为,焊缝质量主 要取决于焊接材料、 焊接工艺和焊工操作水平,但与 焊接结构设计也有很大关系。GB150就明确规定, 压力容器A类及B类焊缝必须全焊透 1。因此要 尽量采用能保证全焊透又便于无损探伤的对接接 头。各种对接接头的型式和基本尺寸,主要是根据 焊件的厚度确定的。一定范围的厚度往往有几种接 头型式可供选择,这就要结合容器制造厂所具备的 条件来决定。如有的厂机加工能力较弱,选用V型 或X型坡口形成的接头就比较好,因为这些坡口的 加工只需要半自动气割机即可。如选用U型或双U 型坡口形成的接头,就需要在机床齐备的工厂加工。 但V型坡口往往填充金属较多,焊接效率低,焊接 应力大,变型大,对抗裂性差的钢种不适用。所以对 板厚度较大的,在有条件时应尽量选用U型或X型 坡口形成的接头。前述事故一(见图 1) 中的管板与 封头连接如改为U型坡口对接接头(见图4) ,采用 手工电弧焊中增加了两种氩弧焊打底的单面手工电 弧焊工艺,就能达到单面焊双面成型的要求,焊缝质 量即可大为改善。 图4 易焊透的单面焊结构 Fig . 4 Easy complete penetration of single welded joint 3. 3. 3 尽量降低焊缝的应力集中 焊缝的应力集 中可以是结构造成的,如角接结构应力集中就较高。 如果坡口开得合适,焊接时使焊肉圆滑过渡则使应 力集中减缓。更多的焊缝应力集中是由于设备制造 时焊缝的各种外部缺陷造成的局部结构不连续所引 起的(见事故二)。如错边(见图 5) 、 角变形(见图 6) 以及加强高过高(见图 7) 等 1 。 图5 焊接接口头对口错边 Fig . 5 Unfitness of butt joint 图6 焊接接头环向形式的棱角 Fig . 6 Circumferential arria of joint 387 应用化工第34卷 图7 对接接头焊缝的余高 Fig . 7 Butt joint reinforcement 严重的错边和角变形会导致容器早期脆断。所 有这些因素使得焊接接头区成为压力容器缺陷评定 的主要对象。 参考文献: 1 GB15021998,钢制压力容器 S. 2 杨海涛.压力容器的安全与强度计算M .天津:天津 科学技术出版社, 1985. 3 陈国理,黎廷新.焊接残余应力对圆筒形压力容器脆 断影响的试验研究A .压力容器安全评定 C .北 京:劳动人事出版社, 1987. 4 丁伯民,黄正林.化工容器M.北京:化学工业出版 社, 2003. 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(上接第777页) 出内容物,混匀,称取适量药粉,用15 mL 0. 1 mol/L HCl溶解,以水定容至100 mL,适当稀释,按实验方 法测定FLX含量,结果见表1。 用上述片剂、 胶囊和粉针剂三种样品测定加标 回收率,结果见表2。 参考文献: 1 聂丽华,赵慧春,王 旭.Tb3 +敏化化学发光法测定 氟罗沙星J .分析化学, 2001, 29(8) : 9102912. 2 关日晴,魏雪芳.氟罗沙星胶囊中氟罗沙星含量的 HPLC法测定J .分析测试学报, 2001, 20 (2) : 802 81. 3 王景翔,王计奎.氟罗沙星及其片剂的HPLC测定 J .中国医药工业杂志, 1999, 30(5) : 2262227. 4 杜黎明,范哲锋,张瑞凤.荷移反应 2 荧光光谱法测定 氟罗沙星 J .光谱学与光谱分析, 2003, 23 (2) : 3282330. 5 张瑞萍,王素芳,藩景浩.荧光分光光度法测定氟罗 沙星片的含量J .中国抗生素杂志, 1998, 23 (6) : 4312432. 6 王卫平,吴 琨,周卫东.紫外分光光度法测定氟罗