基于應(yīng)力分析確定在役壓力容器焊縫的探傷部位

宋誠

摘要：壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中比較常見的設(shè)備，由于其工作環(huán)境的特殊性，往往需要高強(qiáng)度的材料進(jìn)行制作，在結(jié)構(gòu)上也具有特殊性的設(shè)計(jì)和要求。為了防止壓力容器在工作過程中出現(xiàn)安全問題，需要在設(shè)計(jì)時(shí)對壓力容器的最大承受壓力進(jìn)行測定，因此這就需要引入應(yīng)力分析測量技術(shù)，應(yīng)力分析能夠精確計(jì)算壓力容器各種零部件的應(yīng)力及應(yīng)力分布情況，并且應(yīng)力分析還能夠?qū)毫θ萜骱缚p進(jìn)行探傷，應(yīng)力分析技術(shù)的應(yīng)用需要能夠直接影響到壓力容器的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力分析;壓力容器;焊縫

壓力容器在使用上具有特殊性，因此對壓力容器的安全性能要求較高，一直以來壓力容器的安全問題都未能得到妥善解決。應(yīng)力分析技術(shù)的出現(xiàn)能夠有效解決這一問題，應(yīng)力分析技術(shù)能夠?qū)毫θ萜鞯膬?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以有效得出壓力容器的承受極限以及應(yīng)力分布情況，并且應(yīng)力分析能夠有效確定壓力容器內(nèi)焊縫情況，能夠有效解決壓力容器的安全問題，從而有效提高壓力容器的經(jīng)濟(jì)效益。

1內(nèi)壓筒體焊縫抽檢位置的確定

壓力容器一般為軸對稱圓筒形容器，筒體是壓力容器的主要組成部分，是儲(chǔ)存介質(zhì)或者完成熱交換的主要壓力空間，以單層整體視筒體為例，大多數(shù)是由鋼板拼焊組裝而成。

中、低壓力容器屬于薄壁容器范圍，薄壁容器的受力狀態(tài)可以利用薄膜理論進(jìn)行分析，即假定壓力容器的殼壁像薄膜一樣，只能承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，不能承受彎距或者彎曲應(yīng)力，并且壓力容器所承受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力是沿壁厚進(jìn)行均勻分布，因此這種殼體中所承受的應(yīng)力為薄膜應(yīng)力。薄膜理論能夠有效分析出薄壁容器的受力狀況，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

通過薄膜理論可以得知，圓筒形壓力容器的環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，因此在進(jìn)行檢查焊縫時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重檢查縱向筒體焊縫，以及壓力容器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的平行縱焊縫的缺陷。

通過對比封頭環(huán)焊縫與筒體環(huán)焊縫的受力狀況，封頭環(huán)焊縫存在邊緣應(yīng)力，邊緣應(yīng)力具有局部性和局限性限制，會(huì)使封頭環(huán)焊縫的邊緣應(yīng)力得到緩解，但是封頭環(huán)焊縫的受力更加復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)作為檢查重點(diǎn)。

2內(nèi)壓筒體焊縫探傷面的確定

2.1常溫容器

為了能夠確定常溫容器焊縫的探傷面，需要分析壓力容器殼體內(nèi)外壁的應(yīng)力情況，因此需要結(jié)合厚壁圓筒的應(yīng)力分析理論。厚壁圓筒在體合上是軸對稱，因此在載荷作用下形成的位移應(yīng)變以及應(yīng)力分布情況也是軸對稱的。由于在進(jìn)行應(yīng)力分析過程中，放棄了應(yīng)力沿壁厚均勻分布的假設(shè)，因此就不能確定薄膜應(yīng)力是否依靠平衡條件來確定應(yīng)力，必須依靠平衡條件、變形條件和物理?xiàng)l件進(jìn)行應(yīng)力分析求解。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，厚壁圓筒應(yīng)力公式比較精確，該公式不僅適用于厚壁，也是用于薄壁圓筒，利用薄膜理論可以推導(dǎo)出薄壁圓筒應(yīng)力公式。

通過厚壁圓筒應(yīng)力公式可以看出，常溫容器的厚壁圓筒最大方向應(yīng)力和徑向應(yīng)力都在內(nèi)壁處，軸向應(yīng)力沿壁厚均勻分布。因此在檢查常溫壓力容器的厚壁圓筒焊縫時(shí)需要在容器內(nèi)部進(jìn)行。

2.2高溫容器

在高溫運(yùn)行下的壓力容器，壓力容器筒壁的內(nèi)外表面溫度存在差異性，溫度較高的內(nèi)壁受熱引起的膨脹變形會(huì)受到壓力容器外壁的限制，從而使壓力容器內(nèi)壁受到壓縮，而外壁受到拉伸，在壓力容器內(nèi)壁會(huì)形成壓應(yīng)力，而壓力容器外壁會(huì)形成拉應(yīng)力，這種溫差引起的應(yīng)力變形稱為溫差應(yīng)力。

由于壓力和溫差在同體內(nèi)壁會(huì)形成環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，因此在內(nèi)部加熱后，內(nèi)壁組合應(yīng)力狀態(tài)會(huì)得到改善，而外壁的組合壓力會(huì)出現(xiàn)惡化，容易形成缺陷，因此外壁焊縫是無損檢查的重點(diǎn)部位。

3角焊縫的抽檢

壓力容器開孔處應(yīng)力較為集中，通常情況下開孔處的應(yīng)力是薄膜應(yīng)力的3倍，嚴(yán)重的情況下可能會(huì)達(dá)到5倍之多。

在壓力容器殼體上開圓孔，邊緣所形成的應(yīng)力集中系數(shù)為2.5，最大應(yīng)力發(fā)生在軸線方位上;球殼開圓孔，邊緣的應(yīng)力集中系數(shù)為2，最大應(yīng)力值一致，最大應(yīng)力發(fā)生在經(jīng)向和緯向方位上;圓柱殼體上開長軸垂直于圓筒軸線的橢圓孔，邊緣的應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，最大應(yīng)力數(shù)值相同，發(fā)生在長軸和短軸的端點(diǎn);球殼上開橢圓孔，邊緣的英語系數(shù)為2，最大英語書只發(fā)生在長軸的端點(diǎn)。由此可以看出，角焊縫的約束力大，受力較為復(fù)雜，往往有較高的局部應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，在進(jìn)行探傷時(shí)應(yīng)當(dāng)特別注意。

4應(yīng)力分析技術(shù)的發(fā)展前景

從應(yīng)力分析技術(shù)這些年發(fā)展其實(shí)可以看出，應(yīng)力分析法逐漸向著專業(yè)化精細(xì)化的方向展。應(yīng)力分析技術(shù)的方法與結(jié)果能夠充分體現(xiàn)出應(yīng)力分析法的精確性，僅是依靠人力計(jì)算的方法，根本無法實(shí)現(xiàn)。因此需要更加精密的計(jì)算儀器，才能夠有效解決相關(guān)問題，目前我國并沒有辦法提供快速便捷的計(jì)算設(shè)備，對矩形參數(shù)和繁瑣的運(yùn)算解決能力不足，并且在利用應(yīng)力分析技術(shù)計(jì)算結(jié)果的同時(shí)，并沒有辦法制造出相關(guān)的壓力容器。因此我國應(yīng)該大力研究計(jì)算設(shè)備，完善分析軟件，只有建立專門應(yīng)力分析軟件兼容能力的計(jì)算機(jī)，才能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算效果。

想要提高英語分析的應(yīng)用能力，就必須完善出新型的構(gòu)成材料，沒有良好的材料基礎(chǔ)，僅憑高超的技術(shù)也無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)夢想，因此相關(guān)部門需要建立完善的科研計(jì)劃，通過不斷對材料進(jìn)行演化和改變，制造出能夠適應(yīng)應(yīng)力分析技術(shù)的材料。同時(shí)要與其他先進(jìn)國家保持聯(lián)系。一方面可以引進(jìn)國外先進(jìn)的應(yīng)力技術(shù)軟件，另一方面我國需要進(jìn)行自主創(chuàng)新，根據(jù)我國的實(shí)際情況來完善屬于自己的應(yīng)力分析軟件，應(yīng)力分析設(shè)備必須具有較高的分析能力。

5結(jié)束語

壓力容器在長時(shí)間運(yùn)行以后，會(huì)受到應(yīng)變荷載及溫度變化等因素的影響，使壓力容器內(nèi)部焊縫出現(xiàn)問題，為了有效解決壓力容器內(nèi)部焊縫問題，利用應(yīng)力分析技術(shù)可以有效確定焊縫情況，對焊縫進(jìn)行正確的定性定量，以及裂縫的形狀及走向問題，只有合理的判斷出壓力容器內(nèi)的缺陷，才能制定出相應(yīng)的解決方法，從而減少經(jīng)濟(jì)損失。

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