锅炉压力容器结构设计的安全问题探讨

摘要：近几年国家对压力容器加强管理，使其在制造、安装、修理质量上基本得到保证，锅炉压力容器结构设计安全是一项十分重要的安全工作。本文就锅炉压力容器结构设计的安全问题进行了简要的论述。

关键词：锅炉压力容器 结构设计 安全问题 分析

锅炉压力容器被广泛应用于日常生活和工业生产中，由于其特殊的结构，密封，承压及介质等原因，极易发生爆炸，不仅会破坏日常生活设备，造成环境的污染，还会给人们的生命财产造成严重的威胁。为此，开展锅炉压力容器结构设计安全工作有着非常重要的意义。在开展锅炉压力结构设计圈圈检验过程中，检验机构一定要严格遵循国家相关法律规定，按照有关检查程序来开展日常检验工作，唯有如此，才能够将锅炉压力容器结构设计安全工作高质量完成，以避免各类事故的发生。

现代的压力容器结构设计正在逐步摆脱传统观念的束缚，体现真正满足工艺要求的设计理念，追求实效性、安全性和经济性的和谐统一。

结构的合理性设计：标准中对压力容器的具体结构形式不予限制，因此压力容器结构所受的制约较少，给设计者很大的发挥空间，有利于设计出更加合理的结构。另外，分析设计手段的运用和验证性试验的实施为结构的合理性设计提供了必要的保障。

结构的经济性设计：压力容器的安全性和经济性的和谐统一一直是设计者的追求，应力分析标准就是应此要求而出现的。焊接钢管的使用和特殊结构的应用，在很大程度上是考虑了压力容器结构的经济性。

结构的可靠性设计：传统的安全系数设计法为了“保险”起见，往往将安全系数的取值偏大，使得所设计的压力容器及零件的结构尺寸偏大，不仅浪费材料，而且由于各个零件的寿命和强度难以保证合理的匹配，结果造成最终产品1+1<2的情况。而可靠性设计中将部分参数作为随机变量来处理，对其进行统计并建立统计模型，用概率统计法进行计算，能够全部扫描设计对象，所得结果更符合世界情况。

一、 结构设计应遵循的原则

1 结构不连续处平滑过渡。受压壳体存在几何形状突变或其他结构上的不连续时，都会产生较高的不连续应力，因此设计时应尽量避免。对于难以避免的结构不连续，应采用平滑过渡的形式，防止突变。

2 引起应力集中或削弱强度的结构相互错开。在锅炉压力容器设计中，不可避免地存在一些局部应力较高或对部件强度有所削弱的结构。

3 避免采用刚性过大的焊接结构。刚性大的焊接结构不仅会使焊接构件因施焊时的膨胀和收缩受到约束而产生较大的焊接应力，而且使壳体在操作条件波动时的变形受到约束而产生附加弯曲应力。因此设计时应采取措施予以避免。

4 受热系统及部件的胀缩不要受限制。受热部件的热膨胀，如果受到外部或自身的限制，在部件内部就会产生热应力。设计时应使受热部件不受外部约束，减小自身约束。

二、对封头及法兰结构的要求

1 对封头的要求

（1）椭球形封头。由于椭球壳体环向应力为压应力，为了使这部分壳体不至于失稳，对于标准椭球形封头，规定其有效厚度应不小于封头内直径的 0.15%，其他椭球形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.30%。

（2）球形封头。虽然球形封头壁厚比直径与压力相同的圆筒体减薄一半，但在实际工作中，为了焊接方便以及降低连接处的边缘应力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。另外，球形封头成型较椭球形封头困难，且焊缝较多，故一般较少采用。

（3）碟形封头。由于碟形封头的球面部分与过渡区、过渡区与直边段的曲率半径不同，造成结构不连续，会引起连接处的局部高应力，因此规定碟形封头球面部分的半径一般不大于筒体内径，通常取 0.3倍的封头内直径，而封头转角内半径应不小于简体内直径的 10%，且不得小于3倍封头名义壁厚。

（4）锥形封头。锥形封头分为无折边锥形封头和带折边锥形封头两种。对于锥体大端，当锥壳半顶角 a<30。时，可以来用无折边结构；当a>30。时，应采用带过渡段的折边结构。大端折边的过渡段转角半径应不小于封头大端内直径的10%，且不小于该过渡段厚度的3倍。

（5）平盖。与其他封头比较，平板封头受力情况最差。在相同的受压条件下，平板盖比其他形式的封头厚得多。但是，由于平板封头结构简单，制造方便，在压力不高、直径较小的容器中，采用平板封头比较经济简便。

（6）凸形封头的拼接。均多块扇形板组拼的封头必须具有中心圆板，中心圆板的直径应不小于封头直径的 1/2。

2 对法兰的要求

法兰连接是一种常见的可拆卸结构。实际应用中，由于法兰密封不良而造成泄漏的现象较为常见。要保证法兰连接的紧密性，必须合理地选择压紧面的形状。最常采用的压紧面形状有平面、凹凸面、槽面和梯形槽等。平面形压紧面用于压力不高的场合 （p≤2.5MPa），其密封性能较差，仍结构简单，加工方便，便于进行防腐和清洗；凹凸形压紧面适用于中压及温度较高的场合，其密封性能好，垫片易于对中，压紧时能防止垫片被挤出；槽形压紧面适于易燃、易爆和有毒介质的密封，密封性能可靠，但更换垫片较困难；梯形糟压紧面常与椭圆垫和八角垫配用，这是因为槽的锥面与垫圈形成线（或窄面）接触密封，此种结构常在压力（p>6.4MPa）、温度（t>350℃）较高时采用。

3 对开孔的要求

壳体上的开孔的形状有圆形、椭圆形或长圆形等。开孔尺寸应符合系列规定：第一，在圆筒壳体上开孔，当内径小于等于1500mm时，最大孔径应小于等于筒体内径的1/2，且小于等于520mm；内径大于1500mm的圆筒，最大孔径应小于等于筒体内径的1/3，且小于等于l000mm；第二，在凸形封头或球形容器上开孔，最大孔径应不大于壳体内径的1/2；第三，在锥形封头上开孔，最大直径应不大于孔中心处锥体内直径的1/3。在椭球形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。

三、对锅炉压力容器用钢材的要求

1 具有良好的力学性能。首先，制造锅炉、压力容器的材料应具有适当的强度（主要是指屈服强度和抗拉强度），以防止在承受压力时发生塑性变形甚至断裂。对于锅炉和中、高温压力容器，还应考虑材料的抗蠕变性能，测定材料的高温性能指标，即蠕变极限和持久强度。其次，制造锅炉、压力容器的材料必须具有良好的塑性，以防止锅炉、压力容器在使用过程中因意外超载而导致破坏。第三，制造锅炉、压力容器的材料应具有较高的韧性，使锅炉、压力容器能承受运行过程中可能遇到的冲击载荷的作用。

2具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能。设计压力容器时，必须根据其使用条件，选择适当的耐腐蚀材料。对于锅炉和高温压力容器，所选用的材料还应具有抗氧化性能。

参考文献：

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