对面向制造的压力容器结构设计优化的几点探讨

对面向制造的压力容器结构设计优化的几点探讨
发布时间：2021-05-24T03:48:38.368Z 来源：《中国科技人才》2021年第8期作者：贾庆广[导读] 面向制造设计（DFM，Design for Manufacturing）是并行系统中的核心科技，其被界定为在产品设计与开发阶段，透过持续改良创设与化解制造困局而提升设计特性、减少研发用时、缩减成本，该模式的特征是重视从设计的初起时期就权衡到有关的元素。

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摘要：面向制造设计（DFM，Design for Manufacturing）是并行系统中的核心科技，该模式的特征是重视从设计的初始时段就权衡到制造有关的元素，尤其重视制作的工艺性。

当前我国压力设备设计师在创设产品阶段，对产品结构的工艺性解读得并不到位，因为结构瑕疵导致制作阶段中装配、拆解、焊装、运转、运送等难以高效完成。

本文参考压力设备制造的有关经验，罗列了压力设备制造阶段装配、焊装、无损测试、水压等环节的结构难题，并给出优化意见，供设计师研究。

关键词：面向制造；压力设备；结构优化；实例论证
面向制造设计（DFM，Design for Manufacturing）是并行系统中的核心科技，其被界定为在产品设计与开发阶段，透过持续改良创设与化解制造困局而提升设计特性、减少研发用时、缩减成本，该模式的特征是重视从设计的初起时期就权衡到有关的元素。

当前我国压力设备设计师在设计产品阶段，最为关注的是产品的特性，以确保设施可以安全运转，在制造工艺性层面则更多地关注原料的工艺性（包含焊装性、冲压性、切削加工性等），对产品结构的工艺性并未解读到位；有的需要设计规模巨大的专用工装，增大成本；有的必须在有限空间工作，增大了工作强度，并且存在安全方面的风险。

因此，对其进行优化是势所必然。

1 压力容器的核心特征
1.1 压力容器对安全性要求很高
压力容器是广泛使用在各领域的特种设施，比如高温、高压、低温、深冷与高侵袭性等各类特殊环境中，并且因为其盛放介质大部分状况下是易燃易爆低温的液态物或有着高危险性的化学物品，直观地牵涉到人的生命与财产安全，因此安全性要放在第一位，在压力容器的设计与制作阶段，要严格依法开发与设计，保证压力容器全寿命周期生产与运用的安全性。

1.2 压力容器的设计制作有着较强的专业性
相较于常规工业生产设施的设计制作，压力容器的设计与制作有着极强的技术性，在设计制备阶段前身到多科目交叉与多元化的科技。

比如，必须兼备冶炼科技、力学理论、机械加工与自动化层面的理论与科技，还必须杂糅化学防腐蚀科技、品质监督科技，甚而必须让电脑软件操作研发科技等，任意一个层面的疏漏都会导致压力容器的设计与制作出现缺陷，这就需要压力容器设计与制作的技术师要兼备更为专业的科技理论并学以致用，将法制规程与标准熟练地运用在作业实践中，秉承谨慎、认真的工作心态与准则，并且与其余版块有关人员通力合作、持续互动，保证最后设计制作的压力容器产品的安全性。

1.3 压力容器的产品机构多元化
因为压力容器的作业介质呈现出多元化、繁杂的特征，操控压强、温度伴随相异的工艺单元是有所区别的，伴随当前生产科技的日新月异，其结构也是繁杂多元的。

比如塔器、换热设备、反应设备等。

这是这部分繁杂易变的结构让工艺更为完善。

要让压力容器的结构设计变得更为关键，这就必须让设计师解读结构创设的要旨，使用科学的构造，持续提升设计品质，从而让压力容器在制作、装设与运用中的安全性能得以保证。

2 压力容器常规的机构设计难题与优化预案
工艺流程依照工艺模式能够总结为钣金下料、塑性成形、切削工艺、装配、焊装、无损测试、热处置、压力试验、防腐等版块，压力容器结构设计难题对制造的影响通常表现在装配、焊装、无损测试、压力试验等四大版块，本文通过对典型案例的解读来谈怎样优化结构。

2.1 元件无装配调试余量
压力容器的部件制作大多数隶属钣金下料、塑性成形的粗放工艺，偏差相对很大，例如卷焊筒体的椭圆性、直线度，制备元件的视角误差，气割剪切锯部件的线性误差等。

这部分误差致使在装配阶段元件无法密切装配，必须用既定的装配调试余量来进行装配，然而一些设计结构并未权衡到该点，致使装配不到位的情况时有出现：
2.1.1管束折流设施没有柔性调试余量
一部分换热管束结构工程图上折流设备与纵向隔板需要焊装到位，这类结构在制作过程中如果不加余量焊接组装好后会导致隔板长度不够，对垫片产生不到足够的压紧力，导致由于密封不严而泄露。

此难题的化解模式是，分程隔板下料时在长度方向要预留一定的余量，隔板与管箱焊接完成后再对隔板进行加工，加工至与密封面平齐。

2.1.2 管束与壳体套装空间过于狭窄
管壳式换热设备，壳体与管束套装空间狭窄，一部分设计工程图壳壁直径与折流设备外径的缝隙仅有2mm，因为卷焊筒壁的椭圆性、不直度，拆流设备冷作下料规模误差等，其具体真实缝隙假如管控在2mm之内，那么区域缝隙小于2mm，甚而是负数，导致套装干预。

依照相关标准的规定，壳体直径与拆流板的间隙是一定的，在符合贵方的情况下，在套装前要将筒体内部焊缝修磨到与母材齐平的状态，折流板边缘也修磨去掉棱角，避免套装时产生干涉。

该难题的化解模式是——将设备内焊缝修磨至与母材齐平，支持板外圆修磨去除毛刺凸起部分。

2.2 管束无套装辅助结构
管束上并未设置有助于壳体顺畅套装的结构，拆流设备直接与壳壁碰触，导致摩擦阻力增加套装无法完成，假如强制套装，处理不好会导致管束形变，壳壁损伤，尤其是大型U型管束，套装时如果不加辅助结构会浪费大量的工时。

该难题优化方案是：拆流设备上增设纵向导轨等装置来减少接触面积从而降低摩擦力二提高装配效率。

2.3 壳体没有回旋空间
压力容器制作大多数必须在滚轮架上旋转工作，假如接管、元件等部署较多，接管与筒壁的间距太短，没有空间完成整圈旋转，厂房制作阶段要制备大结构的专业回转设备，增大制备成本与制作用时。

该问题的优化模式是：科学部署接管、附件的方位，在设施核心两端的适度方位，最少留下足够宽的整圈回转空间，在装配过程中也要合理控制组装顺序，先制作完主体在搭焊附件，对于大型设备如大型储槽则现场进行制作。

2.4 焊装不到位
2.4.1 如图1，该结构为带中心筒的管束构造。

图2 某压力容器管束结构
在设计时段，设计师根据有关产品充分解读低温容器的机构设计专项要求，并在设计图纸上标明特殊构造的扩大图，并且在技术要求中明确有关注意事项，依次保证产品制造品质。

设计阶段为让低温容器的结构设计得到优化，要权衡到以下内容：首先，结构几何形状不连续零件间要有充足的过渡圆弧半径；其次，厚薄不同的连接件间要有充足的削薄过渡；再次，规避结构外形形变，降低局部压力；其四，设立必要的连接垫板。

2.4.2 如图3，某压力容器内件是锥壳构造，方位正好处于壳壁的锥壳区域，两者的空间极为狭窄。

图2 某压力容器内件构造
解读图2方位的焊缝，由于内件在内部焊接部分方便，操作空间限制，因此通过管控装配顺序来减少焊装难度，先焊接制作内件，内件焊接制作完成后再套装到外件中。

结束语：
综上所述，压力容器品种多样，结构从简易到繁杂，本文案例是作者从事压力容器制造工艺层面的经验归纳而来的，只罗列目前一些常规的结构缺陷与优化方案，希望为同行业者提供一定的参考。

并且，必须注意的是，产品制作工艺性是瞬息万变的，其伴随机床设施、工装、用具、工艺流程等的改变而改变。

面向制造的设计（DFM），其理想的状况是：制造设计师初期与产品设计师进行合作，以确保产品的可生产性。

但是，极少有制造设计师有过产品设计方面的锻炼，而制造项目方面的锻炼更是凤毛麟角。

那么，目前最为高效的模式是构建设计师、制造工程师、车间员工间的互动体制来完成结构优化。

参考文献：
[1]晏彦忠.基于ANSYS Workbench的压力容器长圆形视镜开孔补强应力分析[J].化工设备与管道，2020，57（2）：7-9.
[2]王栋，商红慧，张云泉，等.原子动力学蒙特卡洛程序MISA-KMC在反应堆压力容器钢辐照损伤研究中的应用[J].计算机科学，2020，47（4）：30-35.
[3]尚子豪，商红慧，王东杰，等.原子动力学蒙特卡洛程序OpenKMC在反应堆压力容器钢缺陷损伤研究中的优化与应用[J].计算机工程与科学，2020，42（12）：2151-2162.
[4]杨超，惠虎，顾雪铭，等.新型超高压爆破片安全泄放装置的结构设计及密封性能研究[J].压力容器，2020，37（9）：30-39，52.。