壓力容器設(shè)計(jì)的一般要求及技術(shù)進(jìn)展

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，壓力容器的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。有很多的壓力容器都應(yīng)用在非常嚴(yán)峻的工作狀況下，為了能夠保證壓力容器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)等程序上制定出更加嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的制造體系。本文主要闡述了石油、化工方面使用的壓力容器需要具備的幾個(gè)方面，進(jìn)一步支出了壓力容器技術(shù)進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計(jì)；塑性失效；疲勞設(shè)計(jì)

1 壓力容器設(shè)計(jì)的要求

石油和化工工業(yè)是我國(guó)工業(yè)中的重要組成部分，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)設(shè)備的使用要求十分高，一旦任何一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)直接影響到加工效率，甚至不能繼續(xù)生產(chǎn)。所以我們應(yīng)該加強(qiáng)壓力容器的生產(chǎn)精度，具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該滿足一下五個(gè)方面。

1.1 保證完成工藝生產(chǎn)

由于石油、化工工業(yè)的特殊性，應(yīng)該保證壓力容器能夠承擔(dān)起加工過(guò)程中的壓力、溫度、規(guī)格、結(jié)構(gòu)等方面的要求，提高自身的應(yīng)用性能，進(jìn)一步提高壓力容器在工業(yè)生產(chǎn)中的使用效率。例如在氮肥生產(chǎn)過(guò)程中需要保證氨的合成率，主要和氨的合成壓力有直接關(guān)系。但是因?yàn)閴毫θ萜鞯脑O(shè)計(jì)壓力超過(guò)了氨合成要求的壓力，所以必須降壓使用，這就會(huì)導(dǎo)致氨合成率江都，進(jìn)而提高氨加工的生產(chǎn)成本。

1.2 運(yùn)行安全可靠。由于化工生產(chǎn)中有很多的原料本身就具有一定的腐蝕性和毒性，一旦泄露就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，甚至引起火災(zāi)或爆炸危及人員的生命。特別是壓力容器內(nèi)部容易存儲(chǔ)一定的壓力能量，一旦遭到破壞，就會(huì)導(dǎo)致容器內(nèi)的能量瞬間釋放出來(lái)，造成十分強(qiáng)大的破壞力。壓力容器并不是獨(dú)立工作，二十和其他設(shè)備聯(lián)系在一起的，一旦容器發(fā)生事故，不僅和導(dǎo)致自身出現(xiàn)問(wèn)題，也會(huì)直接影響其他設(shè)備的正常工作，造成連續(xù)性的破壞。所以就要求壓力容器生產(chǎn)過(guò)程中，嚴(yán)格地保證壓力容器上的每個(gè)零件都具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而且能夠針對(duì)不同的使用工況做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

1.3 預(yù)定的使用壽命。石油化工中有很多的材料具有極強(qiáng)的腐蝕性，所以盛裝這些材料的壓力容器壁特別容易因?yàn)楦g而變薄，甚至被腐蝕穿，所以我們?cè)趬毫θ萜髟O(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到增強(qiáng)容器壁的腐蝕程度，進(jìn)而延長(zhǎng)壓力容器的使用年限。針對(duì)一些強(qiáng)腐蝕性的物料，應(yīng)該選擇在容器內(nèi)部表面增加合適抗腐蝕材料，進(jìn)而避免壓力容器被腐蝕。

1.4 制造、檢驗(yàn)、安裝、操作和維修方便。為了保證生產(chǎn)的壓力容器的安全性能，我們應(yīng)該盡可能地保證壓力容器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和容易生產(chǎn)，這不僅能夠保證容器的生產(chǎn)質(zhì)量，而且如果有生產(chǎn)缺陷的話也可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并找到解決的辦法。此外通過(guò)實(shí)現(xiàn)這一要求，我們可以滿足具有特殊使用要求的容器生產(chǎn)，例如對(duì)頂蓋來(lái)說(shuō)需要比較笨重的主螺栓，而對(duì)于那些需要清洗的設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要有手孔的容器。這樣做還可以減少生產(chǎn)成本，節(jié)約資金。

1.5 經(jīng)濟(jì)性。除了以上的要求外，還應(yīng)該在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，盡量保證壓力容器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便等，盡可能地解決材料，節(jié)省制造成本。

2 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)展

2.1壓力容器應(yīng)力、應(yīng)變的詳細(xì)分析與評(píng)定

對(duì)壓力容器應(yīng)力、應(yīng)變的詳細(xì)分析與評(píng)定，其實(shí)質(zhì)就是運(yùn)用較精確的計(jì)算應(yīng)力分析和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行全面的校核。不同性質(zhì)的應(yīng)力具有不同的重要性，它們對(duì)容器破壞所起的作用不同，導(dǎo)致容器失效的形式也各不相同。容器各部位實(shí)際應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)分析的完善精確程度，是進(jìn)行全面強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)。目前，許多國(guó)家在設(shè)計(jì)要求較高的容器時(shí)，均應(yīng)用近代的計(jì)算應(yīng)力分析和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析技術(shù)，詳盡分析各種應(yīng)力的實(shí)際情況，并廣泛接受與采用美國(guó)ASME 規(guī)范第1卷第2 冊(cè)中確定的應(yīng)力分類(lèi)法，以及對(duì)各類(lèi)應(yīng)力強(qiáng)度的限制，將容器中不同的應(yīng)力分別限制在不同的數(shù)值，以防止可能出現(xiàn)的各種失效。和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，詳細(xì)的應(yīng)力分析方法既降低了安全系數(shù)，減輕了產(chǎn)品重量，節(jié)約了材料，又有效地防止了不同應(yīng)力可能引起的不同失效，確保了容器的運(yùn)行安全，具有多方面的優(yōu)越性。

2.2 塑性失效設(shè)計(jì)方法的研究

塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是建立在彈塑性理論基礎(chǔ)上的。對(duì)于局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度，可以允許有較大的許用數(shù)值，亦即允許出現(xiàn)局部塑性變形，而又不導(dǎo)致失效，這就是塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對(duì)于只在局部地區(qū)發(fā)生的局部薄膜應(yīng)力和沿壁厚方向非均勻分布的彎曲應(yīng)力而言，當(dāng)其最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，只能引起局部屈服，而容器大多數(shù)區(qū)域仍處于彈性狀態(tài)，因而不會(huì)導(dǎo)致失效。在這種情況下，如果還以彈性失效作為破壞準(zhǔn)則，就會(huì)使大部分材料的潛力得不到發(fā)揮。

2.3 疲勞設(shè)計(jì)

材料在反復(fù)交變載荷作用下的破壞稱(chēng)之為疲勞。疲勞破壞時(shí)沒(méi)有明顯的塑性變形。在以往設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，疲勞并未作為一個(gè)重要因素加以考慮，這是因?yàn)閴毫θ萜骱突剞D(zhuǎn)構(gòu)件不同，在它使用期間并不承受高循環(huán)周次的交變載荷，而且以往的設(shè)計(jì)應(yīng)力較低（即安全系數(shù)較大），壓力容器用鋼又多為塑性良好的材料，因此，疲勞問(wèn)題在壓力容器中并不突出。

近年來(lái)，各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范的安全系數(shù)普遍降低了，因而提高了容器的設(shè)計(jì)應(yīng)力，這樣，開(kāi)孔接管等處的局部峰值應(yīng)力可能超過(guò)了材料的屈服極限。此外，隨著容器的大型化，各種高強(qiáng)度低合金鋼日益普遍采用，這些鋼種在制造過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋及其他缺陷，從而增加了疲勞破壞的危險(xiǎn)性，據(jù)統(tǒng)計(jì)在壓力容器破壞事故中，由于疲勞裂紋逐漸擴(kuò)展而引起的破壞，約占事故總數(shù)的百分之四十，其中多數(shù)引起容器泄漏，但也有突然破裂而造成災(zāi)難性事故。因此，疲勞問(wèn)題的研究日益引起各國(guó)的重視。

壓力容器的疲勞問(wèn)題屬于應(yīng)變控制的低循環(huán)疲勞。它的特點(diǎn)是應(yīng)力水平很高，其峰值應(yīng)力甚至可能超過(guò)材料屈服極限的兩倍，而失效的循環(huán)次數(shù)較低，通常在102 105 次之間。

2.4 概率設(shè)計(jì)

概率設(shè)計(jì)是用近代數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，全面評(píng)價(jià)容器的安全程度和經(jīng)濟(jì)合理性。失效的可能性大小可用概率設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)，概率設(shè)計(jì)可以根據(jù)某一具體產(chǎn)品所要求的最低可靠性概率，向各個(gè)零部件合理分配其必須具備的可靠性概率，這樣，既滿足了總體要求，又改善了經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，生產(chǎn)出合格的壓力容器，不僅應(yīng)該考慮以上五點(diǎn)，還應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況酌情改變。而且一臺(tái)壓力容器要想滿足以上提到的五點(diǎn)要求也是十分不容易的。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中還是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)生產(chǎn)，分清楚主要要求和次要要求。由于壓力容器使用工況的危險(xiǎn)性，所以我們至少應(yīng)該保證壓力容器產(chǎn)品的質(zhì)量和安全運(yùn)行，這也是壓力容器生產(chǎn)的最基本要求。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這十分有利于壓力容器的設(shè)計(jì)，也提高了壓力容器在實(shí)際工作過(guò)程中的使用效率。為了生產(chǎn)出高標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器，生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)該提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)。

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