關于壓力容器的安全設計與管理探析

劉彥君

【摘 要】鑒于鍋爐壓力容器等特種設備具有發(fā)生爆炸或泄漏、造成人身傷害、環(huán)境污染、設備建筑物毀壞事故的危險性，因此從壓力容器的安全設計、安全管理等方面，制定有效的預防和控制措施，確保壓力容器的安全運行和系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。

【關鍵詞】壓力容器；安全設計；安全管理

1.壓力容器安全設計

壓力容器的設計是否安全可靠，主要取決于設計過程的材料選擇、結構設計和容器壁厚確定是否合理。另外還要考慮適應生產(chǎn)能力，保證強度和穩(wěn)定性、密封性，以及制造、運行、安裝、檢修的方便性和總體設計的經(jīng)濟性。

壓力容器的安全設計主要包括以下三個方面：

（1）合理選用材料。合理選用材料，是保證壓力容器安全運行的一個重要措施，如果材料選擇不當，即使具有較大的強度裕度，也可能在運行中發(fā)生破壞事故。選擇壓力容器用鋼材，不僅要從操作條件和使用環(huán)境方面來考慮，即要求材料對工作介質、壓力、溫度、載荷特性等操作條件和氣溫、濕度等使用環(huán)境具有必需的適應能力；還要從鍋爐、壓力容器的制造方面來考慮，即要求所選用的材料容易加工成形，在工藝加工過程中不易產(chǎn)生缺陷。因此，在壓力容器的選材上，應充分考慮材料的力學性能（強度、韌性、塑性、硬度）、物理性能、耐腐蝕性、制造工藝性能（可焊性、可鍛性、切削加工性以及研磨性、沖壓性、熱處理性等）。壓力容器選材的一般原則是：在保證塑性指標和其它性能指標的要求下，盡量選用強度指標較高的材料。

（2）選擇合適的結構形式。在壓力容器的破壞事故中，有相當一部分是由于結構不合理引起的，結構不合理，往往使得鍋爐、壓力容器在制造和使用過程中容易產(chǎn)生缺陷。因此首先要求結構便于制造，以利于保證制造質量和避免、減少制造缺陷；其次是要求結構便于無損檢驗，使制造和使用中產(chǎn)生的缺陷能及時、準確地檢查出來；第三是結構設計中要考慮盡量降低局部附加應力和應力集中。

（3）滿足強度的要求。為保證壓力容器安全運行，其承壓部件必須具有足夠的強度，即具有適當?shù)谋诤褚缘挚雇饧虞d荷的作用。在結構設計中除了結構特殊、使用條件復雜或特別重要的壓力容器需要以應力分析進行設計外，一般的是以薄膜應力來確定所需的壁厚。至于壓力容器結構不連續(xù)部位的附加應力和應力集中，則從結構形式或尺寸上加以限制。

壓力容器的結構比較簡單，基本上都是由筒體、封頭、接管、法蘭、支座等零部件組成。壓力的機構設計應該遵循以下基本原則：

①結構不連續(xù)處應該平滑過渡。受壓器件在幾何結構突變和不連續(xù)過渡區(qū)域會產(chǎn)生較高的不連續(xù)應力，并可能導致應力集中，致使壓力容器的疲勞破壞，因此應該避免這種情況的出現(xiàn)。

②引起應力集中或削弱強度的結構應相互錯開，避免高應力的疊加。

③避免采用剛性過大的焊接結構。剛性大的焊接結構不僅使焊接構件因施焊時的膨脹和收縮受到約束而產(chǎn)生較大的焊接應力，而且使殼體在操作條件波動時的變形受到約束而產(chǎn)生附加的彎曲應力。

④受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。受熱部件的熱膨脹如果受到外部或自身的限制，在部件內部就會產(chǎn)生熱效應。

壓力容器的結構設計主要應包括容器的整體結構設計、零部件結構設計（焊縫結構結構設計、容器各部位開孔設計等），應符合以下技術要求：

①各受壓部件應有足夠的強度，并裝有可靠的安全保護設施，防止超壓。

②受壓元件、部件結構的形式、開孔和焊縫的布置應盡量避免或減小復合應力和集中應力。

③承重結構在承受設計荷載時應具有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性以及防腐蝕性。

④容器的整體結構應便于安裝、檢修和清洗。

用常規(guī)的方法進行壓力容器設計時，總是把各種有關參數(shù)，如材料的強度指標，零部件的尺寸，所造成的荷載看成是確定量，忽略了由于各種條件的變化而使這些參數(shù)發(fā)生變化的隨機因素，因而所設計的壓力容器及零部件結構尺寸就不能準確適應實際工作的要求。此外，由于對設計參數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律缺乏了解，在確定材料系數(shù)時，為了“保險”起見，總是取值偏大，使所設計的壓力容器及零部件的結構尺寸偏大，引起不必要的浪費。運用可靠性設計，是在設計中，考慮到各種隨機因素的影響，將全部或部分設計參數(shù)作為隨即變量處理，對其進行統(tǒng)計并建立統(tǒng)計模型，運用概率統(tǒng)計方法進行計算，能夠全面的描述設計對象。所得的結果更符合實際情況。壓力容器的可靠性設計可以分為兩個方面進行：第一，根據(jù)事先給定的可靠度要求，計算壓力容器及零部件的有關尺寸或應力；第二，根據(jù)已有的容器或零部件校核其可靠性。

2.壓力容器的制造管理

為了確保壓力容器的安全使用，制造過程應嚴格控制制造工藝質量和產(chǎn)品質量。如焊工考核、材料可焊性鑒定、焊接工藝評定、材料標記及標記移植材料、復驗、零部件冷熱加工成型、焊接試板、筒節(jié)施焊、焊縫外觀及無損檢測、焊接返修、容器組裝、容器整體或局部熱處理、強度試驗、氣密性試驗、包裝等工作質量及產(chǎn)品質量控制等。

3.壓力容器的安全運行

壓力容器的安全運行管理的目的是為了達到正常，滿負荷開車，生產(chǎn)合格產(chǎn)品，是壓力容器的工藝參數(shù)、生產(chǎn)負荷、操作周期、檢修、安全等方面具有良好的技術性能，促使壓力容器處于最佳工作狀態(tài)。壓力容器的運行首先要求其安全可靠，合理使用和嚴格管理是提高壓力容器的安全可靠性，保證其安全運行的重要條件。

壓力容器的安全使用包括正確的操作，維護保養(yǎng)和定期檢修等方面。在具體的操作過程中，應做到以下幾點：

①平穩(wěn)操作：在操作過程中盡量保持壓力容器的操作條件（如工作壓力和工作溫度）相對穩(wěn)定。

②防止過載：防止壓力容器過載主要是防止超壓。

③發(fā)現(xiàn)故障，立即停車：壓力容器在運行過程中如果發(fā)生故障，嚴重威脅設備及人身安全時，操作人員應該馬上采取緊急措施，停止容器運行，并報告上級主管部門。

④制定合理的安全操作規(guī)程：為保證壓力容器的安全運行，切實避免盲目或誤操作引起事故，容器使用單位應根據(jù)生產(chǎn)工藝需求和容器的技術性能制定各種容器的安全操作規(guī)程，并對操作人員進行教育培訓。

⑤嚴格實行崗位責任制。

4.壓力容器的定期檢驗

壓力容器在運行和使用過程中，要受到反復升壓、卸壓等疲勞荷載的影響，又經(jīng)常受到外部環(huán)境的影響，還要受到有腐蝕性介質的腐蝕，或在高溫深冷等工藝條件下工作，其力學性能會隨之發(fā)生變化，容器制造過程中的小缺陷也會隨之擴展增大，對壓力容器進行定期的全面地技術檢驗，是及早發(fā)現(xiàn)容器存在的缺陷，消除隱患，從而保證壓力容器安全運行，避免發(fā)生事故的一項行之有效的措施。

壓力容器的定期檢驗的主要檢驗項目應包括：材質檢驗（材質不符、材質劣化）、結構檢驗、缺陷檢驗。檢驗的方法主要有：宏觀檢查、測厚檢查、壁溫檢查、腐蝕介質含量測定、表面探傷、射線探傷、超聲波探傷、硬度測定、金相檢驗、應力測定、聲發(fā)射檢測、耐壓試驗、氣密性試驗、強度校核、化學分析、光譜分析。

壓力容器經(jīng)過定期檢驗以后，應根據(jù)檢驗結果對其安全狀況進行評定，并以安全等級形式反映出來。對安全等級級別較低的、缺陷嚴重、難于或無法修復的壓力容器設備應堅決予以報廢。

【參考文獻】

[1]魏新利，吳金星.壓力容器現(xiàn)代設計與安全技術.化學工業(yè)出版社，2004，7.

[2]陳鳳棉.壓力容器安全技術.化學工業(yè)出版社，2004，5.