壓力容器設(shè)計中幾個問題的探討

李彥君/淄博偉創(chuàng)石油化工設(shè)計有限公司

壓力容器設(shè)計中幾個問題的探討

李彥君/淄博偉創(chuàng)石油化工設(shè)計有限公司

在設(shè)計壓力容器時，要滿足保證完成工藝生產(chǎn)、運(yùn)行交全可靠、預(yù)定的使用壽命、制造檢驗交裝操作和維修方便、經(jīng)濟(jì)性等基本條件。壓力容器設(shè)計的設(shè)計方法有常規(guī)設(shè)計何分析設(shè)計。文章還介紹了壓力容器設(shè)計過程中要注意的幾個問題。

壓力容器；設(shè)計；問題；探討

一、概述

壓力容器投入運(yùn)行之前，要經(jīng)過設(shè)計、制造、檢驗、安裝、運(yùn)行監(jiān)督和維修等多個環(huán)節(jié)，設(shè)計是壓力容器制造和安裝的依據(jù)，是一個十分重要的環(huán)節(jié)。壓力容器的設(shè)計要遵照一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，按我國標(biāo)準(zhǔn)化法的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)可分為國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。壓力容器的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為了適應(yīng)設(shè)計、制造和檢驗各個方面的發(fā)展，定期進(jìn)行審查并做出修訂。

二、壓力容器的設(shè)計要求

壓力容器主要應(yīng)用于石油、化工產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，設(shè)備生產(chǎn)工藝過程中任何設(shè)備出了事故都會影響產(chǎn)品質(zhì)，或使生產(chǎn)無法繼續(xù)進(jìn)行，甚至?xí)＜霸O(shè)備和人身的安全。因此石油化工用壓力容器一般需要滿足以下幾個方面的要求。

1.保證完成工藝生產(chǎn)。石油化工壓力容器必須能承擔(dān)工藝過程所要求的壓力、溫度及具備工藝生產(chǎn)所要求的規(guī)格（直徑、厚度、容積）和結(jié)構(gòu)（開孔接管、密封等）。

2.運(yùn)行交全可靠?；どa(chǎn)的物料往往具有強(qiáng)烈的腐蝕性、毒性，容易燃燒引起火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸等惡性事故壓力容器工作時內(nèi)部儲存著一定的能量，一旦發(fā)生破壞，容器內(nèi)部儲存的能量將在極短的時間釋放出來，具有極大的摧毀力。

3.預(yù)定的使用壽命。影響石油化工用壓力容器使用壽命的主要因素是化工物料對殼體結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，它會使容器器壁減薄甚至爛穿，因此在設(shè)計容器時必須考慮附加腐蝕裕量來保證滿足使用年限的要求。

4.制造、檢驗、交裝、操作和維修方便。這一要求的目的，一方面是基于安全性的考慮，因為結(jié)構(gòu)簡單、易于制造和探傷的設(shè)備，其質(zhì)量就容易得到保證，即使存在某些超標(biāo)缺陷也能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)，便于及時予以消除；其次，這樣做的目的也是為了滿足某些特殊的使用要求，如對于頂蓋需要經(jīng)常裝拆的試驗容器，要盡量采用快拆的密封結(jié)構(gòu)，避免使用笨重的主螺栓連接；又如對于有清洗、維修內(nèi)件要求的容器，需設(shè)置必要的人孔或手孔；再是，這佯做自然會帶來經(jīng)濟(jì)上的好處，可以降低容器的制造成本。

5.經(jīng)濟(jì)性。壓力容器的設(shè)計，要盡量結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、重量：輕、節(jié)約貴重材料以降低制造成本和維修費用。

三、壓力容器的設(shè)計方法

1.常規(guī)設(shè)計。常規(guī)設(shè)計的理論基礎(chǔ)是彈性失效準(zhǔn)則，認(rèn)為容器內(nèi)某一最大應(yīng)力點達(dá)到屈服極限，進(jìn)入塑性，喪失了純彈性狀態(tài)即為失效。在應(yīng)力分析方法上，是以材料力學(xué)及板殼薄膜理論的簡化計算為基礎(chǔ)，不考慮邊緣應(yīng)力、局部應(yīng)力以及熱應(yīng)力等，也不考慮交變載荷引起的疲勞問題。所有類型的應(yīng)力均應(yīng)采用同一的許用應(yīng)力值（通常為1倍許用應(yīng)力）；為了保證安全，通常采用較高的安全系數(shù)，以彌補(bǔ)應(yīng)力分析的不足。

2.分析設(shè)計。隨著壓力容器參數(shù)的增高，高強(qiáng)鋼的采用以及近代計算與試驗技術(shù)的發(fā)展采用彈性失效的觀點使許多問題難于解決，常規(guī)設(shè)計的結(jié)果過于保守，設(shè)計的結(jié)構(gòu)尚有很大承載潛力。為了適應(yīng)現(xiàn)代壓力容器的發(fā)展，必須采用新的失效觀點來解決這些問題。分析設(shè)計放棄了傳統(tǒng)的彈性失效準(zhǔn)則，采用了彈塑性或塑性失效準(zhǔn)則，合理地放松了對計算應(yīng)力的過嚴(yán)限制，適當(dāng)?shù)靥岣吡嗽S用應(yīng)力值，但又嚴(yán)格地保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

我國的分析設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)為JB4732－95《鋼制壓力容器一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，是以第三強(qiáng)度理論即最大剪應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大剪應(yīng)力達(dá)到材料屈服時的最大剪應(yīng)力值，材料就發(fā)生屈服破壞。對于壓力容器設(shè)計所采用的失效準(zhǔn)則，除彈性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則和塑性失效準(zhǔn)則外，還有爆破失效、斷裂失效以及可靠性設(shè)計等。

四、壓力容器設(shè)計中要注意的幾個問題

1.材料的選擇?；び娩摬牡倪x用必須考慮設(shè)備的設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)特性、材料的焊接性能、冷熱加工性能、熱處理以及容器的結(jié)構(gòu)外，還需要考慮經(jīng)濟(jì)合理性。盲目地提高鋼板等級是錯誤的。

當(dāng)設(shè)計壓力較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大而使設(shè)備殼體壁厚較大時，如殼體材料仍選用碳素鋼（如Q235）將導(dǎo)致壁厚增大、質(zhì)量增加，不僅多用金屬材料，而且導(dǎo)致制造、運(yùn)輸、安裝、土建基礎(chǔ)等的費用提高，因而提高了總的工程造價。一般在以強(qiáng)度控制為主的情況下，當(dāng)殼體壁厚超過8mm時，應(yīng)優(yōu)先選用低合金鋼。當(dāng)設(shè)計壓力較小、直徑較大、以剛度控制或以結(jié)構(gòu)設(shè)計為主時，應(yīng)盡量選用普通碳素鋼。

2.制造和檢驗與驗收。圓筒鋼材厚度凡符合以下條件者：碳素鋼、16MnR的厚度不小于圓筒內(nèi)徑Di的3%；其他低合金鋼的厚度不小于圓筒內(nèi)徑Di的2。5%?！皩Υ隧椧?，大多設(shè)計者在設(shè)備主體簡體的設(shè)計中基本上都注意到了，但在接管的設(shè)計中卻容易忽視。例如：設(shè)計單位對d426m m×14 mm、d530mm×16mm的卷制接管不提熱處理要求等。容器的簡體不需要熱處理時，往往會忽視了對厚度超限的卷制接管、人孔接管提熱處理要求。

小直徑壓力容器B類焊縫無損檢測比例及長度在小直徑壓力容器設(shè)計過程中，一般都盡量采用無縫鋼管作簡體，這樣就省去了卷筒及縱縫無損檢測的工序，且縮短了制作周期，也節(jié)省了成本。但在制造過程中，其B類焊接接頭的無損檢測在檢測要求上只進(jìn)行20%RT，如一臺用d 325 mm×8 m m的無縫鋼管制作的壓力容器，B類焊接接頭作20%RT，雙臂單影透照法，其檢測長度為205mm。一次透照有效長度210mm，由此可見，作20%RT只需用一張片即可，但其探傷長度卻不足250mm，對d325mm以上的規(guī)格更是如此。而GB150中10.8。2.1”B類焊接接頭無損檢測長度不得少于各條焊接接頭長度的20%，且不小于250mm“，而圖樣上未注明不少于250mm。

五、結(jié)語

壓力容器的設(shè)計必須遵循有現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，同時設(shè)計者應(yīng)在滿足設(shè)計任務(wù)目標(biāo)要求的前提下提出最佳的設(shè)計方案，使其滿足功能需要，安全可靠，節(jié)約成本。在壓力容器的設(shè)計、制造、檢驗過程中，經(jīng)常會有一些對壓力容器的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范理解不透徹的地方，因而會出現(xiàn)很多像上述例子的錯誤。對此，我們應(yīng)不斷地分析、總結(jié)、學(xué)習(xí)。同時，同行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)經(jīng)驗、技術(shù)交流，熟悉各項標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，才會盡量不犯原則性的錯誤，業(yè)務(wù)水平才會不斷提高。

［1］高峰.壓力容器的常規(guī)設(shè)計和分析設(shè)計［J］.科技致富向?qū)?2012.21.

［2］胡志肖.分析壓力容器設(shè)計方法的進(jìn)步［J］科技傳播.2013.02.