壓力容器設計常見問題及對策探討

陳超　王建樂

摘要：壓力容器的設計質量不僅直接關系到容器的使用安全性和可靠性，同時也影響著容器的制造成本。本文首先分析了壓力容器設計中的常見問題，然后針對問題提出了相應的解決對策，以期為相關設計人員提供參考。

關鍵詞：壓力容器設計；問題；對策

作為化學、石油和科研等行業(yè)中的必要設備，壓力容器對于促進工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有重要作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模和領域范圍的擴大，壓力容器的使用也越來越廣泛。然而，由于技術缺陷等原因造成的壓力容器設計問題仍經(jīng)常出現(xiàn)，其嚴重影響了壓力容器的正常使用和工業(yè)生產(chǎn)的安全。因此，加強有關壓力容器設計常見問題及對策的探討，對于提高壓力容器設計質量和安全性具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1. 壓力容器設計常見問題

壓力容器的設計步驟為：先確定客戶使用需求、分析容器適用條件，據(jù)此設定相應的設計參數(shù)；然后了解分析容器結構、選擇正確的工藝規(guī)范和標準、選取合適的材料、計算容器強度和應力范圍，以此確定容器所需要的壁厚等參數(shù)；最后繪制容器設計圖紙，并提供相應的技術文件和計算書。壓力容器設計是容器制造的重要環(huán)節(jié)，其設計中經(jīng)常出現(xiàn)的問題有：

1.1 材料的選用問題

材料是壓力容器設計中的重要組成部分，材料的選用將直接影響壓力容器的強度、結構性能和使用壽命。材料的選用經(jīng)常會受到用戶、使用的周邊環(huán)境、用戶的特別要求、容器的外觀大小等因素的影響。由于壓力容器通常用于高壓高溫的環(huán)境中工作，其材料的選用勢必會影響到壓力容器的耐腐蝕性能和內外部受力情況，因此通常情況下壓力容器的材料選用是有非常嚴格的規(guī)定。設計者在選用不同的材料前都需要確定材料的選用是否滿足其使用條件、力學性能、耐腐蝕性能、加工性能、材料來源及經(jīng)濟性等使用要求。在實際設計過程中當用戶要求壓力容器的材料需要減薄時，設計者一般都會對容器的內外部受力情況進行重新分析，確定減薄后的耐腐蝕程度；而當用戶要求壓力容器的材料需要增厚時，大部分設計者認為不應當再重新進行各項受力分析，而實際情況卻是容器變厚后會產(chǎn)生多個方向的拉應力，容易引起平面應變及脆性斷裂，[1] 對于這一點應要十分注意和重視。

1.2 非標準法蘭設計

由于在日常的設計中經(jīng)常會出現(xiàn)設計壓力和設備直徑等使用條件超過法蘭標準的法蘭，所以需要確定法蘭結構尺寸的設計及其強度的計算。而利用SW6軟件進行法蘭計算時，經(jīng)常會發(fā)生計算的法蘭強度符合標準，實際制造安裝卻不符合要求的情況。如SW6軟件未設置相應的螺母與螺栓圓中心距的匹配程序，而在設計中設計人員經(jīng)常會對調整重要尺寸螺栓孔間距的問題欠考慮。當設置了超出規(guī)定范圍的螺栓間距時，法蘭很可能出現(xiàn)變形，甚至破壞其密封性能；當設置了小于規(guī)定范圍的螺栓間距時，會造成扳手操作空間狹小，較難擰緊螺栓。

1.3 熱處理問題

根據(jù)相關的熱處理規(guī)定表明，在多數(shù)條件下都要對鋼板冷成形受壓元件進行熱處理，如低合金鋼及碳鋼；盛裝高毒性、高危害介質的容器；成形后厚度減少10%以上的容器；有應力腐蝕介質的容器等。如果冷成形變形率不能滿足規(guī)范要求，就必須通過恰當?shù)臒崽幚韥硎共牧闲阅芡耆謴?。而大部分設計者都會對壓力容器的封頭、殼體的熱處理提高重視，卻忽視了接管設計的熱處理問題。

1.4 使用壽命問題

根據(jù)最新相關技術監(jiān)察規(guī)程規(guī)定，為防止壓力容器使用壽命超出設計時間而帶來不必要的安全問題，設計人員要在設計圖紙中明確標記該壓力容器的標準使用壽命，這在以往的規(guī)程中是沒有的?？梢园l(fā)現(xiàn)，人們對于壓力容器的使用壽命問題越來越重視。而在實際的設計過程中，大部分設計單位對于容器使用壽命的問題并不重視，部分設計人員更是憑借以往的慣例或經(jīng)驗任意設置壓力容器使用壽命，而忽視設備溫度、材料等因素的影響。同時由于操作人員的不按規(guī)定用法操作也會減短容器的使用年限。[2]

2. 壓力容器設計問題應對策略

2.1 提高對材料選用問題的重視

一般設計者都會注意到壓力容器外殼材料由厚變薄的內外部受力和耐腐蝕性分析，而在材料由薄變厚的過程中設計人員也應當注意材料變厚時的受力情況，加強對管道彎折和部件連接部位的分析。對于連接部位的套筒焊接或其他位置的焊接情況要充分考慮焊接所帶來的應力變化；對于材料變厚時的主體與構件連接位置及封頭位置要進行邊角削平處理。

2.2 注意非標準法蘭的計算

非標準法蘭的計算應當考慮以下要求：（1）法蘭的直邊段長度應當大于1.5δ；（2）應當根據(jù)相關規(guī)程標準對法蘭的L、Le、LA尺寸進行恰當確定，以確保扳手操作空間充足；由于高壓容器需用較大的螺栓，其公稱直徑DN要不小于64mm，因此應當按照相關標準選擇液壓拉伸器的空間，確保螺栓能夠擰緊；（3）通常低合金、碳鋼鍛件的許用應力要比同材料板材強度低，所以應當使法蘭小端厚度比封頭和筒體部位多出3mm；（4）在進行法蘭計算時應當考慮腐蝕裕量，大端和小端應當減去腐蝕裕量計算相應厚度，內徑輸入值應當為實際內徑加上兩倍的腐蝕裕量值。2.3 增強熱處理

為了節(jié)約成本，大部分壓力容器設計單位都會在滿足使用條件的前提下選用低合金鋼或碳鋼鋼板制作直徑較大的鋼管和容器。雖然低合金鋼和碳鋼鋼板在冷成形后具有的一定的強度和硬度，但可塑性有時難以達到使用要求，若不進行熱處理，很容易使材料內部細小晶粒出現(xiàn)歪扭和破損。特別是在制造鋼管時使用較厚的鋼板，那會使鋼管的直徑減小，冷成形后的內部變化就會相當劇烈，較高的冷加工硬化性能使其在出廠前就可能產(chǎn)生裂紋。因此采用厚鋼板進行冷卻加工后必須進行相應的熱處理才能提高材料的塑性。[3]

2.4 重視使用壽命

（1）設計者應當根據(jù)材料的腐蝕速度和內外受力情況計算容器的最大腐蝕承受度，以此確定容器的安全使用年限；（2）設計者要考慮使用者的不當操作，在圖紙中設置相應的安全使用提醒，并表明使用條件，做好壓力承力部件和壁厚參數(shù)的測量；（3）設計者應當考慮壓力容器外部工作環(huán)境，在最惡劣環(huán)境中模擬最佳使用年限。

3. 結束語

設計者要加強有關壓力容器常見問題的分析，總結處理經(jīng)驗和應用技術，積極拓展設計問題處理方法和應對策略，以不斷提高壓力容器設計質量。

4. 參考文獻：

[1]王霄霞.關于壓力容器設計的幾個問題[J].技術與市場. 2012，05（35）：57-58

[2]申長吉.壓力容器設計過程中常見的問題分析[J].自動化應用. 2011，12（29）：62-63

[3]錢晨凌.小議如何實現(xiàn)機械產(chǎn)品的創(chuàng)新設計[J].民營科技. 2010，06（10）：61-62

5. 作者簡介

陳超（1980-），男，主要從事壓力容器設計工作，過程裝備與控制工程專業(yè)。