對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題的探討

【摘 要】壓力容器廣泛應(yīng)用于化工、石油、機(jī)械、冶金、核能、航空、航天等部門，是生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的核心設(shè)備。其中多數(shù)壓力容器的操作工況和使用介質(zhì)具有高壓、高溫、強(qiáng)腐蝕性，或具有易燃易爆等特點(diǎn)，潛在著不安全因素，故對(duì)設(shè)計(jì)者水平要求相當(dāng)高。設(shè)計(jì)時(shí)首先需要根據(jù)給定的工藝條件，還需遵循國(guó)家的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的最新版本進(jìn)行設(shè)計(jì)，在確保安全的前提下，從經(jīng)濟(jì)性、合理性選用合適的材料，并從結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度（剛度）等各方面因素綜合考慮設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；設(shè)計(jì)；問(wèn)題；探討

0 引言

對(duì)于壓力容器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其技術(shù)規(guī)定是非常嚴(yán)格的，可是很多的規(guī)定都是從總體進(jìn)行考慮，在內(nèi)容上覆蓋的技術(shù)很廣泛，有著原則性的規(guī)定，對(duì)設(shè)計(jì)人員有著很高的要求，需要他們不僅要進(jìn)行全面的分析和深刻的領(lǐng)會(huì)，而且還要具體問(wèn)題具體分析，對(duì)于具體的條件要按照與之對(duì)應(yīng)的技術(shù)規(guī)定來(lái)執(zhí)行，只有這樣才能完成合理設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確貫徹的目標(biāo)。不然，很可能會(huì)陷入技術(shù)的誤區(qū)，出現(xiàn)一些設(shè)計(jì)內(nèi)容不合理的現(xiàn)象。

壓力容器在投入運(yùn)行前，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)督和檢查，分別是：設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、安裝和運(yùn)行監(jiān)督等， 而設(shè)計(jì)屬于最重要的環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)必須要按照實(shí)用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)。為確保壓力容器可以和我國(guó)的新工藝、新技術(shù)以及新材料這些方面的發(fā)展相適應(yīng)，必須要對(duì)國(guó)家的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定期審查并做出修訂。

1 壓力容器的簡(jiǎn)介

由于近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我們?cè)诩夹g(shù)和科技等方面進(jìn)步也很大，所以這為壓力容器的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。對(duì)壓力容器進(jìn)行整體制造的過(guò)程中，設(shè)計(jì)是整個(gè)制造環(huán)節(jié)中最為關(guān)鍵的步驟，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確和恰當(dāng)與否將會(huì)直接關(guān)系到壓力容器的制造和自身檢驗(yàn)等等諸多環(huán)節(jié)，是一個(gè)牽一發(fā)而動(dòng)全身的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。壓力容器一般泛指在工業(yè)生產(chǎn)中用于完成反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、分離和儲(chǔ)存等生產(chǎn)工藝過(guò)程，并能承受壓力載荷（內(nèi)力、外力）的密閉容器。為了使壓力容器在確保安全的前提下達(dá)到設(shè)計(jì)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、易于制造、使用可靠和造價(jià)經(jīng)濟(jì)等目的，所以國(guó)家制定了相關(guān)壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)條件，對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和使用等提出具體和必須遵守的規(guī)定。

2 壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

對(duì)于壓力容器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我們需要確保其在運(yùn)行過(guò)程中能夠安全可靠的運(yùn)行。眾所周知，壓力容器中盛裝的介質(zhì)往往都是一些具有有毒有害、具有強(qiáng)烈腐蝕性的物質(zhì)，又或具有易燃易爆的特性，這樣一來(lái)一旦發(fā)生泄露或者斷裂破壞就可能會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)甚至爆炸事故的發(fā)生，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。所以，在對(duì)其進(jìn)行操作使用時(shí)，我們的工作人員切記要十分穩(wěn)妥安全的按照規(guī)定操作。同時(shí)，由于生產(chǎn)都是連續(xù)性的操作，所以這對(duì)壓力容器來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)也會(huì)對(duì)壓力容器或多或少的損壞，更甚是可能會(huì)對(duì)其他的相連的設(shè)備帶來(lái)一定的安全威脅，而且還會(huì)造成連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致的諸多的損壞。因此，壓力容器的設(shè)計(jì)一定要嚴(yán)格的進(jìn)行，不僅需要其在自身的使用過(guò)程中能夠耐受高低溫的變化，而且還要能夠耐受腐蝕，能夠在疲勞狀態(tài)下保持生產(chǎn)工作等等一些綜合的因素。

3 壓力容器設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題

3.1 材料的選用

壓力容器的用途極為廣，工作條件也千差萬(wàn)別，因此在容器的設(shè)計(jì)過(guò)程中正確地選擇材料是一件極為復(fù)雜而又特別重要的工作。很多壓力容器造成事故的重要原因之一就是選用材料不當(dāng)。因此在選材時(shí)不僅要考慮設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)特性、冷熱加工性能、材料的焊接性能、熱處理以及容器的結(jié)構(gòu)等，此外，還要將其經(jīng)濟(jì)的合理性考慮在內(nèi)，對(duì)于毫無(wú)根據(jù)的將鋼板的等級(jí)提升是不正確的。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大且設(shè)計(jì)壓力相對(duì)較高時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)要將設(shè)備的殼體壁厚加大，如果這時(shí)仍然選用碳素鋼（如Q235）作為 殼體材料將會(huì)致使壁厚增大，從而質(zhì)量增加，這樣不僅會(huì)增加金屬材料的使用，并且還會(huì)提高整個(gè)制造、土建基礎(chǔ)、運(yùn)輸、安裝等的費(fèi)用，最終會(huì)將總的工程造價(jià)提高。因此總的選用原則可根據(jù)HG/T20581-2011 《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》的選材原則進(jìn)行選用。

3.2 管殼的壓力設(shè)計(jì)

對(duì)于壓力容器的管殼壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的是：首先全部都是正壓；其次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)壓力容器的殼程壓力不能高于管程的試壓壓力，所以這對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求有了提高，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)注意對(duì)試驗(yàn)殼程壓力的利用，讓其可以將壓力容器設(shè)計(jì)管程壓力的數(shù)值提高。設(shè)計(jì)人員懂得上述方法之后，必須要審核和校對(duì)圓筒自身在試驗(yàn)水壓下周圍的向應(yīng)力情況，不僅如此，還要重視其他的一些能夠耐受到壓力的元件的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。管道中的法蘭是有等級(jí)區(qū)分的，如果將試驗(yàn)殼程水壓進(jìn)行提升以后，還按照一些相關(guān)的正常操作的要求來(lái)選擇與之對(duì)應(yīng)的殼程管法蘭的等級(jí)壓力，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品一定會(huì)對(duì)以后所設(shè)計(jì)出來(lái)的壓力容器產(chǎn)生負(fù)面的影響。所以，要求這幾人員嚴(yán)格的根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，控制試驗(yàn)水壓的壓力1.5倍于規(guī)定溫度下沒有工作沖擊時(shí)候的壓力。對(duì)管板自身的強(qiáng)度也是有要求的，為了安全起見，在試驗(yàn)殼程的壓力快到達(dá)試驗(yàn)殼程壓力的等級(jí)上時(shí)，我們要先對(duì)管板進(jìn)行校核。

3.3 設(shè)備法蘭與殼體間的焊縫無(wú)損檢測(cè)要求

設(shè)備法蘭與殼體間焊縫的探傷要求很容易被設(shè)計(jì)者忽略，長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭或許還好，因?yàn)橐话阌玫綄?duì)焊法蘭的時(shí)候的工況都是比較苛刻的，設(shè)備本身就會(huì)要求100%探傷。當(dāng)然也有特殊情況設(shè)備局部探傷的時(shí)候，長(zhǎng)頸法蘭與筒體的對(duì)焊環(huán)縫仍需100%探傷，而且合格級(jí)別是RT-II級(jí)或者UT-I級(jí)，有點(diǎn)類似于封頭拼焊，相同的是都要100%探傷，不同的是封頭的合格級(jí)別可以跟隨設(shè)備主體走，而法蘭的合格級(jí)別卻總是要按高級(jí)別要求。長(zhǎng)頸法蘭為什么要如此高要求？主要是因?yàn)殚L(zhǎng)頸法蘭直邊段與圓筒的對(duì)接環(huán)縫不僅承受圓筒中內(nèi)壓引起的軸向薄膜應(yīng)力，還承受由法蘭力矩引起的軸向彎曲應(yīng)力，由于法蘭設(shè)計(jì)中對(duì)軸向彎曲應(yīng)力是按許用值的1.5倍進(jìn)行控制，其中不計(jì)焊接接頭系數(shù)，即認(rèn)為焊接接頭系數(shù)為1.0，所以對(duì)接環(huán)縫應(yīng)該按100%探傷，合格級(jí)別Ⅱ級(jí)。最容易讓設(shè)計(jì)者忽略的是甲型、乙型平焊法蘭，法蘭與圓筒或短節(jié)之間的連接焊縫，由于是角焊縫，很多時(shí)候設(shè)備探傷對(duì)角焊縫沒有要求，這就容易忽略。所以設(shè)計(jì)者如果在設(shè)備對(duì)角焊縫無(wú)檢測(cè)要求的時(shí)候，應(yīng)在技術(shù)要求中對(duì)法蘭處的角焊縫作出說(shuō)明，表面進(jìn)行100%磁粉或滲透檢測(cè)，檢測(cè)方法按JB/T4730，合格級(jí)別Ⅰ級(jí)（鐵磁性材料制法蘭焊接接頭表面檢測(cè)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用磁粉檢測(cè)）。

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，我們一定要按照我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且還要要求設(shè)計(jì)者在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，并且還要其能夠滿足一些特殊的要求，例如：節(jié)約成本、功能需要和安全可靠等。當(dāng)然，在壓力容器的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)對(duì)壓力容器的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的理解不夠透徹的地方，所以，我們要對(duì)其進(jìn)行分析、總結(jié)和學(xué)習(xí)。此外，我們還要加強(qiáng)同行業(yè)間的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的交流，更好的熟悉設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，這樣才能夠讓我們避免犯一些原則性的錯(cuò)誤，提高我們?cè)O(shè)計(jì)壓力容器的能力，確保所設(shè)計(jì)的壓力容器安全可靠的運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]TSGR0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)測(cè)規(guī)程[S].

[2]TSGR0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)測(cè)規(guī)程.釋義[S].

[3]GB150.1～150.4-2011壓力容器[S].

[4]HG/T20580～20585-2011中華人民共和國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化[S].

[5]NB/T47020～47027-2012 壓力容器法蘭、墊片、緊固件[S].

[責(zé)任編輯：周娜]