論壓力容器設計中存在問題及預防

蒙積雄（湖北三江航天江北機械工程有限公司,湖北　孝感　432000）

論壓力容器設計中存在問題及預防

蒙積雄
（湖北三江航天江北機械工程有限公司,湖北孝感432000）

摘要：隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的壓力容器的應用設計在工業(yè)設計中占有重要地位，良好的設計對其安全使用有著十分重要的意義，本文針對車載氣瓶，分析了壓力容器設計中常見的問題以及相關預防。

關鍵詞：壓力容器；設計；問題；預防

0　引言

工業(yè)領域的多個行業(yè)都會用到壓力容器，尤其在石油化工、汽車工業(yè)中，壓力容器更是占據(jù)重要地位。但當前，我國的壓力容器設計中還存在一些問題，特殊的使用條件對壓力容器的安全設計有很高的要求，因而壓力容器被列入特種設備的范疇。壓力容器從設計到制造到最后的安裝，其安全性及可靠性都會受到產(chǎn)品的設計方法的影響。壓力容器的設計涉及到很多專業(yè)知識，不僅要求設計人員有扎實的專業(yè)理論知識，同時應具備較強的綜合素質(zhì)以及個人修養(yǎng)。設計人員應熟練掌握壓力容器各部件材料的選用標準、外形設計、結(jié)構合理準則、受力分析、整體強化和制造的可行性，同時兼顧到使用安全及日常維護等。實際中設計工作還存在較多的問題，不僅影響了壓力容器的使用效率及可靠性，還會威脅到使用者的生命及財產(chǎn)安全。

1　壓力容器設計中存在的問題

1.1設計未全面考慮應力腐蝕

應力腐蝕在多種腐蝕體系中都會產(chǎn)生，其中的共同點就是使用的金屬材料因為特定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境，持久的拉應力導致材料的斷裂破壞。壓力容器中的碳鋼與低合金鋼材料如果在N aOH、KOH、硝酸鹽、H2S水溶液、液氨等腐蝕性介質(zhì)中，應力腐蝕開裂十分正常；奧氏體不銹鋼遇到NaOH、KOH、H2S水溶液、海水及含有鹵素離子的水溶液等腐蝕性介質(zhì)中也常常會導致容器的應力腐蝕開裂。根據(jù)國家標準要求，化工行業(yè)的液氨容器在設計時一般選用的主體材料為Q345R，在焊接后設計應要求對容器進行熱處理去除應力，從而預防應力腐蝕導致的損壞。

1.2壓力容器設計未考慮材料問題

壓力容器材料的問題直接影響整個壓力容器的各種屬性，材料問題是壓力容器設計的重要因素。材料的改變一般會受到以下幾個因素影響：壓力容器的使用人員、用戶的特殊要求、壓力容器所處的環(huán)境、容器的大小和外觀等。壓力容器一般處在較惡劣的工作環(huán)境之中，壓力容器對材料的要求高于一般的工業(yè)設備，這是因為如果材料改變的話，其受力情況、耐腐蝕情況等都會出現(xiàn)一定的變化。

1.3壓力容器設計未考慮熱處理問題

鋼板的熱處理規(guī)定中要求，鋼板冷成形或其它的元件在受壓時都要進行熱處理，例如有應力腐蝕性介質(zhì)的容器；盛放較多毒性物質(zhì)的容器；成形之后碳鋼及低合金鋼厚度會降低10%的情況等；如果冷成形變形率的指標與所規(guī)定的要求不符，設計時如果不給出合適的熱處理方式，也無法恢復材料的性能。壓力容器設計者一般都會對壓力容器的殼體、封頭等部件做熱處理要求，在多接管的設計中沒有考慮到這些。

1.4壓力容器設計時類別劃分不準確

設計對壓力容器的使用介質(zhì)的特性參數(shù)不夠了解，導致容器類別劃分不準確。如在進行盛裝環(huán)氧乙烷、粗甲醇、氯乙烯等介質(zhì)的容器設計時，設計者不能很好把握計算模型和選用的標準，不能準確進行疲勞循環(huán)載荷次數(shù)的判別和分析設計。

2　壓力容器中車載氣瓶設計問題的預防

移動式壓力容器是壓力容器中的一種，其重要分支就是氣瓶，氣瓶是使用的最為普遍的一種移動式壓力容器，它的的特點是數(shù)量大，使用范圍廣，充裝的氣體種類多，重復使用率高。其中，車用氣瓶屬于特種氣瓶。以下以車載氣瓶為例，并根據(jù)上述問題，給出相應的預防措施。

2.1針對車用氣瓶類別的總體設計預防

車用氣瓶在設計時，應根據(jù)不同車型對氣瓶安裝位置、氣瓶強度支架進行圖樣設計。圖樣的設計、審查、產(chǎn)品設計圖樣的變更等，都應符合安全技術規(guī)范標準的要求。設計過程應注重質(zhì)量控制，根據(jù)不同車型對車載氣瓶的安裝位置、氣瓶強度支架進行合理設計，設計圖中應明確技術要求、安裝使用說明等，從而指導采購、生產(chǎn)、安裝、檢驗等，設計圖應符合國家技術規(guī)范和標準規(guī)定，保證圖形表達正確、統(tǒng)一、完整。外來的車載氣瓶設計文件，應進行審查并確認。審查設計圖樣上選用的技術標準和驗收規(guī)范應為現(xiàn)行標準規(guī)范，其安裝材料選擇、結(jié)構尺寸、檢驗與試驗要求符合法規(guī)和標準的規(guī)定；檢查圖形表達是否正確、統(tǒng)一、完整；根據(jù)公司的制造能力審查外來文件工藝性，是否能滿足設計文件的要求。生產(chǎn)中，若發(fā)生材料與設計文件不一致時，應辦理材料代用手續(xù)。經(jīng)設計人員同意可以代用，變更文件由材料、零部件責任人，設計、工藝責任人會簽。

2.2 合理設計年限及開孔，防止應力腐蝕

壓力容器的設計使用年限問題應該嚴格遵循《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》中的要求，圖紙中應該明確給出壓力容器的使用年限。設計者在設計時要認真考慮設計容器各方面的影響因素，提高其可靠度，不斷減少其安全隱患。設計者可根據(jù)壓力容器材料的耐腐蝕能力、最大腐蝕速度及內(nèi)外部受到的壓力差等，計算出此壓力容器的最大腐蝕承受度及最大腐蝕速率后，可依據(jù)公式計算出容器的安全使用年限。其次，由于外部使用環(huán)境對于容器有較大的影響，設計者應模擬最惡劣的使用環(huán)境中推算其使用壽命。最后，設計者圖紙設計時還應考慮到使用者對其壽命的影響，設計者應在圖紙中標明使用條件，規(guī)范要求容器使用中的承壓部件的狀況、容器壁厚等參數(shù)。

壓力容器屬于厚壁接管，一般都需要進行補強設計。設計中可參照殼體材料的特點、性質(zhì)、功能等進行優(yōu)選和設計，要保證接管補強材料的材質(zhì)同壓力容器殼體材料性質(zhì)一致，全面維護金屬材質(zhì)的融通性。在選擇厚壁接管補強方法時，要確保接管材質(zhì)強度等級同被開孔容器材質(zhì)強度等級保持一致，然而，強度等級過高的接管材料并不能發(fā)揮正面的補強功效，甚至會有負作用，這會在整體上影響容器結(jié)構的牢固度與穩(wěn)定性。如果接管材料強度等級較低，則需對接管壁做增厚處理，保證其良好的補強效果，同時適度控制接

管的有效流通面積，需要多重操作，不僅增加施工工序，也難以控制和確保開孔補強效果，有損容器功能與作用的發(fā)揮。設計時可采用無縫鋼管技術，也可采用鍛件加工技術，來優(yōu)化厚壁連接補強技術，有效控制容器補強的誤差，如果補強設計的壓力很小，對于補強的質(zhì)量與效果要求相對較小時，因此可以采用厚度適宜的無縫鋼管，相反，則應該選擇鍛件加工技術。此外，設計中還可引入內(nèi)伸管，所選擇的內(nèi)伸管的長度大小會在很大程度上影響接管的應力強度，一般情況下，內(nèi)伸管越長，接頭部位的應力強度則越小，而且通過引入內(nèi)伸管，也能夠發(fā)揮增強補強的功能。

2.3設計時強化材料和熱處理要求

車用氣瓶應當按照規(guī)程、有關安全技術規(guī)范及國家標準與行業(yè)標準設計，設計文件應當由國家質(zhì)檢總局核準的檢驗檢測機構進行設計文件鑒定，合格后方可用于制造。車用氣瓶瓶體在進行材料設計時，應滿足與所充裝的燃氣氣體相容性的要求。制造纖維纏繞車用氣瓶鋁合金內(nèi)膽的材料，應當具有良好的抗晶間腐蝕性能。盛裝有應力腐蝕傾向氣體的車用鋼質(zhì)氣瓶，其瓶體材料實際抗拉強度不應當超過880MPa，實際屈強比不應當超過0.90。原材料無縫鋼管表面應當采用超聲檢測，瓶體表面不得有褶疊、分層、裂紋等缺陷存在。采用氣瓶標準規(guī)定以外的材料或者新研制的材料試制車用氣瓶，其制造單位應當向國家質(zhì)檢總局提出試制申請，按照經(jīng)批準的數(shù)量試制氣瓶，其技術評審的結(jié)果經(jīng)過國家質(zhì)檢總局批準后投入制造。如果現(xiàn)行氣瓶采用標準以外的材料或新研制的材料，其材料制造單位應當按照經(jīng)過技術評審的企業(yè)標準供貨，車用氣瓶制造單位，應當按照爐罐號對制造氣瓶瓶體的金屬材料進行化學成分復驗，按照材料批號進行力學性復驗，按照相應標準的規(guī)定進行無損檢測、低倍組織復驗。氣瓶在制造過程中經(jīng)過熱處理改變材料力學性能，其所用的材料復驗時可以不進行力學性能復驗。

3　結(jié)束語

壓力容器，尤其是車載氣瓶的設計過程十分嚴謹，要嚴格執(zhí)行國家的強制許可制度，設計人員也該具有較高的素質(zhì)，把握好標準要求，不斷提高設計水平，處理每個環(huán)節(jié)，不僅要遵守行業(yè)管理規(guī)范、標準的規(guī)定，還要充分優(yōu)化設計方面的結(jié)構設計、計算方法、材料、焊接方法、檢驗檢測等各方面,從而保證其使用安全。

參考文獻：

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