探討鋼制壓力容器最大允許工作壓力

劉奇（化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410116）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，壓力容器也經(jīng)歷著巨大的改革和更新，出現(xiàn)大量使用條件極其苛刻的壓力容器，例如：大型熱壁容器等。這類(lèi)嚴(yán)要求的容器不能按照規(guī)則展開(kāi)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致分析設(shè)計(jì)規(guī)范的形成。JB4732是通過(guò)盈利數(shù)值計(jì)算法、應(yīng)力分析法對(duì)容器展開(kāi)細(xì)致的應(yīng)力分析，根據(jù)應(yīng)力對(duì)容器失去效應(yīng)產(chǎn)生的危害情況，把應(yīng)力合理分類(lèi)并對(duì)不同的應(yīng)力設(shè)置各自限制值展開(kāi)控制。

1 不同類(lèi)型壓力容器的適用范圍

壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者對(duì)其容器類(lèi)型、材質(zhì)、尺寸等必須進(jìn)行合理調(diào)整，確保容器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)滿足規(guī)定要求。GB 150和JB/T4735這兩類(lèi)根據(jù)第一強(qiáng)度理論和彈性失效原則展開(kāi)設(shè)計(jì)，把最大的主應(yīng)力設(shè)置在材料允許的范圍之內(nèi)。對(duì)局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置的應(yīng)力，則根據(jù)JB4732容器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)設(shè)計(jì)，確定元件的尺寸范圍并引入各個(gè)系數(shù)達(dá)到限制其形狀的目的。因?qū)毫θ萜髡归_(kāi)精細(xì)化的應(yīng)力分析，同時(shí)提升容器制造、材料。驗(yàn)收等標(biāo)準(zhǔn)，所以JB4732使用比GB150小的安全系數(shù)。JB4732、GB150和JB/T4735三種設(shè)計(jì)并沒(méi)有相互覆蓋的范圍，選用更加方便，但JB4732、GB150覆蓋范圍更加廣泛，選擇時(shí)要綜合考慮不同容器的設(shè)計(jì)壓力、溫度、設(shè)計(jì)資格和制造資格等各類(lèi)因素的影響。同GB150比較可知，JB4732能夠使用較高的應(yīng)力強(qiáng)度，在相同的設(shè)計(jì)環(huán)境下，能夠合理減薄容器的厚度和重量。但因設(shè)計(jì)計(jì)算工作量極大，且整個(gè)設(shè)計(jì)的制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)有更高更嚴(yán)的要求，所以其經(jīng)濟(jì)效益并非很高，采用GB150無(wú)法進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)構(gòu)才根據(jù)JB/T4732進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 合理設(shè)置容器的壓力

2.1 計(jì)算壓力注意的問(wèn)題

GB150中增設(shè)科學(xué)計(jì)算壓力的內(nèi)容，就是基于相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度環(huán)境下，明確元件厚度的壓力，所有容器的厚度計(jì)算必須通過(guò)壓力計(jì)算完成，如此更加明確容器的厚度及元件所處的壓力關(guān)系。允許相同容器各個(gè)位置的受壓元件使用不同的計(jì)算壓力，簡(jiǎn)言之就是各不相同的計(jì)算厚度，這與JB4732設(shè)計(jì)要求相一致。GB150的載荷主要包括基本載荷和選擇性載荷，在元件厚度計(jì)算中應(yīng)用的載荷是基本載荷，例如：外壓、內(nèi)壓、靜壓力等等。并未出現(xiàn)在元件厚度計(jì)算式子中，但有些情況必須考慮的載荷成為選擇性載荷，例如：容器附屬構(gòu)件重量、地震力。管道推理、容器自重等等。如果計(jì)算時(shí)需要把選擇性載荷考慮其中，必須引入其它標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算辦法，如：NB/T47041-2014《塔式容器》規(guī)范中地震力。偏心質(zhì)量等引起的應(yīng)力計(jì)算公式或使用有限元法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分析和評(píng)定。

2.2 容器最大允許的工作壓力

因鋼板厚度的圓整，容器的殼體厚度并不比計(jì)算厚度小。所以，基于設(shè)定的溫度和壓力環(huán)境下，容器殼體的應(yīng)力并未實(shí)現(xiàn)材料在設(shè)定溫度下的允許使用應(yīng)力，也就是說(shuō)容器能夠承受的高于設(shè)計(jì)的壓力。如果壓力增加至某一數(shù)值，容器殼體的應(yīng)力滿足材料在設(shè)定溫度下的允許壓力，用這一壓力減去液柱靜壓力，從而獲得殼體最大允許的壓力。如果殼體各個(gè)位置或元件的有效厚度及材料有所差異，根據(jù)以上方法能夠求解容器最大允許的工作壓力。所以，容器銘牌內(nèi)設(shè)置的最大允許工作壓力就是在設(shè)定的溫度環(huán)境下，容器頂部能夠承受的最大表壓力。

2.3 開(kāi)展耐壓實(shí)現(xiàn)

2.3.1 容器進(jìn)行壓力試驗(yàn)的目的

對(duì)內(nèi)壓容器進(jìn)行試驗(yàn)，重點(diǎn)在于測(cè)試容器存在的不足（是指因材料或制造中產(chǎn)生的缺陷）是否滿足設(shè)計(jì)壓力，在試驗(yàn)壓力下出現(xiàn)快速擴(kuò)展導(dǎo)致容器開(kāi)裂或滲漏的情況，并能有效考察容器的密封性。外壓容器出現(xiàn)失穩(wěn)壓力的因素包括：容器的尺寸、制造偏差，通常不需要進(jìn)行外壓試驗(yàn)，一般采用內(nèi)壓試驗(yàn)對(duì)容器的密封性能進(jìn)行考核，并觀察容器是否存在穿透性缺陷。耐壓試驗(yàn)容器的試驗(yàn)壓力不能小于表示試驗(yàn)的壓力系數(shù)，在對(duì)鋼制壓力容器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，若液壓試驗(yàn)η取值為1.25，如果展開(kāi)氣壓、液壓組合試驗(yàn)時(shí)η取值1.1，GB150相關(guān)要求指出，內(nèi)壓容器展開(kāi)液壓試驗(yàn)過(guò)程中如果實(shí)施氣壓試驗(yàn)時(shí)對(duì)外壓或真空容器展開(kāi)液壓試驗(yàn)時(shí)，Pr=1.25p,若進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，Pr=1.1P。η作為壓力系數(shù)與容器材料的安全系數(shù)有必然聯(lián)系。

2.3.2 最大允許工作壓力

容器最大允許工作壓力就是在設(shè)計(jì)溫度下，容器頂部能夠承擔(dān)的最大表壓力。這里所說(shuō)的壓力是由容器各個(gè)部分殼體的有效厚度計(jì)算得到并選取最小值。容器的最大允許壓力必須以容器內(nèi)所有受壓元件的設(shè)計(jì)條件和結(jié)構(gòu)尺寸確定，原則上通過(guò)各個(gè)受壓元件的厚度計(jì)算得到，其最大允許工作壓力公式如下依次是容器的圓筒、封頭、法蘭、開(kāi)孔強(qiáng)度等受壓元件依照自身的設(shè)計(jì)條件和尺寸計(jì)算獲取該容器最大允許工作壓力。從設(shè)計(jì)者的角度來(lái)說(shuō)，是否需提升容器的超壓限度，是判定能否使用最大允許工作壓力展開(kāi)壓力試驗(yàn)的必要條件。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，根據(jù)正確的壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理利用容器的遠(yuǎn)征厚度，盡量拉大工作壓力與安全閥之間的壓力差，能確保壓力容器更加平穩(wěn)的工作。

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