淺談壓力容器設(shè)計中應(yīng)注意的問題

束慶鵬

（江蘇中圣壓力容器裝配制造有限公司 211112）

摘 要：壓力容器最初主要用于石油與化學(xué)工業(yè)，但是隨著社會的發(fā)展以及工業(yè)化程度的不斷提高，壓力容器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了原來的應(yīng)用局限，在航海、航天交通、紡織等領(lǐng)域也起到了至關(guān)重要的作用?？梢赃@樣說，壓力容器在我們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔靡呀?jīng)越發(fā)重要，與我們的衣、食、住、行緊密相連。所以，壓力容器的安全性、穩(wěn)定性也越來越受到社會的關(guān)注。本文著重從三個方面闡述了在壓力容器設(shè)計過程中從業(yè)者應(yīng)該注意的問題。

關(guān)鍵詞：壓力容器；材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計；強(qiáng)度計算

壓力容器是具有一定承載壓力的密閉設(shè)備，按照在生產(chǎn)工藝過程中的作用原理，主要分為換熱壓力容器、反應(yīng)壓力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器。壓力容器分類雖然很多，但是它們都具有一個共同點(diǎn)，就是需要承載壓力，具有一定的危險性。對于這種特種設(shè)備，國家也頒布了相應(yīng)的法律法規(guī) （如TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》）來控制固定式壓力容器在整個設(shè)計、制造、維修等一系列環(huán)節(jié)中的質(zhì)量。壓力容器設(shè)計人員在設(shè)計過程中不僅要符合法規(guī)的要求，還應(yīng)滿足相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時還要保證設(shè)計出來的壓力容器具有一定的可行性，便與制造。

一、壓力容器設(shè)計中材料的選擇

金屬材料的主要性能有物理性能、力學(xué)性能和工藝性能。在壓力容器設(shè)計過程中這三種材料性能起到至關(guān)重要的作用。

1、物理性能

金屬材料的物理性能指導(dǎo)電性、熔點(diǎn)、密度、熱膨脹系數(shù)等。由于每種設(shè)備的使用環(huán)境不同，對其物理性能也就有不同要求。比如換熱設(shè)備就要求所選用的材料具有良好的導(dǎo)熱性。對于夾套類的容器，在選取材料時就要選擇那些熱膨脹系數(shù)較高的材料，減少夾套于內(nèi)筒之間由于溫度差而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力。

2、力學(xué)性能

金屬材料的力學(xué)性能主要體現(xiàn)為在外力作用下，金屬材料抵抗變形和斷裂的能力。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度正是材料力學(xué)性能的重要體現(xiàn)，壓力容器設(shè)計中的材料的許用應(yīng)力值就是通過這兩種材料的性能通過一定的安全系數(shù)轉(zhuǎn)化而來。材料的屈服強(qiáng)度是指材料在靜拉力的作用下開始變形的力學(xué)指標(biāo)，它是金屬材料抵抗塑性變形的重要標(biāo)志。抗拉強(qiáng)度是指將金屬材料拉斷所需要力的大小，反應(yīng)了金屬材料抵抗斷裂能力的強(qiáng)弱。

金屬材料除了上面提到的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度以外，斷面伸長率和收縮率也是反應(yīng)材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。金屬材料都是具有一定塑性的，材料的塑性主要體現(xiàn)在三方面。首先，金屬材料在受到外力作用的時候會產(chǎn)生塑性變形，從而使材料不至于突然斷裂。其次，金屬部件都會存在著不同截面的過渡問題。在外力的作用下，部件的這些不同截面上都會有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，具有一定塑性的材料可以通過局部的塑性變形使應(yīng)力重新分配，避免斷裂的產(chǎn)生。最后，一些成型工藝（如沖壓、冷彎等）都是利用了金屬材料的塑性來完成的。以上三點(diǎn)都反應(yīng)了材料塑性的重要作用，而金屬材料的斷面伸長率和收縮率指標(biāo)正是材料塑性的直觀體現(xiàn)。

3、工藝性能

金屬材料的工藝性能主要體現(xiàn)在材料的焊接性和可鍛性上。金屬材料的焊接性能是指被焊金屬在一般的焊接工藝條件下，得到良好的焊接接頭的能力。在壓力容器制造過程中最常用的連接方式就是焊接，然而材料的焊接有時會有許多缺陷，如未焊透、未熔合、氣孔、夾雜等，大大影響了壓力容器的整體質(zhì)量。產(chǎn)生這些缺陷的原因除了焊接工藝和人為因素外，材料的焊接性能也是非常重要的。在一系列的試驗后，人們發(fā)現(xiàn)金屬材料中的碳含量對材料的焊接性能影響最大，含碳量越高，焊接熱影響區(qū)的脆硬傾向越大，焊接裂紋的敏感性越大，換句話說就是金屬材料的含碳量越高，材料的焊接性能越差。所以在TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中明確規(guī)定了用于壓力容器焊接用碳素鋼及低合金鋼碳含量不得高于0.25%?？慑懶允怯脕矸从辰饘俨牧霞庸るy易程度的工藝性能。它也與金屬材料的含碳量有關(guān)，一般含碳量越低的金屬，它的可鍛性越好。與合金材料相比，純金屬具有很好的可鍛性。

二、壓力容器設(shè)計中的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在壓力容器設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是最能體現(xiàn)設(shè)計人員專業(yè)素養(yǎng)的一個方面。下面就通過中鼎項目中遇到的結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行闡述。

圖一為中鼎項目中一臺釜式重沸器（工作令號為J14-259A）管束部分，該設(shè)備管束重達(dá)70噸，最初的設(shè)計是根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》規(guī)定在折流板的下端設(shè)置兩條滑道，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)由于管束較重，在管束抽拉的過程中管束的剛度不夠，應(yīng)對滑道和未布管區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)。經(jīng)與生產(chǎn)溝通后確定對滑道兩側(cè)設(shè)置筋板進(jìn)行加強(qiáng)，同時在折流板未布管區(qū)增加鋼管進(jìn)行加強(qiáng)，修改后方案請見下圖二。中鼎項目中另外一臺釜式重沸器（工作令號為J14-258AB），該設(shè)備管束部分重達(dá)60噸，車間認(rèn)為管束在推向筒體內(nèi)部的組裝過程中，管束易產(chǎn)生左、右扭曲，應(yīng)對管束進(jìn)行限位，經(jīng)過與車間溝通后確定在折流板上開缺口，軌道上焊接圓鋼形成管束限位槽，整改方案詳見圖三上圖四為中鼎項目中一臺換熱器，該設(shè)備直徑DN3600/2300，下管箱較長，且重達(dá)12噸。尾部吊耳（Tailing lug）設(shè)置在下管箱底部，設(shè)備吊裝過程中管板和管箱法蘭密封面之間由于拉伸或壓縮而產(chǎn)生位移，另外與尾部吊耳（Tailing lug）同方位的密封面將受到過壓縮而產(chǎn)生過大的彎矩，上述位移和過大彎矩可能造成管箱密封面局部變形，導(dǎo)致管箱墊片因局部過壓縮而被破壞，設(shè)備操作過程中存在難以密封的風(fēng)險。為防止該位移和過大彎矩的產(chǎn)生，將采用剛性工裝，促使管板和管箱法蘭變?yōu)橐粋€剛性整體以保護(hù)密封面和墊片。具體保護(hù)方案見圖五，設(shè)備水壓試驗完成后，發(fā)貨運(yùn)輸前應(yīng)將螺柱和螺母擰緊，設(shè)備現(xiàn)場安裝完成后，開車前應(yīng)將螺母拆掉，卸下螺柱即可，不需要將連接板拆掉，便于現(xiàn)場的操作使用。

三、壓力容器設(shè)計中的強(qiáng)度計算

強(qiáng)度計算是壓力容器設(shè)計的基礎(chǔ)，它是從理論方面來為我們壓力容器設(shè)計提供依據(jù)的。強(qiáng)度計算一般是通過使用軟件來實(shí)現(xiàn)的，但是設(shè)計的主體還是設(shè)計者自己，軟件只是一個工具，它只是用來幫助我們既快又準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)壓力容器強(qiáng)度的計算，軟件也有它的局限性。現(xiàn)通過一個較為特殊的結(jié)構(gòu)來闡述軟件在實(shí)際應(yīng)用中的局限性及我們應(yīng)該注意的方面。

我們在工作中經(jīng)常會遇見復(fù)合板或堆焊的管板，那么換熱管與管板之間的拉脫力是否合格呢？在管板計算中我們一般不考慮復(fù)層（堆焊層）的強(qiáng)度，只計算基層的管板厚度是否滿足強(qiáng)度要求，但是在軟件中對于換熱管與管板連接處的拉脫力的校核與設(shè)備實(shí)際的情況是不同的。例如，一臺設(shè)備管板材質(zhì)為TA2（復(fù)層）/16MnⅢ （基層），換熱管材質(zhì)為TA2，那么通過軟件計算的結(jié)果實(shí)際上為換熱管（TA2）與管板的基層（16MnⅢ）的管頭拉脫力校核，實(shí)際生產(chǎn)中管頭處的連接應(yīng)該為換熱管（TA2）與管板復(fù)層（TA2）的連接，所以在遇到類似設(shè)計情況的時候就會產(chǎn)生風(fēng)險。

圖六是GB/T151-2014《熱交換器》中關(guān)于管頭拉脫力是否合格的判定依據(jù)。對于一般的管頭與管板為焊接連接的結(jié)構(gòu)形式，管頭處的許用應(yīng)力值應(yīng)該為管板材質(zhì)與換熱管材質(zhì)許用應(yīng)力的小值的0.5倍，那就是說如果換熱管與管板復(fù)層材質(zhì)相同，且換熱管材質(zhì)的許用應(yīng)力值小于或等于管板基層材質(zhì)的許用應(yīng)力值的時候，用軟件校核管頭處拉脫力的結(jié)果是正確的。如果換熱管材質(zhì)、管板基層材質(zhì)和管板復(fù)層材質(zhì)不同，且管板復(fù)層材質(zhì)的許用應(yīng)力值最小，那么用軟件校核管頭處拉脫力的結(jié)果是不正確的，這就需要我們通過上圖六手工校核管頭拉脫力是否合格。

結(jié)束語：

上述這些關(guān)于壓力容器設(shè)計過程中應(yīng)該注意的問題，都是我們在實(shí)際設(shè)計工作中不能忽視的。壓力容器設(shè)計者在設(shè)計的過程中不僅要滿足法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時還要考慮到其它一些會影響設(shè)備安全和穩(wěn)定的因素。比如在一些特殊的工況條件下，是否需要對材料增加一些標(biāo)準(zhǔn)之外的要求。是否會在生產(chǎn)及吊裝過程中因為一些不合理結(jié)構(gòu)而影響到設(shè)備整體的安全性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 壽比南，賈國棟等.TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》. 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局， 2016.

[2] 俞樹榮，梁瑞，姜峰，吳健. 壓力容器設(shè)計制造入門與精通. 機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3] 壽比南，張延豐等. GB/T151-2014《熱交換器》. 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2014.