試論化工壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性

丁國(guó)勝

摘 要：化工壓力容器的設(shè)計(jì)及使用具有一定特殊性，在充分考慮安全性因素和實(shí)用性因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)將經(jīng)濟(jì)合理性納入到化工壓力容器設(shè)計(jì)的考量范圍內(nèi)，在保證其安全可靠的同時(shí)降低成本，從而維護(hù)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文就化工壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和研究，僅供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：化工壓力容器；設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)合理性

1 前言

化工生產(chǎn)是當(dāng)前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)中的重要組成部分，化工壓力容器設(shè)計(jì)的安全性是保證化工生產(chǎn)活動(dòng)正常開(kāi)展的重要條件，而化工壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性往往與化工產(chǎn)品生產(chǎn)力之間存在密切聯(lián)系。此種情況下，獲得既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理的壓力容器是非常必要的。一臺(tái)設(shè)計(jì)合理的壓力容器，它的制造成本必然就會(huì)降低，反之則較高。筆者僅就壓力容器合理的選材，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)三個(gè)方面來(lái)闡述。

2 合理的選材

主體材料約占設(shè)備總造價(jià)的40%-60%，因此正確合理的選材對(duì)設(shè)備的成本有著重要的影響。我們?cè)谌粘５膲毫θ萜髟O(shè)計(jì)中，一般情況下，殼體所使用的材料為碳素鋼、低合金鋼以及高合金鋼鋼板。他們的使用條件詳見(jiàn)GB150標(biāo)準(zhǔn)，在這，我就不一一贅述了。合理的選材主要應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)。

首先，選材要根據(jù)設(shè)備的工作條件來(lái)確定，能夠用一般材料的，就不應(yīng)選用高檔次材料，如一般的低壓工況條件且溫度不太高時(shí)就應(yīng)首先考慮Q235-A或Q235-B、Q235-C，以及20R、16MnR等材料，而不應(yīng)選用更高級(jí)別的材料。又如腐蝕性一般的環(huán)境就不應(yīng)輕易選用不銹鋼材料。當(dāng)環(huán)境介質(zhì)腐蝕性很強(qiáng)時(shí)，一般首先應(yīng)考慮不銹鋼板，而不能簡(jiǎn)單地確定采用全不銹鋼制造。再如，當(dāng)設(shè)備處于300-450℃的H2S環(huán)境時(shí)，就應(yīng)考慮選用Cr-Mo鋼，而不宜選用16MnR或奧氏體不銹鋼，但是當(dāng)設(shè)備的壓力很低而溫度卻很高（如700-800℃）時(shí)就應(yīng)考慮選用奧氏體不銹鋼。相反，對(duì)于低溫環(huán)境，當(dāng)溫度不太低時(shí)，也可以考慮選用一般低溫環(huán)境下的用材，如16MnR、16MnDR、20R等；而當(dāng)設(shè)備的溫度較低時(shí)，則應(yīng)考慮選用專門的低溫用材料。其次，材料選擇時(shí)尚應(yīng)考慮到設(shè)備的重要程度。對(duì)于要求較高且比較關(guān)鍵的設(shè)備，在選材上一般應(yīng)選用性能比較優(yōu)良且質(zhì)量要求較高的材料，包括鍛件的高級(jí)別選用。相反，對(duì)于工況一般的設(shè)備，在選材上就應(yīng)有所側(cè)重，此時(shí)設(shè)備的法蘭、管板就可以選用一般的板材來(lái)制造，而沒(méi)有必要選用鍛件，因?yàn)殄懠脑靸r(jià)比之于板材要高得多。再次，在材料的選擇上還應(yīng)根據(jù)設(shè)備各部位的不同工作狀況而選擇不同的材料。如管殼式換熱器，當(dāng)管程的介質(zhì)腐蝕特別嚴(yán)重而殼程則為一般性介質(zhì)時(shí)，管程就應(yīng)采用耐蝕性較好和材料，而殼程則應(yīng)用一般性材料?？傊?，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，以確保設(shè)備整體選材的經(jīng)濟(jì)合理性。

3 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力容器設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，相應(yīng)的壓力容器造價(jià)就會(huì)有大幅度降低，因?yàn)楹侠淼慕Y(jié)構(gòu)可能會(huì)使容器主體材料的用量大幅度降低，其制造費(fèi)用也會(huì)降低。主要從一下幾個(gè)方面考慮。

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題

在容器設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)確定設(shè)備的大致結(jié)構(gòu)，包括主體結(jié)構(gòu)形式、主要零部件的結(jié)構(gòu)形式等。這項(xiàng)工作十分重要，其正確、合理與否，將直接關(guān)系到設(shè)備成本。如當(dāng)設(shè)備的壓力較高且直徑較大時(shí)，則應(yīng)考慮封頭采用橢圓封頭型式，而不宜采用平蓋型式，因?yàn)榇藭r(shí)采用平蓋將會(huì)很厚。當(dāng)設(shè)備由兩種不同直徑過(guò)渡時(shí)，宜采用封頭開(kāi)孔結(jié)構(gòu)而不宜選用錐體翻邊結(jié)構(gòu)，因?yàn)榍罢弑群笳吒准庸げ⒂欣诒ＷC部件的制造質(zhì)量。對(duì)于中低壓容器，當(dāng)采用平蓋時(shí)也可以考慮加筋平蓋，特別是對(duì)于由貴金屬制成的平蓋，采用加筋結(jié)構(gòu)其經(jīng)濟(jì)效益將是十分顯著的。當(dāng)封頭在較高外壓下所需壁厚太厚時(shí)，也可以采用封頭加筋結(jié)構(gòu)來(lái)降低其主體的壁厚，以節(jié)省主體材料。還有容器的附件設(shè)計(jì)，如支座、支承結(jié)構(gòu)等。在進(jìn)行支座設(shè)計(jì)時(shí)，首先，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的大小確定采用什么樣的支座最為經(jīng)濟(jì)合理。一般來(lái)說(shuō)，首先應(yīng)考慮支腿式支承，其次再考慮支承式懸掛式支座，再次才考慮鞍式和裙式支座。對(duì)于一些比較特殊結(jié)構(gòu)設(shè)備的支座設(shè)置，要考慮其制造加工的難度。

3.2 補(bǔ)強(qiáng)及接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力容器上開(kāi)孔是必然的，因而也就存在著補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。在進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常不應(yīng)采用整體加厚殼體來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)的方法，因?yàn)檫@樣必然會(huì)增加整臺(tái)容器的材料用量。而采用其它的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)就要合理一些，如補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)、厚壁管結(jié)構(gòu)或整鍛件補(bǔ)強(qiáng)等。但是，上述的幾種不同補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)同樣也存在著不同的造價(jià)，如整鍛件補(bǔ)強(qiáng)的加工難度就較大一些，因此其造價(jià)也就必然要高一些。所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)工況條件允許時(shí)首先應(yīng)考慮補(bǔ)強(qiáng)板和厚壁管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其次再考慮鍛制厚壁管和整鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。還有，當(dāng)采用某一種單純補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟(jì)時(shí)，也可以采用幾種補(bǔ)強(qiáng)方式混用的結(jié)構(gòu)，如同時(shí)加厚接管和補(bǔ)強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，更有利于制造加工，相應(yīng)也就可以降低加工費(fèi)用。接管設(shè)計(jì)除了要考慮上述的一些內(nèi)容外，還應(yīng)考慮到接管本身的工作狀況，如工況為一般還是較惡劣，是否受腐蝕，是否受振動(dòng)或沖擊。如一般工況則可以采用補(bǔ)強(qiáng)板和卷焊厚壁管補(bǔ)強(qiáng)；如果是承受交變載荷或高低溫環(huán)境，就應(yīng)考慮選用鍛管補(bǔ)強(qiáng)等。總之，在進(jìn)行接管及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要弄清設(shè)備的具體工況及接管的工作狀況和環(huán)境，然后具體問(wèn)題具體分析并對(duì)癥下藥，這樣才能保證結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。

3.3 外壓容器設(shè)計(jì)時(shí)的一些考慮

由于外壓容器的破壞主要是失穩(wěn)，而設(shè)備的抗失穩(wěn)能力又主要取決于殼體的幾何尺寸，即直徑、長(zhǎng)度和壁厚，其中長(zhǎng)度和直徑起著決定性作用。因此，試圖通過(guò)提高材料的強(qiáng)度來(lái)提高設(shè)備的抗失穩(wěn)能力是十分不合理的，相反通過(guò)增加加強(qiáng)圈以相應(yīng)縮短其計(jì)算長(zhǎng)度則是十分行之有效的經(jīng)濟(jì)舉措。筋的截面可以是矩形、T形、工字形、槽鋼、角鋼等，但尤以矩形截面最為經(jīng)濟(jì)，其次是T形截面。盡管加強(qiáng)圈的設(shè)置可以大幅度降低殼體的壁厚，但并不是加強(qiáng)圈的數(shù)量越多越好，我們可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算出這個(gè)最佳值，進(jìn)而確定加強(qiáng)圈的數(shù)量和截面尺寸。

4 零部件設(shè)計(jì)

首先，在許可的情況下應(yīng)盡可能選擇種類相同或相近的零部件材料，這樣有利于制造時(shí)的備料，縮短制造周期，體現(xiàn)零部件設(shè)計(jì)在制造方面的合理性；其次，在可能的情況下零部件的規(guī)格種類應(yīng)盡可能統(tǒng)一，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮到這一問(wèn)題，包括螺栓、螺母的選用；第三，應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件，這樣有利于專業(yè)化生產(chǎn)，相應(yīng)也就能獲得較低成本的零部件，如容器的封頭、法蘭、塔器的塔內(nèi)零部件等（目前都有較多的廠家專門生產(chǎn)且質(zhì)量容易得到保證）；第四，零部件的規(guī)格和類型上應(yīng)盡可能選用常用系列，如筒體和封頭應(yīng)盡可能選用100mm或200mm的檔次，而不宜選用50mm的檔次，否則將需加工專門的模具來(lái)制造，必然會(huì)使設(shè)備的造價(jià)增加。

結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，化工行業(yè)也得到較快速度的發(fā)展，化工產(chǎn)品生產(chǎn)力明顯提升，但這勢(shì)必就對(duì)化工壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性提出更高的要求。經(jīng)濟(jì)合理性是化工壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考量的重要因素，明確設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，掌握化工壓力容器設(shè)計(jì)的正確方法，從而最大程度上滿足化工產(chǎn)品生產(chǎn)需求，為化工行業(yè)的健康發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB150.1～150.4-2011壓力容器.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2]馬濤探討化工壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性[J].工程技術(shù)：全文版，2016（6）：00274-00274.

[3]史傳麒淺談石油化工壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性[J].中國(guó)機(jī)械，2013（15）.

[4]紀(jì)慶偉，潘清泉壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性分析[J].中國(guó)化工裝備，2008，10（1）.