壓力容器設計若干技術問題的探討

摘 要：壓力容器在工業(yè)生產中屬于通用性的特種設備，在苛刻的環(huán)境和承壓狀態(tài)下工作，一旦發(fā)生事故，會造成不可估計的財產損失甚至人員傷亡。通過探討壓力容器設計中的若干技術問題，以期指導壓力容器設計。

關鍵詞：壓力容器；設計方法；開孔補強；焊接；腐蝕

伴隨著我國經濟的不斷發(fā)展和科學技術的不斷進步，我國壓力容器設計水平和制造能力已躋身于世界壓力容器生產強國之列。近十年以來，我國自主設計并制造了600MW和1000MW核電站設備、1000萬噸/年煉油裝置設備和100萬噸/年乙烯裝置設備等[1]。但從壓力容器行業(yè)上看，目前我國很多企業(yè)生產的壓力容器在設計方面都出現了一些技術性錯誤。本文通過對壓力容器設計若干技術問題的探討，以期對壓力容器設計有一定的指導意義。

1 壓力容器設計方法的選擇問題

目前壓力容器的設計方法主要分為常規(guī)設計和分析設計[2]。常規(guī)設計依據彈性失效準則，相應的設計標準有GB150和美國ASME第Ⅷ卷第1冊以及日本JISB8243等。分析設計依據塑性失效準則和彈塑性失效準則，相應的設計標準有JB4732和美國ASME第Ⅷ卷第2冊以及日本JISB8250等。

壓力容器的常規(guī)設計是一種簡單易行但相對保守的傳統(tǒng)設計方法，采用最大應力作為設計參數的依據，不考慮結構的熱應力、局部應力、邊緣應力和峰值應力等?；诔Ｒ?guī)設計的壓力容器相對比較安全，但成本高并且笨重。分析設計利用數值計算技術，基于第Ⅲ強度理論或第Ⅳ強度理論確定壓力容器的設計參數。與常規(guī)設計相比，分析設計可節(jié)省20%～30%的原材料，有效減少制造加工量和降低運輸費用等；但是分析設計對于選材、制造、檢驗和驗收規(guī)定的要求都要比常規(guī)設計更加嚴格。因此，設計人員應當基于壓力容器的設計標準，根據實際生產需要，考慮制造運輸成本，合理選擇壓力容器的設計方法。

2 壓力容器的開孔補強問題

在壓力容器的設計和生產中，開孔是不可避免的。壓力容器開孔后，其整體強度有所減弱，開孔局部區(qū)域的應力較為集中。這主要是因為：①開孔破壞了原有的應力分布并引起應力集中；②接管處容器殼體與接管形成結構不連續(xù)應力；③殼體與接管連接的拐角處因不等截面過渡而引起應力集中。為降低開孔局部區(qū)域的應力集中，可以在該局部區(qū)域進行補強。

開孔補強的設計方法在壓力容器設計中是一個重點和難點[3]。開孔補強的基本原理主要分為等面積法和分析法。等面積法以受拉伸的開孔大平板為計算模型，以補強殼體的一次總體平均應力作為補強原則，殼體截面因開孔被削弱的承受強度的面積必須有補強材料予以等面積補償。分析法是基于殼體的極限分析，該方法比等面積法更加合理，但受到開孔殼體和補強接管的尺寸限制。壓力容器開孔補強的措施主要有：①增加整個筒體的厚度；②增加補強圈的厚度或接管的厚度；③增加開孔處局部筒體厚度或加大補強圈的寬度。

3 壓力容器的焊接問題

壓力容器的焊接問題主要有焊接裂紋、焊接咬邊和焊接氣孔等。焊接裂紋是由于焊接應力或者其他因素的作用下，焊縫部位產生裂紋。消除焊接裂紋的措施有：①選用低氫型焊條；②焊接完成后要進行淬火處理；③選擇合適的焊接技術。焊接咬邊是指在焊接過程中焊接部位出現凹槽。避免焊接咬邊的措施有：①根據焊接材料采取不同的焊接方法，調整焊接角度和電流大?。虎诤附尤藛T在焊接過程中要時刻觀察焊接部位的變化，做到焊接咬邊及時發(fā)現和及時治理。焊接氣孔是指焊接過程中熔池中的氣體無法析出。消除焊接氣孔的措施有：①保證對接口和波口邊緣的潔凈；②控制溶渣的濃度；③注意及時更換焊條。如果壓力容器的密閉性不達標，服役期間發(fā)生泄漏，不僅對其內部介質不能起到保護作用，甚至會威脅到施工人員的人身安全。

4 壓力容器的腐蝕問題

目前絕大數的壓力容器都是由金屬材料構成。壓力容器與環(huán)境的反應而引起材料的破壞或變質就稱為壓力容器的腐蝕[4]。壓力容器腐蝕的類型大致可以分為：物理腐蝕、化學腐蝕、應力腐蝕和電化學腐蝕等。影響腐蝕的因素的主要有：介質溫度、壓力、溶液的pH值和流速。為了延長壓力容器的服役壽命，通常采用的防腐措施有：①選用合適的材料；②采用緩蝕劑；③提高壓力容器的焊接質量；④使用防腐涂料；⑤襯里防護；⑥表面噴丸強化；⑦加強管理維護。此外，在壓力容器的設計階段，設計人員應當綜合考慮壓力容器的服役環(huán)境對壓力容器的影響，采用最大腐蝕速度作為計算依據，確定壓力容器的最大腐蝕裕量。

5 結語

壓力容器設計直接關系到壓力容器設備在工業(yè)生產中的價值。只有嚴格按照國家相關的法律法規(guī)和壓力容器行業(yè)標準進行科學設計，才能確保壓力容器在服役期間內的安全性和可靠性，提高我國壓力容器的生產效益和國際競爭力。

參考文獻：

[1]陳學東，崔軍，章小滸，等.我國壓力容器設計、制造和維護十年回顧與展望[J].壓力容器，2013（12）：1-23.

[2]王婷，王靜，邱金梁.探討壓力容器設計要求及設計方法[J].化工管理，2013（2）： 33-34.

[3]孫昕.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用研究[J].化工管理，2016（14）：196-197.

[4]張國杰，趙振遠.壓力容器設計若干技術問題解析[J].化工管理，2016（9）：77-77.

作者簡介：

朱棟良（1987- ），男，漢族，安徽省阜陽市人，當前職務：化工設計工程師，當前職稱：助理工程師，全日制本科學歷，研究方向：化工機械。