壓力容器設(shè)計(jì)存在問(wèn)題及對(duì)策研究

劉雨鑫

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域，壓力容器是一種十分重要的設(shè)備，也屬于特種設(shè)備的范疇。壓力容器的設(shè)計(jì)往往同時(shí)涉及多項(xiàng)內(nèi)容，且考慮到其使用環(huán)境的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須合理的選擇，努力提高壓力容器的安全系數(shù)，確保壓力容器在使用過(guò)程中的安全性與使用效果。本文將在對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單分析后，指出設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)地對(duì)策。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計(jì)；問(wèn)題；對(duì)策

壓力容器設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位。對(duì)于壓力容器而言，由于其使用環(huán)境的特殊性，如果設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致各種爆炸事故的發(fā)生，會(huì)嚴(yán)重威脅到群眾的生命健康安全。因此，有關(guān)部門或企業(yè)在壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升容器品質(zhì)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)不同部位所受壓力的不同選擇相應(yīng)地材質(zhì)、結(jié)構(gòu)型式、焊接方法，確保壓力容器質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)。壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及的層面較多，這也使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中更具復(fù)雜性，因此在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的各項(xiàng)質(zhì)量要求認(rèn)真分析，從而制定出科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、焊接技術(shù)等方面內(nèi)容進(jìn)行明確，確保壓力容器設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為壓力容器使用過(guò)程中的安全奠定良好的基礎(chǔ)。

1壓力容器設(shè)計(jì)方法

1.1常規(guī)設(shè)計(jì)

常規(guī)設(shè)計(jì)原理是彈性失效準(zhǔn)則，容器內(nèi)某一最大應(yīng)力點(diǎn)達(dá)到屈服極限，進(jìn)入塑性，喪失純彈性狀態(tài)即為失效。在應(yīng)力分析方法上，是以材料力學(xué)及板殼薄膜理論的簡(jiǎn)化計(jì)算為基礎(chǔ)，不考慮邊緣應(yīng)力、局部應(yīng)力以及熱應(yīng)力等，也不考慮交變載荷引起的疲勞問(wèn)題。所有類型的應(yīng)力均應(yīng)采用同一的許用應(yīng)力值，例如1倍許用應(yīng)力；為了保證安全，通常采用較高的安全系數(shù)，以彌補(bǔ)應(yīng)力分析的不足。

1.2分析設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)現(xiàn)代壓力容器的發(fā)展，分析設(shè)計(jì)放棄了傳統(tǒng)的彈性失效準(zhǔn)則，采用了彈塑性或塑性失效準(zhǔn)則，合理地放松了對(duì)計(jì)算應(yīng)力的過(guò)嚴(yán)限制，適當(dāng)?shù)靥岣吡嗽S用應(yīng)力值，但又嚴(yán)格地保證了結(jié)構(gòu)的安全性。我國(guó)的分析設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)為《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，是以第三強(qiáng)度理論即最大剪應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大剪應(yīng)力達(dá)到材料屈服時(shí)的最大剪應(yīng)力值，材料就發(fā)生屈服破壞。

2壓力容器設(shè)計(jì)存在問(wèn)題

2.1材料選擇問(wèn)題

壓力容器所使用的材料對(duì)其質(zhì)量、性能和安全性都具有直接的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往對(duì)材料涉及的相關(guān)因素考慮不全面，這必然會(huì)影響設(shè)計(jì)的質(zhì)量，也不利于壓力容器使用的安全性。另外，壓力容器材料選擇時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)性，但在具體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往更注意性能，而對(duì)經(jīng)濟(jì)性考慮有所欠缺。

2.2法蘭設(shè)計(jì)問(wèn)題

在當(dāng)前壓力容器設(shè)計(jì)工作中，法蘭設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所存在的問(wèn)題是比較突出和明顯的，尤其是尺寸和強(qiáng)度方面，經(jīng)常出現(xiàn)不滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求現(xiàn)象，降低了壓力容器設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，在使用過(guò)程中存在較大的安全隱患。造成這種問(wèn)題的根本原因，是在進(jìn)行法蘭設(shè)計(jì)時(shí)，出現(xiàn)較大計(jì)算誤差，導(dǎo)致法蘭設(shè)計(jì)匹配度角度，其尺寸和強(qiáng)度都不合理。

2.3使用壽命問(wèn)題

一般對(duì)任何一個(gè)產(chǎn)品的壽命均有要求，特別是像對(duì)壓力容器這類特種設(shè)備的使用壽命有著更高的要求，壽命太短會(huì)直接增加生產(chǎn)成本，一般對(duì)容器壽命的規(guī)定中，在初步設(shè)計(jì)時(shí)，將有關(guān)單位標(biāo)明好，并標(biāo)注預(yù)計(jì)使用的年限，而對(duì)于使用過(guò)的器具同樣要做好標(biāo)注，這一點(diǎn)往往很容易遭到忽視。

2.4溫度處理問(wèn)題

在壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)各種不同材質(zhì)拼合后選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間給予適當(dāng)?shù)臏囟?，確保各種金屬成本性能都能達(dá)到最佳狀態(tài)，這才能有效保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于鑄造和冷卻環(huán)節(jié)的溫度調(diào)試較為忽視，盡管不會(huì)對(duì)整體效果帶來(lái)不利影響，但一些細(xì)節(jié)部位如接口和底座等還會(huì)存在一些安全隱患。

3壓力容器設(shè)計(jì)對(duì)策

3.1合理選擇材料

在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)壓力容器材料的溫度、壓力、材料焊接屬性及不同溫度下的加工性能等多方面進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還要通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)工藝優(yōu)化來(lái)有效地降低材料成本。在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，主體受壓元件必須根據(jù)介質(zhì)特點(diǎn)和工作條件選出合適的鋼材種類，進(jìn)而確定用材牌號(hào)。所用鋼材要抗容器介質(zhì)腐蝕，確保使用壽命；其許用應(yīng)力還要在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度和壓力下能滿足容器的強(qiáng)度要求。一些特殊介質(zhì)可選用復(fù)合材料，基層用來(lái)滿足力學(xué)性能，與介質(zhì)接觸的復(fù)層用來(lái)抗介質(zhì)腐蝕，從而提高鋼材的合理利用。例如，在高硫壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，要限制材料中C、S、P、Ni等元素的含量，優(yōu)先選用Q245R等碳素鋼材。

3.2準(zhǔn)確計(jì)算法蘭值

法蘭設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)效果會(huì)直接影響到整體設(shè)計(jì)質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)法蘭設(shè)計(jì)的控制，對(duì)提高壓力容器設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量意義重大。國(guó)際上較為通行的壓力容器法蘭設(shè)計(jì)方法為Waters法。法蘭的應(yīng)力由三部分組成：法蘭力矩產(chǎn)生的應(yīng)力；由壓力直接作用于法蘭本體（包括法蘭環(huán)、錐頸和直邊段三部分）上引起的軸向和環(huán)向應(yīng)力（法蘭環(huán)上可忽略）；由組成法蘭的三個(gè)部分間由于壓力作用下變形協(xié)調(diào)引起的邊界力產(chǎn)生的應(yīng)力。在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)對(duì)壓力容器法蘭設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從法蘭結(jié)構(gòu)連接方式、受力特性、所用材料性能等幾方面進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)及使用要求，得到較為精準(zhǔn)的法蘭設(shè)計(jì)參數(shù)，包括法蘭設(shè)計(jì)尺寸、強(qiáng)度、厚度等，確保法蘭設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性，以提高壓力容器設(shè)計(jì)的安全系數(shù)。

3.3增長(zhǎng)使用壽命

設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高對(duì)壓力容器使用壽命問(wèn)題的重視力度，明確其具體壽命數(shù)值，在生產(chǎn)制造時(shí)應(yīng)以此作為標(biāo)準(zhǔn)，保證壓力容器質(zhì)量及性能的良好性，另外，壓力容器的維護(hù)與更新也需要參照該壽命數(shù)值進(jìn)行。對(duì)于設(shè)備使用年限的考慮，一般采用預(yù)計(jì)使用年限的做法，對(duì)使用年限做到一個(gè)把控，將影響設(shè)備使用年限的因素考慮在內(nèi)，比如哪一種優(yōu)質(zhì)材料能有效延長(zhǎng)壓力容器的使用壽命，比較同一材質(zhì)下，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)壓力容器底部是否會(huì)更加堅(jiān)固，計(jì)算公式為：容器底部受到的壓強(qiáng)P=P1+P2=ρ液gh+mg/S，并且不一樣的設(shè)計(jì)方案對(duì)容器的質(zhì)量也具有一定的影響，設(shè)計(jì)者要給予足夠的重視。

3.4科學(xué)控制設(shè)計(jì)溫度

壓力容器設(shè)計(jì)涉及到的一個(gè)重要技術(shù)就是熱處理技術(shù)，主要包括加熱、保溫和冷卻三個(gè)程序。這其中溫度調(diào)試是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，也直接關(guān)系到壓力容器的質(zhì)量。在進(jìn)行熱處理時(shí)，主要是在冷成型、溫成型的壓力容器元件方面，設(shè)計(jì)人員在開展設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)設(shè)備開展的主題做到心里有數(shù)，重視細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)問(wèn)題。在對(duì)壓力容器進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程和操作方式，在設(shè)計(jì)紙中清楚、詳細(xì)的標(biāo)注出來(lái)，并嚴(yán)格紙標(biāo)注內(nèi)容進(jìn)行，提高熱處理的規(guī)范化和程序化程度，實(shí)現(xiàn)更加理想的熱處理效果。此外，還應(yīng)該做好包括封頭、殼體、接管等各個(gè)部件的熱處理工藝，嚴(yán)格把控每一個(gè)部件的熱處理工藝，提升整體設(shè)計(jì)效果。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，壓力容器的設(shè)計(jì)必須遵循行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)人員務(wù)必認(rèn)真研究壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)以及法規(guī)的技術(shù)及管理規(guī)定，不斷提高解決壓力容器設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力，在滿足設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)要求的前提下提出最佳的設(shè)計(jì)方案，使其滿足功能需要的同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全可靠、節(jié)約成本的效果，確保壓力容器的使用質(zhì)量，提高相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)效益。

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