淺談壓力容器設(shè)計(jì)中的常見問題及對策

于巧玲

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

1 壓力容器的相關(guān)內(nèi)容

1.1 壓力容器的概念與分類

壓力容器的含義是，可以承載一定壓力，用來盛裝氣體或者液體的密閉性設(shè)備。就其承壓等級而言，它涵蓋了超高壓容器、高壓容器、中壓容器與低壓容器。就盛裝介質(zhì)而言，它涵蓋了劇毒、非易燃無毒、易燃有毒等。從壓力容器的類型來看，它涵蓋了貯運(yùn)容器、分離容器、換熱容器與反應(yīng)容器。如下圖1、圖2。

圖1 易燃容器

圖2 超高壓容器

1.2 壓力容器的重要性

壓力容器應(yīng)用廣泛，尤其在石化領(lǐng)域中的作用十分重要。它的功能性非常特殊，稍有不慎就可能造成人身財(cái)產(chǎn)損失。因?yàn)檫@種破壞性，容器被界定為特種設(shè)備。在建造安裝壓力容器的過程中，其設(shè)計(jì)會(huì)在很大程度上影響其可靠性與安全性，壓力容器的設(shè)計(jì)會(huì)對生命安全和生產(chǎn)安全產(chǎn)生很大影響。壓力容器的設(shè)計(jì)和制造要具有較強(qiáng)的專業(yè)性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該具備較強(qiáng)的綜合素質(zhì)和高超的專業(yè)素養(yǎng)，其材料選擇，強(qiáng)化措施，受力分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，操作簡便、制造安裝、檢驗(yàn)、維護(hù)與使用等，都應(yīng)該綜合考慮。但是在設(shè)計(jì)壓力容器的過程中，一些生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)人員，不能完整地理解國家標(biāo)準(zhǔn)或制造安裝規(guī)范，嚴(yán)重依賴計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中不能周密地考慮，設(shè)計(jì)條件過度理想化。如此以來，在設(shè)計(jì)壓力容器的過程中，形成了安全隱患，對壓力容器的可靠性和安全性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

2 壓力容器的設(shè)計(jì)要求與常見問題

2.1 壓力容器的設(shè)計(jì)要求

石化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是復(fù)雜而且存在危險(xiǎn)，其中壓力容器的質(zhì)量安全，一旦發(fā)生事故，會(huì)直接危及生產(chǎn)過程的安全性等，因此，應(yīng)用于石化產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程的壓力容器，一般要達(dá)到以下要求。

（1）確保實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)。石化領(lǐng)域用到的壓力容器，必須要滿足生產(chǎn)工藝規(guī)定的溫度、壓力要求，符合生產(chǎn)工藝的相關(guān)規(guī)格(比如容積、厚度、直徑)與結(jié)構(gòu)（密封、開孔接管）。

（2）運(yùn)行可靠安全。在化工生產(chǎn)的過程中，物料通常具有較強(qiáng)的毒性與腐蝕性，易于燃燒并導(dǎo)致火災(zāi)，乃至于出現(xiàn)爆炸等在內(nèi)的各種惡性事故。壓力容器在實(shí)際工作的過程中，一定能量存儲(chǔ)于其中，一旦遭受破壞，儲(chǔ)存于壓力容器中的能量，會(huì)在非常短暫的時(shí)間內(nèi)釋放出來，具有極大的摧毀力。

（3）預(yù)定的使用。按照我國《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG—2016），其中第3.1.3設(shè)計(jì)條件和3.1.4設(shè)計(jì)文件中，明確要求設(shè)計(jì)單位應(yīng)在設(shè)計(jì)圖樣上注明壓力容器設(shè)計(jì)使用年限和有關(guān)參數(shù)等內(nèi)容，以為防止壓力容器超年限運(yùn)行引發(fā)安全問題。滿足與之相應(yīng)的強(qiáng)制要求。以下是科學(xué)的設(shè)計(jì)途徑：設(shè)計(jì)人員在決定其設(shè)計(jì)使用年限的情況下，盡可能地關(guān)注相關(guān)因素帶來的影響，科學(xué)地確定材料與腐蝕裕量，制定檢驗(yàn)、制造、操作的要求，一個(gè)非常主要的因素就是腐蝕裕量。所以，在設(shè)備使用的過程中，應(yīng)該限定它的最大腐蝕速率，按照腐蝕裕量與最大速率，能夠反推出壓力容器的最大使用年限。設(shè)計(jì)人員只要規(guī)定了壓力容器的最大腐蝕速率等相關(guān)工況，就能夠得出清楚的結(jié)論。必須要指出的是，其設(shè)計(jì)年限未必等于它的實(shí)際使用年限，使用年限是設(shè)計(jì)人員按照設(shè)備的預(yù)期運(yùn)用條件，估計(jì)設(shè)備的使用壽命，它的作用是提示各位監(jiān)督者與使用者。

如果超過了它的設(shè)計(jì)年限，必須采用必不可少的措施，如縮小檢驗(yàn)周期、定期測量厚度等，以規(guī)避發(fā)生安全事故。所以，不管是依據(jù)世界上設(shè)計(jì)壓力容器的慣例，抑或是為了增強(qiáng)設(shè)計(jì)的權(quán)威性與水平，必須在設(shè)計(jì)圖紙上注明它的設(shè)計(jì)使用年限。如此以來，才能切實(shí)表明對設(shè)備的可靠性、對用戶的安全性高度負(fù)責(zé)。

（4）便于制造、檢驗(yàn)與交裝以及維修、操作。這個(gè)規(guī)定的主要目標(biāo)，首先是出于安全性的需要，這是因?yàn)?，易于探傷、制造和結(jié)構(gòu)簡單的儀器和設(shè)備，易于保障它的品質(zhì)，哪怕存在著部分超標(biāo)缺陷，也可以精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)它們，有利于第一時(shí)間消除它們。其次，它主要是為了達(dá)到部分特殊的應(yīng)用需求，比如試驗(yàn)容器的頂蓋經(jīng)常需要裝拆，它的密封結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能采取快拆形式，規(guī)避采取笨重的主螺栓連接；如果容器的內(nèi)件需要定期維修、清洗，應(yīng)該設(shè)置必不可少的手孔或者人孔；此外，這些措施會(huì)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約制造容器的費(fèi)用與成本。

（5）經(jīng)濟(jì)性。在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)簡單的結(jié)構(gòu)，便于制造，質(zhì)量較輕，可以節(jié)約價(jià)值較大的原材料，減少制造成本和維修費(fèi)用。

2.2 壓力容器設(shè)計(jì)中的常見問題

（1）使用年限設(shè)計(jì)中的問題。在實(shí)際設(shè)計(jì)壓力容器的過程中，使用年限方面的設(shè)計(jì)居于重要地位,是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如今，在設(shè)計(jì)它的使用年限時(shí)，有一定缺陷與問題，它重點(diǎn)體現(xiàn)在下列兩個(gè)領(lǐng)域：第一，有關(guān)設(shè)計(jì)人員對其使用年限不能高度重視,在此基礎(chǔ)上，他們在設(shè)計(jì)壓力容器的過程中，不能具體地標(biāo)注壓力容器的使用年限，給后續(xù)的使用與生產(chǎn)帶來了相當(dāng)多的困擾，甚至?xí)l(fā)生安全性問題。第二，在設(shè)計(jì)部分壓力容器時(shí)，盡管它的使用年限已經(jīng)被標(biāo)注，然而這些使用年限數(shù)值一般都是按照設(shè)計(jì)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)而加以判斷和標(biāo)注的，易于發(fā)生許多偏差問題。這也是如今使用年限設(shè)計(jì)中普遍的問題。

（2）壓力容器材料選擇的主要問題。材料是非常關(guān)鍵的因素，它會(huì)在很大程度上影響機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際性能，使用不同材料制成的產(chǎn)品，具有不同的屬性，如果這些原材料的質(zhì)量未能達(dá)到，會(huì)對成品性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。它也適用于壓力容器的產(chǎn)品性能，材料問題是設(shè)計(jì)壓力容器中的一個(gè)主要問題。使用壓力容器的環(huán)境非常惡劣，易于遭受腐蝕等負(fù)作用。所以，在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，會(huì)選用優(yōu)良的施工材料。

圖3 不銹鋼管道

圖4 鍍鋅管道

（3）壓力容器材料代用后的設(shè)計(jì)更改。通常情況下，以厚代薄會(huì)讓殼體的受力從原來的平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)，非常不利于壓力容器設(shè)備的受力狀態(tài)，厚壁容器易于出現(xiàn)三向拉應(yīng)力方面的平面應(yīng)變脆性斷裂。①容器采取了原設(shè)計(jì)中和封頭間屬于等厚度焊接的方式，如對容器殼體中的極少數(shù)部件采取了以厚代薄的操作，只增大了封頭的厚度，但是筒體厚度沒有發(fā)生變化，容器殼體自身的幾何不連續(xù)程度肯定會(huì)增大，導(dǎo)致應(yīng)力集中，增加了筒體進(jìn)而封頭連接位置的局部應(yīng)力，在很大程度上危害具備應(yīng)力腐蝕性的容器。如果容器受到了交變載荷，可能會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，嚴(yán)重者會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。②在厚板代替薄板時(shí)，通常情況下連接結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，如厚度增大的封頭連接相關(guān)筒體時(shí)，一般情況下，首先彼此對封頭開展外削邊處理。如果筒體設(shè)施由管道做成，在筒體壁厚度增大的情況下，封頭與筒體之間的連接處，部分情況下應(yīng)該對筒體側(cè)作內(nèi)削邊進(jìn)行及時(shí)的處理。在筒體與平蓋和管板的對焊連接結(jié)構(gòu)中，存在著同樣的問題。在厚度增加較大的情況下，焊接結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定變化。比如殼體中A、B類對接上頭的焊縫，可能從之前的單V型(適用于5mm～20mm板材)過渡到X型坡口(適用于16mm～60mm板材)。改后能夠規(guī)避缺陷的存在，降低焊縫填充量，降低焊接殘余的應(yīng)力與變形，焊接接頭自身的金屬使用性能也得到了較大增強(qiáng)。如圖3、圖4所示。

（4）壓力容器氣密性試驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。在穩(wěn)步促進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程的過程中，壓力容器被越來越多地運(yùn)用到化工、軍工、石油、能源等多個(gè)領(lǐng)域中，在此過程中，這些行業(yè)不斷提升對壓力容器的設(shè)計(jì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和要求。對于介質(zhì)毒性程度為極度、高度危害以及介質(zhì)為TIBA和TEAL的設(shè)備，必須進(jìn)行氣密性實(shí)驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)的含義是，利用相關(guān)操作和試驗(yàn)，對壓力容器的相關(guān)聯(lián)結(jié)部位有沒有泄漏現(xiàn)象進(jìn)行檢驗(yàn)。通常情況下，在使用盛裝了危害性較大、毒性較高的介質(zhì)的壓力容器前，務(wù)必要開展氣密性測試。有的操作人員不能高度關(guān)注氣密性試驗(yàn)的實(shí)際過程，或者他們?nèi)狈^高的專業(yè)素質(zhì)，不能勝任氣密性試驗(yàn)的操作，造成了不準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。如果壓力容器的氣密性不達(dá)標(biāo)，但卻被投入使用，可能會(huì)泄漏相關(guān)介質(zhì)，危害比較嚴(yán)重。

（5）焊接接頭無損檢測過程中的主要問題。通常情況下，焊接接頭無損檢驗(yàn)涵蓋了兩個(gè)部分，分別是外部檢驗(yàn)與內(nèi)部檢驗(yàn)。前者是指有關(guān)人員采取量具或者目測等方式進(jìn)行測量檢驗(yàn)；后者是指采取紅外檢驗(yàn)、超聲檢驗(yàn)、射線檢驗(yàn)、渦流檢驗(yàn)、磁粉檢驗(yàn)等方式。開展無損檢測的主要目標(biāo)，是確保全部接頭均處于良好的接觸狀態(tài)，讓壓力容器可以正常地開展工作。因此必須檢測全部焊接結(jié)構(gòu)。然而有的工作人員不能高度重視無損檢驗(yàn)的極端重要性，在檢測中敷衍了事，檢測過程缺乏嚴(yán)格性，不能及時(shí)找出各自問題，對后續(xù)的容器使用產(chǎn)生了影響。如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 壓力容器焊接

圖6 管道焊接探傷檢測

圖7 法蘭與管道焊接圖

3 壓力容器設(shè)計(jì)常見問題的解決措施

3.1 改進(jìn)使用壽命設(shè)計(jì)的策略

就其設(shè)計(jì)使用年限而言，設(shè)計(jì)人員必須依據(jù)壓力容器的各項(xiàng)指標(biāo)和規(guī)定，從多個(gè)方面分析和思考，切實(shí)依據(jù)最新版本的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG—2016）的相關(guān)規(guī)定和指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這也是設(shè)計(jì)人員必須要恪守的基礎(chǔ)性原則，也就是說，各張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙中均須注明其設(shè)計(jì)使用年限的情況。為了科學(xué)地設(shè)計(jì)它的使用年限，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該最大限度地分析和把握它的具體使用環(huán)境，增強(qiáng)它的可靠性等，盡可能地降低相關(guān)的安全隱患；按照它使用的各種材料，測算其外部與內(nèi)部的壓力差，耐腐蝕性能力等，從而求出它的腐蝕性承受度，更科學(xué)的計(jì)算它的使用年限。

3.2 防范設(shè)計(jì)材料變更的策略

在選擇設(shè)計(jì)材料方面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該高度重視材料的力學(xué)特性、來源和特性，查看其能否滿足容器的耐腐蝕性要求和使用條件等。用戶提出變更壓力容器的相關(guān)要求時(shí)，設(shè)計(jì)人員既要關(guān)注材料減少可能造成的安全隱患，又要重視由于材料增加而觸發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)的可能性。如要求容器變薄，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該重新分析壓力容器的具體受力情況，在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算出容器能夠承擔(dān)的最高減薄程度。在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，工作人員應(yīng)該對材料變更高度重視起來，實(shí)施更主動(dòng)的應(yīng)對策略。

3.3 氣密性試驗(yàn)中主要問題的防范策略

為了預(yù)防泄漏毒性介質(zhì)，相關(guān)人員應(yīng)該做好壓力容器的氣密性試驗(yàn)。第一，在進(jìn)行試驗(yàn)前，必須要開展液壓試驗(yàn)，確保它的液壓達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。第二，在進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該確保所安裝的全部安全附件都已經(jīng)齊全，確保試驗(yàn)過程的可靠性與安全性。第三，在開展氣密性實(shí)驗(yàn)的過程中，應(yīng)該科學(xué)地選用所用氣體，理想選項(xiàng)是清潔、干燥的氮?dú)饣蛘呖諝獾?，這些都是惰性氣體，反應(yīng)很慢。而且，在氣密性試驗(yàn)中，應(yīng)該逐步增加它的壓力，堅(jiān)決不可迅速把壓力提高到所需壓力位。在升高到提前確定的壓力位后，這個(gè)壓力必須保持足夠長的時(shí)間，把壓力降低到提前確定的壓力位。然后，對壓力容器的全部連接部位或者焊縫，涂上肥皂水，開展全方位的檢查。假如壓力容器各個(gè)部位均未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，應(yīng)該認(rèn)定該壓力容器是合格的；假如出現(xiàn)了部分泄漏的情況，必須修補(bǔ)該壓力容器，然后再次開展氣密性試驗(yàn)。如果壓力容器由低合金鋼或者碳素鋼制作而成，應(yīng)該對試驗(yàn)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保最低溫度不低于5℃。

3.4 焊接接頭無損檢測問題的相關(guān)防范策略

雖然如今人們可以采取很多方法，對焊接接頭進(jìn)行無損檢驗(yàn)，然而工作人員在具體應(yīng)用中，仍然應(yīng)該采用合理的檢驗(yàn)方法。通常情況下，射線檢測對夾渣、氣孔等體積性的不足更加敏感，但是不能準(zhǔn)確地檢測面狀的缺陷。所以，在對壓力容器進(jìn)行無損檢驗(yàn)，以查看是否存在內(nèi)部缺陷時(shí)，應(yīng)該結(jié)合具體的生產(chǎn)加工狀況，慎重地分析。在此過程中，如采用不同方法檢測同一位置時(shí)，工作人員應(yīng)該采取不同的檢測標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)決不可采取同樣的檢測標(biāo)準(zhǔn)來對待不一樣的檢測方法。在完成了無損檢驗(yàn)后，工作人員應(yīng)該對重點(diǎn)部位實(shí)施抽檢，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性。隨著科技持續(xù)發(fā)展，有關(guān)人員應(yīng)該抓好科研工作，持續(xù)提升無損檢測的水平，盡可能地借助最新的物理成果與技術(shù)，切實(shí)增強(qiáng)無損檢測的定位準(zhǔn)確性；強(qiáng)化其自動(dòng)化技術(shù)，增強(qiáng)自動(dòng)化檢測的能力與效率等。

4 結(jié)語

壓力容器的設(shè)計(jì)，會(huì)對生命安全和生產(chǎn)產(chǎn)生很大影響。因此，在壓力容器的設(shè)計(jì)上，要高度重視其使用年限、材料選用與更換、氣密性以及焊接等設(shè)計(jì)方面的問題。上文對這些問題進(jìn)行了研究和分析，并提出了相應(yīng)的策略。