化工壓力容器設(shè)計不安全因素探究

周國風(fēng)

摘要：化工壓力容器是在化工行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種承壓設(shè)備，它使用的環(huán)境一般較為惡劣，如需要承受較高的溫度和壓力，承載的內(nèi)容物為有毒有害物質(zhì)、易燃易爆品或者是具有較強(qiáng)腐蝕性的樣品，這些條件就決定了化工壓力容器需要較高的質(zhì)量要求，需要具備極高的安全性。因此，在進(jìn)行化工壓力容器設(shè)計時需要綜合考慮各化工行業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)要求與特點，從設(shè)計方法上進(jìn)行改進(jìn)，更好的設(shè)計出耐酸堿腐蝕、承壓性能良好的壓力容器，助力化工行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：化工;壓力容器設(shè)計;不安全因素

引 言

現(xiàn)階段，多數(shù)工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營期間都大量應(yīng)用壓力容器，尤其是化工、煉油企業(yè)。壓力容器的可靠性和安全性會直接影響化工企業(yè)的生產(chǎn)安全，甚至影響企業(yè)的經(jīng)營。對于壓力容器來說，設(shè)計壓力和設(shè)計溫度的確定是最基本、最重要的設(shè)計問題。按照容器的設(shè)計規(guī)范與要求，必須合理選擇設(shè)計壓力，設(shè)計壓力是容器頂部的最高壓力，比工作壓力值略高。在進(jìn)行容器設(shè)計壓力確定時，應(yīng)當(dāng)先明確工作壓力以及安全系數(shù)問題。所以在初期規(guī)劃和設(shè)計過程中，就必須確保壓力容器的安全性和可靠性，在后期建造與安裝過程中，也需要注重合理性和規(guī)范性，全面維護(hù)化工企業(yè)壓力容器設(shè)計的實效性。

1 ?化工壓力容器的分類與設(shè)計要求

1.1 分 類

化工壓力容器是一種密閉裝置，具有較高的承壓能力，可以用來儲存化工產(chǎn)品，主要是液體與氣體的儲存。按承壓力能力劃分壓力容器可分為超高壓型、高壓型、中壓型、低壓型四種;按存儲內(nèi)容物的類別可劃分為無毒型、有毒型、劇毒型等;按容器生產(chǎn)工藝劃分為熱交換型、分離型、貯運型、反應(yīng)型四種。不同類型與功能的化工壓力容器，設(shè)計原理與方法不同，但在使用過程中也會出現(xiàn)各種問題，影響容器的使用，并對化工行業(yè)造成不利的影響，因此，需要重視壓力容器的設(shè)計。

1.2 設(shè)計要求

在進(jìn)行化工壓力容器的設(shè)計前，需要綜合考慮客戶的需求、制造使用的材料、容器的結(jié)構(gòu)、安全性、使用環(huán)境、容器盛裝的物質(zhì)等因素，綜合協(xié)調(diào)各種因素之間的關(guān)系，確保壓力容器滿足化工生產(chǎn)與使用的要求。目前，常用的設(shè)計方法包括常規(guī)與分析法兩種。常規(guī)的設(shè)計方法是利用彈性設(shè)計準(zhǔn)則，計算壓力、許用應(yīng)力、容器尺寸之間的關(guān)系是通過殼體薄膜理論或材料力學(xué)推導(dǎo)而來的，設(shè)計中的關(guān)鍵點是設(shè)計方法、載荷和許用應(yīng)力，它屬于經(jīng)驗設(shè)計方法，對壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材使用、工藝制作等，始終控制局部應(yīng)力，選用安全系數(shù)高的許用應(yīng)力，重視彈性失效問題，提高設(shè)計的安全性。分析設(shè)計方法是基于應(yīng)力分析數(shù)據(jù)，采用優(yōu)良的選材與工藝標(biāo)準(zhǔn)，秉承塑性失效與彈塑性失效的準(zhǔn)則，分類匯總應(yīng)力并逐一分析計算各應(yīng)力，針對不同的應(yīng)力產(chǎn)生與破壞應(yīng)力的形式，設(shè)計不同的元件厚度來應(yīng)對。避免了應(yīng)力設(shè)計中存在的各種不安全因素，并減少了材料的浪費，通過應(yīng)力針對性設(shè)計，降低材料發(fā)生塑性變形的可能性，提高壓力容器的載荷性能，因此，該技術(shù)在化工壓力容器的設(shè)計中被廣泛的使用。

2 ?壓力容器設(shè)計中的不安全因素

2.1 壓力容器使用年限過長

壓力容器會隨著使用年限的增加，性能逐漸的下降，質(zhì)量也會有一定的下降，如果使用的年限過長可能會引發(fā)安全問題，但是在實際的生產(chǎn)中很多化工企業(yè)都忽視了壓力容器的實際使用是壽命，很多已經(jīng)超過設(shè)計年限的壓力容器仍在使用之中，由于壓力容器部分零部件老化比較嚴(yán)重，導(dǎo)致壓力容易出現(xiàn)泄漏或者是其他安全風(fēng)險。因此壓力容器的設(shè)計需要盡量的提高容器的使用壽命，提升壓力容器的安全性。關(guān)于壓力容器的使用壽命問題很多化工企業(yè)都沒有重視起來，另外在壓力容器使用的過程中相關(guān)的維護(hù)保養(yǎng)工作也不到位，這在很大程度上加速了壓力容器的老化，化工企業(yè)不重視壓力容器的使用壽命以及維護(hù)保養(yǎng)工作的主要原因就是壓力容器的更換以及壓力容器的保養(yǎng)都需要一定的資金投入，這雖然可以在一定程度上為化工企業(yè)節(jié)省資金，但是卻給化工企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展帶來了不利的影響。

2.2 壓力容器的選材不合理

壓力容器的選材問題是影響整個設(shè)計效果的關(guān)鍵性因素，在進(jìn)行材料選擇的時候應(yīng)該結(jié)合壓力容器的應(yīng)用情況、結(jié)構(gòu)特征等進(jìn)行綜合考量，盡量滿足企業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的需要，嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行材料的選擇，避免壓力容器使用過程中出現(xiàn)滲漏或是腐蝕現(xiàn)象，還要結(jié)合相關(guān)的環(huán)境和人為因素進(jìn)行綜合考慮。

2.3 壓力容器熱處理問題

多數(shù)設(shè)計人員比較注重壓力容器的封頭和殼體的熱處理，沒有注重彎管的熱處理問題。按照鋼板熱處理的相關(guān)文件能夠看出，在一般情況下，必須對鋼板冷成型且變形量超標(biāo)的受壓元件進(jìn)行熱處理。當(dāng)壓力容器盛裝有較強(qiáng)腐蝕性或毒性液體時，鋼材厚度在成型之后會減少，并且會形成不均勻的殘余應(yīng)力，為了確保安全性，相關(guān)規(guī)范要求對于變形率超標(biāo)的設(shè)備必須通過熱處理工藝確保材料恢復(fù)原有性能，對容器殼體與封頭進(jìn)行熱處理。設(shè)計人員一般會特別注意該問題。但是在彎管設(shè)計期間，很多人卻容易忽視熱處理問題，從而導(dǎo)致材料出

現(xiàn)變形超標(biāo)導(dǎo)致的性能指標(biāo)不合格問題，不滿足相關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 壓力容器制作過程中容易變形

化工壓力容器的制作過程是非常復(fù)雜的，而且每個施工步驟都具有連帶效應(yīng)，其中一個施工步驟控制不好就很容易造成壓力容器的變形，比如多層筒體內(nèi)筒焊后再進(jìn)行層板焊接就很容易造成變形，對后期的使用過程的安全具有不利影響。如果壓力容器制作過程不注重細(xì)節(jié)很容易造成容器產(chǎn)生焊接裂縫，導(dǎo)致泄漏，嚴(yán)重影響使用過程中的安全性能。

2.5 壓力容器焊接問題

在制造壓力容器期間，也必須關(guān)注到焊接作業(yè)工藝。多數(shù)壓力容器質(zhì)量問題都會表現(xiàn)在焊接制造環(huán)節(jié)，壓力容器焊縫錯邊、未焊透、未熔合、裂紋、咬邊等都是嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素。因此，當(dāng)焊接工藝設(shè)計不理想時，就可能會降低容器的強(qiáng)度，導(dǎo)致容器承壓能力不足，質(zhì)量和安全性無法保證。

3 ?壓力容器設(shè)計中提升安全性能的有效措施

3.1 使用年限設(shè)計

針對目前壓力容器使用普遍超期的問題，在進(jìn)行壓力容器的設(shè)計時需要考慮到壓力容器的整體結(jié)構(gòu)，以及壓力容器的使用場景，通過優(yōu)化設(shè)計的方案，提升壓力容器的使用年限?？梢杂行У奶嵘龎毫θ萜鞯慕?jīng)濟(jì)性，提升使用的安全性。在設(shè)計環(huán)節(jié)中要特別重視提高壓力容器的耐腐蝕性，因為壓力容器的老化以及性能下降，在很大程度上都是由于老化導(dǎo)致的，通過提升壓力容器的耐腐蝕性，能夠有效的增加壓力容器的使用年限。另外，在進(jìn)行壓力容器的設(shè)計時，設(shè)計人員需要對引起壓力容器的不安全因素進(jìn)行逐項的分析，保證設(shè)計方案的科學(xué)性，全面性。

3.2 合理選擇設(shè)計材料

壓力容器設(shè)計階段的材料對其整體的安全性能具有重要作用，是設(shè)計合理的關(guān)鍵所在，所以應(yīng)該進(jìn)行壓力容器材料的合理選用，根據(jù)壓力容器的設(shè)計原則和使用要求進(jìn)行材料的選擇，還應(yīng)該充分考慮環(huán)境等方面的因素，選擇最優(yōu)的材料進(jìn)行制作，還應(yīng)該準(zhǔn)備一套材料備用方案，確保整個壓力容器的制作過程順利進(jìn)行。比如可以利用多層包扎式氨合成塔作為壓力容器的設(shè)計材料，氨合成塔筒體是一種具有很多優(yōu)勢的壓力容器基礎(chǔ)材料，能夠節(jié)約成本，底部的三通需要進(jìn)行高溫加工，剩余的配件只需要將溫度控制在200℃左右進(jìn)行制作，管筒材料一般都是16Mn，底部的三通材質(zhì)為15CrMo;在進(jìn)行鍋爐的材料選擇的時候應(yīng)該注重溫度和耐腐蝕性能的考慮，選擇較為合適的鍋爐材料配件，管材利用為12Cr2Mo1，殼程溫度控制在250℃左右，材質(zhì)選擇Q345R，還應(yīng)該考慮到高溫狀態(tài)下的熱管沖刷，應(yīng)該使用適

當(dāng)規(guī)格的防沖板促使得熱管的受熱均勻，更好地發(fā)揮換熱作用。

3.3 壓力容器的熱處理

熱處理工藝可以提升壓力容器的穩(wěn)定性與安全性，因此需要將熱處理工藝重視起來。在進(jìn)行壓力容器的熱處理時不僅需要對接口處以及外殼進(jìn)行熱處理，還需要對彎曲管道進(jìn)行熱處理，熱處理的溫度要嚴(yán)格的進(jìn)行控制，因為在高溫的作用下金屬材料會產(chǎn)生性質(zhì)的變化，不合理的溫度控制會使材料的基礎(chǔ)性能受到影響，導(dǎo)致在材料在焊接后會有較大的應(yīng)力，針對不同材料的熱處理應(yīng)該區(qū)別對待，防止因為熱處理不當(dāng)對壓力容器的整體性能造成影響。另外在壓力容器的加工

制作中，要防止因為工藝不當(dāng)導(dǎo)致的變形問題，需要格外重視焊接的工藝水平，在進(jìn)行焊接后的熱處理時，焊接處很可能出現(xiàn)碳化的現(xiàn)象，對壓力容器的整體穩(wěn)定性造成很大的影響，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與壓力容器的材料有很大的關(guān)系，因此需要重視壓力容器材料的選擇。每個加工環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，防止壓力容器的變形，從而提高壓力容器的穩(wěn)定性與安全性。

3.4 控制容器焊接變形

在焊接操作過程中，壓力容器可能出現(xiàn)變形問題，應(yīng)當(dāng)按照容器具體情況對焊接工藝進(jìn)行設(shè)計。在容器焊接時，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行整體定位組裝，之后再進(jìn)行焊接。為了確保焊接受力的均勻性，應(yīng)當(dāng)合理安排焊接順序。壓力容器組合焊接時，還應(yīng)當(dāng)注重焊接收縮量的數(shù)值問題。為了避免焊接部位出現(xiàn)變形，可以考慮使用反向預(yù)變形的焊接工藝，這樣有助于減少焊接變形問題。針對由于內(nèi)應(yīng)力所致容器變形問題，需要采用焊接后進(jìn)行熱處理的工藝。焊接內(nèi)應(yīng)力多出現(xiàn)于大溫度梯度情況下，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求考慮是否提前預(yù)熱容器的焊接區(qū)域到適當(dāng)?shù)臏囟?，避免焊接殘余?yīng)力及變形過大的問題產(chǎn)生。針對由于設(shè)計誤差所致變形問題，必須詳細(xì)檢查模具和樣板是否按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行設(shè)計，這樣能夠降低由于容器形位誤差所致變形問題。在降低形位誤差期間，應(yīng)當(dāng)深入分析熱脹冷縮問題，避免誤差過大，設(shè)計合適的預(yù)先收縮量并滿足制造要求。

3.5 提升設(shè)計人員設(shè)計水平

設(shè)計人員的設(shè)計水平是整個化工容器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過加強(qiáng)設(shè)計人員的企業(yè)制度的培訓(xùn)，提升設(shè)計人員遵守管理制度的意識。通過聘請專業(yè)技術(shù)人員對本企業(yè)的設(shè)計人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，培訓(xùn)的內(nèi)容應(yīng)盡可能的全面，包括專業(yè)知識、壓力容器安裝、維修、加工工藝等。

結(jié)束語

綜上所述，是本人對壓力容器設(shè)計的概念的分析，并對化工壓力容器設(shè)計中的不安全因素進(jìn)行解析，最后提出有效的措施提高壓力容器設(shè)計效果，促進(jìn)化工壓力容器的安全性的提升，保證化工企業(yè)的正常生產(chǎn)和運營。只有注重壓力容器的熱處理技術(shù)的實施、避免各項因素導(dǎo)致壓力容器的變形，對壓力容器的設(shè)計和制作材料不斷強(qiáng)化，就能不斷提高化工壓力容器的可靠性和安全性，為化工企業(yè)實現(xiàn)更多的經(jīng)濟(jì)利益打下基礎(chǔ)。

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