壓力容器設計的一般要求及技術進展

摘 要：隨著經濟的快速發展，壓力容器的應用范圍也越來越廣泛。有很多的壓力容器都應用在非常嚴峻的工作狀況下，為了能夠保證壓力容器的正常運轉，我們應該在設計、加工、檢驗等程序上制定出更加嚴謹科學的制造體系。本文主要闡述了石油、化工方面使用的壓力容器需要具備的幾個方面，進一步支出了壓力容器技術進展。

關鍵詞：壓力容器；設計；塑性失效；疲勞設計

1 壓力容器設計的要求

石油和化工工業是我國工業中的重要組成部分，在實際的生產過程中，對設備的使用要求十分高，一旦任何一臺設備出現問題，就會直接影響到加工效率，甚至不能繼續生產。所以我們應該加強壓力容器的生產精度，具體來說，應該滿足一下五個方面。

1.1 保證完成工藝生產

由于石油、化工工業的特殊性，應該保證壓力容器能夠承擔起加工過程中的壓力、溫度、規格、結構等方面的要求，提高自身的應用性能，進一步提高壓力容器在工業生產中的使用效率。例如在氮肥生產過程中需要保證氨的合成率，主要和氨的合成壓力有直接關系。但是因為壓力容器的設計壓力超過了氨合成要求的壓力，所以必須降壓使用，這就會導致氨合成率江都，進而提高氨加工的生產成本。

1.2 運行安全可靠。由于化工生產中有很多的原料本身就具有一定的腐蝕性和毒性，一旦泄露就會導致嚴重的后果，甚至引起火災或爆炸危及人員的生命。特別是壓力容器內部容易存儲一定的壓力能量，一旦遭到破壞，就會導致容器內的能量瞬間釋放出來，造成十分強大的破壞力。壓力容器并不是獨立工作，二十和其他設備聯系在一起的，一旦容器發生事故，不僅和導致自身出現問題，也會直接影響其他設備的正常工作，造成連續性的破壞。所以就要求壓力容器生產過程中，嚴格地保證壓力容器上的每個零件都具有足夠的強度和穩定性，而且能夠針對不同的使用工況做出適當的調整。

1.3 預定的使用壽命。石油化工中有很多的材料具有極強的腐蝕性，所以盛裝這些材料的壓力容器壁特別容易因為腐蝕而變薄，甚至被腐蝕穿，所以我們在壓力容器設計中應該考慮到增強容器壁的腐蝕程度，進而延長壓力容器的使用年限。針對一些強腐蝕性的物料，應該選擇在容器內部表面增加合適抗腐蝕材料，進而避免壓力容器被腐蝕。

1.4 制造、檢驗、安裝、操作和維修方便。為了保證生產的壓力容器的安全性能，我們應該盡可能地保證壓力容器的結構簡單和容易生產，這不僅能夠保證容器的生產質量，而且如果有生產缺陷的話也可以及時地發現并找到解決的辦法。此外通過實現這一要求，我們可以滿足具有特殊使用要求的容器生產，例如對頂蓋來說需要比較笨重的主螺栓，而對于那些需要清洗的設備來說，需要有手孔的容器。這樣做還可以減少生產成本，節約資金。

1.5 經濟性。除了以上的要求外，還應該在壓力容器設計時考慮到經濟性，盡量保證壓力容器的結構簡單、加工方便等，盡可能地解決材料，節省制造成本。

2 壓力容器設計技術的進展

2.1壓力容器應力、應變的詳細分析與評定

對壓力容器應力、應變的詳細分析與評定，其實質就是運用較精確的計算應力分析和實驗應力分析方法，對其強度進行全面的校核。不同性質的應力具有不同的重要性，它們對容器破壞所起的作用不同，導致容器失效的形式也各不相同。容器各部位實際應力、應變狀態分析的完善精確程度，是進行全面強度校核的基礎。目前，許多國家在設計要求較高的容器時，均應用近代的計算應力分析和實驗應力分析技術，詳盡分析各種應力的實際情況，并廣泛接受與采用美國ASME 規范第1卷第2 冊中確定的應力分類法，以及對各類應力強度的限制，將容器中不同的應力分別限制在不同的數值，以防止可能出現的各種失效。和傳統的設計方法相比，詳細的應力分析方法既降低了安全系數，減輕了產品重量，節約了材料，又有效地防止了不同應力可能引起的不同失效，確保了容器的運行安全，具有多方面的優越性。

2.2 塑性失效設計方法的研究

塑性失效設計準則是建立在彈塑性理論基礎上的。對于局部薄膜應力、彎曲應力的應力強度，可以允許有較大的許用數值，亦即允許出現局部塑性變形，而又不導致失效，這就是塑性失效設計準則。對于只在局部地區發生的局部薄膜應力和沿壁厚方向非均勻分布的彎曲應力而言，當其最大應力達到屈服極限時，只能引起局部屈服，而容器大多數區域仍處于彈性狀態，因而不會導致失效。在這種情況下，如果還以彈性失效作為破壞準則，就會使大部分材料的潛力得不到發揮。

2.3 疲勞設計

材料在反復交變載荷作用下的破壞稱之為疲勞。疲勞破壞時沒有明顯的塑性變形。在以往設計壓力容器時，疲勞并未作為一個重要因素加以考慮，這是因為壓力容器和回轉構件不同，在它使用期間并不承受高循環周次的交變載荷，而且以往的設計應力較低（即安全系數較大），壓力容器用鋼又多為塑性良好的材料，因此，疲勞問題在壓力容器中并不突出。

近年來，各國設計規范的安全系數普遍降低了，因而提高了容器的設計應力，這樣，開孔接管等處的局部峰值應力可能超過了材料的屈服極限。此外，隨著容器的大型化，各種高強度低合金鋼日益普遍采用，這些鋼種在制造過程中容易產生裂紋及其他缺陷，從而增加了疲勞破壞的危險性，據統計在壓力容器破壞事故中，由于疲勞裂紋逐漸擴展而引起的破壞，約占事故總數的百分之四十，其中多數引起容器泄漏，但也有突然破裂而造成災難性事故。因此，疲勞問題的研究日益引起各國的重視。

壓力容器的疲勞問題屬于應變控制的低循環疲勞。它的特點是應力水平很高，其峰值應力甚至可能超過材料屈服極限的兩倍，而失效的循環次數較低，通常在102 105 次之間。

2.4 概率設計

概率設計是用近代數理統計的方法，全面評價容器的安全程度和經濟合理性。失效的可能性大小可用概率設計計算，同時，概率設計可以根據某一具體產品所要求的最低可靠性概率，向各個零部件合理分配其必須具備的可靠性概率，這樣，既滿足了總體要求，又改善了經濟性。

3 結束語

綜上所述，生產出合格的壓力容器，不僅應該考慮以上五點，還應該根據生產實際情況酌情改變。而且一臺壓力容器要想滿足以上提到的五點要求也是十分不容易的。在實際的設計過程中還是應該根據實際需求進行壓力容器設計生產，分清楚主要要求和次要要求。由于壓力容器使用工況的危險性，所以我們至少應該保證壓力容器產品的質量和安全運行，這也是壓力容器生產的最基本要求。隨著市場經濟的快速發展，計算機應用技術的廣泛應用，這十分有利于壓力容器的設計，也提高了壓力容器在實際工作過程中的使用效率。為了生產出高標準的壓力容器，生產企業也應該提高設計和生產人員的專業素質。

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