對壓力容器設計中的一些問題的探討

【摘 要】壓力容器廣泛應用于化工、石油、機械、冶金、核能、航空、航天等部門，是生產過程中必不可少的核心設備。其中多數壓力容器的操作工況和使用介質具有高壓、高溫、強腐蝕性，或具有易燃易爆等特點，潛在著不安全因素，故對設計者水平要求相當高。設計時首先需要根據給定的工藝條件，還需遵循國家的相關規范和標準的最新版本進行設計，在確保安全的前提下，從經濟性、合理性選用合適的材料，并從結構、強度（剛度）等各方面因素綜合考慮設計。

【關鍵詞】壓力容器；設計；問題；探討

0 引言

對于壓力容器的設計來說，其技術規定是非常嚴格的，可是很多的規定都是從總體進行考慮，在內容上覆蓋的技術很廣泛，有著原則性的規定，對設計人員有著很高的要求，需要他們不僅要進行全面的分析和深刻的領會，而且還要具體問題具體分析，對于具體的條件要按照與之對應的技術規定來執行，只有這樣才能完成合理設計、準確貫徹的目標。不然，很可能會陷入技術的誤區，出現一些設計內容不合理的現象。

壓力容器在投入運行前，需要經過多個環節的監督和檢查，分別是：設計、制造、檢驗、安裝和運行監督等， 而設計屬于最重要的環節。這一環節必須要按照實用的規范和標準來。為確保壓力容器可以和我國的新工藝、新技術以及新材料這些方面的發展相適應，必須要對國家的規范和標準進行定期審查并做出修訂。

1 壓力容器的簡介

由于近年來我國經濟的飛速發展，伴隨著經濟的發展，我們在技術和科技等方面進步也很大，所以這為壓力容器的應用提供了廣闊的市場。對壓力容器進行整體制造的過程中，設計是整個制造環節中最為關鍵的步驟，設計的準確和恰當與否將會直接關系到壓力容器的制造和自身檢驗等等諸多環節，是一個牽一發而動全身的關鍵環節。壓力容器一般泛指在工業生產中用于完成反應、傳質、傳熱、分離和儲存等生產工藝過程，并能承受壓力載荷（內力、外力）的密閉容器。為了使壓力容器在確保安全的前提下達到設計先進、結構合理、易于制造、使用可靠和造價經濟等目的，所以國家制定了相關壓力容器的標準、規范和技術條件，對壓力容器的設計、制造、檢驗和使用等提出具體和必須遵守的規定。

2 壓力容器設計時的注意事項

對于壓力容器設計來說，我們需要確保其在運行過程中能夠安全可靠的運行。眾所周知，壓力容器中盛裝的介質往往都是一些具有有毒有害、具有強烈腐蝕性的物質，又或具有易燃易爆的特性，這樣一來一旦發生泄露或者斷裂破壞就可能會出現火災甚至爆炸事故的發生，造成人民生命財產的嚴重損失。所以，在對其進行操作使用時，我們的工作人員切記要十分穩妥安全的按照規定操作。同時，由于生產都是連續性的操作，所以這對壓力容器來說是一個挑戰，同時也會對壓力容器或多或少的損壞，更甚是可能會對其他的相連的設備帶來一定的安全威脅，而且還會造成連鎖反應，導致的諸多的損壞。因此，壓力容器的設計一定要嚴格的進行，不僅需要其在自身的使用過程中能夠耐受高低溫的變化，而且還要能夠耐受腐蝕，能夠在疲勞狀態下保持生產工作等等一些綜合的因素。

3 壓力容器設計中的一些問題

3.1 材料的選用

壓力容器的用途極為廣，工作條件也千差萬別，因此在容器的設計過程中正確地選擇材料是一件極為復雜而又特別重要的工作。很多壓力容器造成事故的重要原因之一就是選用材料不當。因此在選材時不僅要考慮設備的設計溫度、設計壓力、介質特性、冷熱加工性能、材料的焊接性能、熱處理以及容器的結構等，此外，還要將其經濟的合理性考慮在內，對于毫無根據的將鋼板的等級提升是不正確的。對于一些結構尺寸相對較大且設計壓力相對較高時，設計時要將設備的殼體壁厚加大，如果這時仍然選用碳素鋼（如Q235）作為 殼體材料將會致使壁厚增大，從而質量增加，這樣不僅會增加金屬材料的使用，并且還會提高整個制造、土建基礎、運輸、安裝等的費用，最終會將總的工程造價提高。因此總的選用原則可根據HG/T20581-2011 《鋼制化工容器材料選用規定》的選材原則進行選用。

3.2 管殼的壓力設計

對于壓力容器的管殼壓力進行設計時，需要注意的是：首先全部都是正壓；其次進行實驗時壓力容器的殼程壓力不能高于管程的試壓壓力，所以這對設計人員的要求有了提高，在進行設計時注意對試驗殼程壓力的利用，讓其可以將壓力容器設計管程壓力的數值提高。設計人員懂得上述方法之后，必須要審核和校對圓筒自身在試驗水壓下周圍的向應力情況，不僅如此，還要重視其他的一些能夠耐受到壓力的元件的結構和強度。管道中的法蘭是有等級區分的，如果將試驗殼程水壓進行提升以后，還按照一些相關的正常操作的要求來選擇與之對應的殼程管法蘭的等級壓力，這樣設計出來的產品一定會對以后所設計出來的壓力容器產生負面的影響。所以，要求這幾人員嚴格的根據相關的標準和規程，控制試驗水壓的壓力1.5倍于規定溫度下沒有工作沖擊時候的壓力。對管板自身的強度也是有要求的，為了安全起見，在試驗殼程的壓力快到達試驗殼程壓力的等級上時，我們要先對管板進行校核。

3.3 設備法蘭與殼體間的焊縫無損檢測要求

設備法蘭與殼體間焊縫的探傷要求很容易被設計者忽略，長頸對焊法蘭或許還好，因為一般用到對焊法蘭的時候的工況都是比較苛刻的，設備本身就會要求100%探傷。當然也有特殊情況設備局部探傷的時候，長頸法蘭與筒體的對焊環縫仍需100%探傷，而且合格級別是RT-II級或者UT-I級，有點類似于封頭拼焊，相同的是都要100%探傷，不同的是封頭的合格級別可以跟隨設備主體走，而法蘭的合格級別卻總是要按高級別要求。長頸法蘭為什么要如此高要求？主要是因為長頸法蘭直邊段與圓筒的對接環縫不僅承受圓筒中內壓引起的軸向薄膜應力，還承受由法蘭力矩引起的軸向彎曲應力，由于法蘭設計中對軸向彎曲應力是按許用值的1.5倍進行控制，其中不計焊接接頭系數，即認為焊接接頭系數為1.0，所以對接環縫應該按100%探傷，合格級別Ⅱ級。最容易讓設計者忽略的是甲型、乙型平焊法蘭，法蘭與圓筒或短節之間的連接焊縫，由于是角焊縫，很多時候設備探傷對角焊縫沒有要求，這就容易忽略。所以設計者如果在設備對角焊縫無檢測要求的時候，應在技術要求中對法蘭處的角焊縫作出說明，表面進行100%磁粉或滲透檢測，檢測方法按JB/T4730，合格級別Ⅰ級（鐵磁性材料制法蘭焊接接頭表面檢測應當優先采用磁粉檢測）。

4 結論

在設計壓力容器時，我們一定要按照我國現行的設計規范進行設計，而且還要要求設計者在進行設計時，選擇出最優的設計方案，并且還要其能夠滿足一些特殊的要求，例如：節約成本、功能需要和安全可靠等。當然，在壓力容器的設計、制造和檢驗的過程中，也會出現對壓力容器的法規、標準和規范的理解不夠透徹的地方，所以，我們要對其進行分析、總結和學習。此外，我們還要加強同行業間的技術和經驗的交流，更好的熟悉設計中的各項標準與規范，這樣才能夠讓我們避免犯一些原則性的錯誤，提高我們設計壓力容器的能力，確保所設計的壓力容器安全可靠的運行。

【參考文獻】

[1]TSGR0004-2009 固定式壓力容器安全技術監測規程[S].

[2]TSGR0004-2009 固定式壓力容器安全技術監測規程.釋義[S].

[3]GB150.1～150.4-2011壓力容器[S].

[4]HG/T20580～20585-2011中華人民共和國化工行業標準化[S].

[5]NB/T47020～47027-2012 壓力容器法蘭、墊片、緊固件[S].

[責任編輯：周娜]