論壓力容器設計中存在問題及預防

蒙積雄（湖北三江航天江北機械工程有限公司,湖北　孝感　432000）

論壓力容器設計中存在問題及預防

蒙積雄
（湖北三江航天江北機械工程有限公司,湖北孝感432000）

摘要：隨著工業技術的不斷發展，被廣泛應用于工業生產的壓力容器的應用設計在工業設計中占有重要地位，良好的設計對其安全使用有著十分重要的意義，本文針對車載氣瓶，分析了壓力容器設計中常見的問題以及相關預防。

關鍵詞：壓力容器；設計；問題；預防

0　引言

工業領域的多個行業都會用到壓力容器，尤其在石油化工、汽車工業中，壓力容器更是占據重要地位。但當前，我國的壓力容器設計中還存在一些問題，特殊的使用條件對壓力容器的安全設計有很高的要求，因而壓力容器被列入特種設備的范疇。壓力容器從設計到制造到最后的安裝，其安全性及可靠性都會受到產品的設計方法的影響。壓力容器的設計涉及到很多專業知識，不僅要求設計人員有扎實的專業理論知識，同時應具備較強的綜合素質以及個人修養。設計人員應熟練掌握壓力容器各部件材料的選用標準、外形設計、結構合理準則、受力分析、整體強化和制造的可行性，同時兼顧到使用安全及日常維護等。實際中設計工作還存在較多的問題，不僅影響了壓力容器的使用效率及可靠性，還會威脅到使用者的生命及財產安全。

1　壓力容器設計中存在的問題

1.1設計未全面考慮應力腐蝕

應力腐蝕在多種腐蝕體系中都會產生，其中的共同點就是使用的金屬材料因為特定的腐蝕介質環境，持久的拉應力導致材料的斷裂破壞。壓力容器中的碳鋼與低合金鋼材料如果在N aOH、KOH、硝酸鹽、H2S水溶液、液氨等腐蝕性介質中，應力腐蝕開裂十分正常；奧氏體不銹鋼遇到NaOH、KOH、H2S水溶液、海水及含有鹵素離子的水溶液等腐蝕性介質中也常常會導致容器的應力腐蝕開裂。根據國家標準要求，化工行業的液氨容器在設計時一般選用的主體材料為Q345R，在焊接后設計應要求對容器進行熱處理去除應力，從而預防應力腐蝕導致的損壞。

1.2壓力容器設計未考慮材料問題

壓力容器材料的問題直接影響整個壓力容器的各種屬性，材料問題是壓力容器設計的重要因素。材料的改變一般會受到以下幾個因素影響：壓力容器的使用人員、用戶的特殊要求、壓力容器所處的環境、容器的大小和外觀等。壓力容器一般處在較惡劣的工作環境之中，壓力容器對材料的要求高于一般的工業設備，這是因為如果材料改變的話，其受力情況、耐腐蝕情況等都會出現一定的變化。

1.3壓力容器設計未考慮熱處理問題

鋼板的熱處理規定中要求，鋼板冷成形或其它的元件在受壓時都要進行熱處理，例如有應力腐蝕性介質的容器；盛放較多毒性物質的容器；成形之后碳鋼及低合金鋼厚度會降低10%的情況等；如果冷成形變形率的指標與所規定的要求不符，設計時如果不給出合適的熱處理方式，也無法恢復材料的性能。壓力容器設計者一般都會對壓力容器的殼體、封頭等部件做熱處理要求，在多接管的設計中沒有考慮到這些。

1.4壓力容器設計時類別劃分不準確

設計對壓力容器的使用介質的特性參數不夠了解，導致容器類別劃分不準確。如在進行盛裝環氧乙烷、粗甲醇、氯乙烯等介質的容器設計時，設計者不能很好把握計算模型和選用的標準，不能準確進行疲勞循環載荷次數的判別和分析設計。

2　壓力容器中車載氣瓶設計問題的預防

移動式壓力容器是壓力容器中的一種，其重要分支就是氣瓶，氣瓶是使用的最為普遍的一種移動式壓力容器，它的的特點是數量大，使用范圍廣，充裝的氣體種類多，重復使用率高。其中，車用氣瓶屬于特種氣瓶。以下以車載氣瓶為例，并根據上述問題，給出相應的預防措施。

2.1針對車用氣瓶類別的總體設計預防

車用氣瓶在設計時，應根據不同車型對氣瓶安裝位置、氣瓶強度支架進行圖樣設計。圖樣的設計、審查、產品設計圖樣的變更等，都應符合安全技術規范標準的要求。設計過程應注重質量控制，根據不同車型對車載氣瓶的安裝位置、氣瓶強度支架進行合理設計，設計圖中應明確技術要求、安裝使用說明等，從而指導采購、生產、安裝、檢驗等，設計圖應符合國家技術規范和標準規定，保證圖形表達正確、統一、完整。外來的車載氣瓶設計文件，應進行審查并確認。審查設計圖樣上選用的技術標準和驗收規范應為現行標準規范，其安裝材料選擇、結構尺寸、檢驗與試驗要求符合法規和標準的規定；檢查圖形表達是否正確、統一、完整；根據公司的制造能力審查外來文件工藝性，是否能滿足設計文件的要求。生產中，若發生材料與設計文件不一致時，應辦理材料代用手續。經設計人員同意可以代用，變更文件由材料、零部件責任人，設計、工藝責任人會簽。

2.2 合理設計年限及開孔，防止應力腐蝕

壓力容器的設計使用年限問題應該嚴格遵循《固定式壓力容器安全技術監察規程》中的要求，圖紙中應該明確給出壓力容器的使用年限。設計者在設計時要認真考慮設計容器各方面的影響因素，提高其可靠度，不斷減少其安全隱患。設計者可根據壓力容器材料的耐腐蝕能力、最大腐蝕速度及內外部受到的壓力差等，計算出此壓力容器的最大腐蝕承受度及最大腐蝕速率后，可依據公式計算出容器的安全使用年限。其次，由于外部使用環境對于容器有較大的影響，設計者應模擬最惡劣的使用環境中推算其使用壽命。最后，設計者圖紙設計時還應考慮到使用者對其壽命的影響，設計者應在圖紙中標明使用條件，規范要求容器使用中的承壓部件的狀況、容器壁厚等參數。

壓力容器屬于厚壁接管，一般都需要進行補強設計。設計中可參照殼體材料的特點、性質、功能等進行優選和設計，要保證接管補強材料的材質同壓力容器殼體材料性質一致，全面維護金屬材質的融通性。在選擇厚壁接管補強方法時，要確保接管材質強度等級同被開孔容器材質強度等級保持一致，然而，強度等級過高的接管材料并不能發揮正面的補強功效，甚至會有負作用，這會在整體上影響容器結構的牢固度與穩定性。如果接管材料強度等級較低，則需對接管壁做增厚處理，保證其良好的補強效果，同時適度控制接

管的有效流通面積，需要多重操作，不僅增加施工工序，也難以控制和確保開孔補強效果，有損容器功能與作用的發揮。設計時可采用無縫鋼管技術，也可采用鍛件加工技術，來優化厚壁連接補強技術，有效控制容器補強的誤差，如果補強設計的壓力很小，對于補強的質量與效果要求相對較小時，因此可以采用厚度適宜的無縫鋼管，相反，則應該選擇鍛件加工技術。此外，設計中還可引入內伸管，所選擇的內伸管的長度大小會在很大程度上影響接管的應力強度，一般情況下，內伸管越長，接頭部位的應力強度則越小，而且通過引入內伸管，也能夠發揮增強補強的功能。

2.3設計時強化材料和熱處理要求

車用氣瓶應當按照規程、有關安全技術規范及國家標準與行業標準設計，設計文件應當由國家質檢總局核準的檢驗檢測機構進行設計文件鑒定，合格后方可用于制造。車用氣瓶瓶體在進行材料設計時，應滿足與所充裝的燃氣氣體相容性的要求。制造纖維纏繞車用氣瓶鋁合金內膽的材料，應當具有良好的抗晶間腐蝕性能。盛裝有應力腐蝕傾向氣體的車用鋼質氣瓶，其瓶體材料實際抗拉強度不應當超過880MPa，實際屈強比不應當超過0.90。原材料無縫鋼管表面應當采用超聲檢測，瓶體表面不得有褶疊、分層、裂紋等缺陷存在。采用氣瓶標準規定以外的材料或者新研制的材料試制車用氣瓶，其制造單位應當向國家質檢總局提出試制申請，按照經批準的數量試制氣瓶，其技術評審的結果經過國家質檢總局批準后投入制造。如果現行氣瓶采用標準以外的材料或新研制的材料，其材料制造單位應當按照經過技術評審的企業標準供貨，車用氣瓶制造單位，應當按照爐罐號對制造氣瓶瓶體的金屬材料進行化學成分復驗，按照材料批號進行力學性復驗，按照相應標準的規定進行無損檢測、低倍組織復驗。氣瓶在制造過程中經過熱處理改變材料力學性能，其所用的材料復驗時可以不進行力學性能復驗。

3　結束語

壓力容器，尤其是車載氣瓶的設計過程十分嚴謹，要嚴格執行國家的強制許可制度，設計人員也該具有較高的素質，把握好標準要求，不斷提高設計水平，處理每個環節，不僅要遵守行業管理規范、標準的規定，還要充分優化設計方面的結構設計、計算方法、材料、焊接方法、檢驗檢測等各方面,從而保證其使用安全。

參考文獻：

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