強化化工壓力容器選材和補強設計的策略

摘 要：文章主要討論壓力容器選材和補強設計的基本思路，并針對不同的應力變化提供合適的建議。文章在對化工壓力容器材料對不同溫度的影響因素及分析的基礎上，論述了選材過程中需要考慮的地方，并結(jié)合其性能和組成結(jié)構(gòu)進行論述。

關(guān)鍵詞：化工壓力容器；選材；補強設計

化工壓力容器設計中最重要的一部分就是容器材料的選擇與補強設計，材料性能的好壞和補強設計的技術(shù)對化工壓力容器的質(zhì)量會產(chǎn)生很大的影響。一般情況下，如果化工壓力容器材料選擇或補強設計出現(xiàn)問題，將給后續(xù)的生產(chǎn)帶來一系列問題。材料的選擇對容器的質(zhì)量有著很大影響，另外因化工壓力容器的用途各不相同，有著各式各樣的開口，這就使容器的結(jié)構(gòu)連續(xù)性發(fā)生改變，因此化工材料需要進行補強設計。

1 化工壓力容器主體材料的選用

1.1 化工壓力容器主體設計時的材料選用方法原則

化工壓力容器整體材料的選用類型非常重要，選用類型影響到壓力容器的安全運行質(zhì)量。在材料替換與壓力容器設計的過程中，技術(shù)人員必須嚴格參照GB150與《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相關(guān)條例，此外，技術(shù)人員還應參考化工機械基質(zhì)材料的特征、材料使用壽命、壓力容器材料、設計壓力、工作環(huán)境溫度等因素。硫濃度大的工作環(huán)境中禁止使用低合金鋼，在充斥毒性、易燃易爆等具有腐蝕性與破壞性的工作環(huán)境中，技術(shù)人員需要進行材料的表面處理工作。

化工壓力容器一旦發(fā)生事故，會造成十分嚴重的后果。因此，設計單位必須有化工壓力容器設計單位批準證書，單位應建立健全的化工壓力容器設計體系，工作人員才能參照具體要求設計規(guī)范的圖紙。同時，單位還應考慮到制造技術(shù)條件、試驗、參數(shù)選擇、檢驗要求等因素。設計資格證缺乏的單位無法保障化工壓力容器的質(zhì)量。單位必須對設計人員的技術(shù)進行考核，壓力容器的設計人員必須定期接受培訓。學習壓力容器的新理念、新知識、新法律法規(guī)。另外，安全監(jiān)察機構(gòu)必須對工作認真負責，嚴格審批化工壓力容器的設計單位、技術(shù)人員。單位在設計計算書的過程中，設計圖紙及說明書應該符合相關(guān)規(guī)定，文件必須有設計人員、審批人員及校對人員的簽字。另外，負責技術(shù)的工作人員需要在總圖上簽字，并注明《壓力容器設計單位批準書》的具體日期及編號。

為了保障化工壓力容器的質(zhì)量，安全監(jiān)察局必須嚴格審核、監(jiān)督化工壓力容器的制造商。保障化工壓力容器圖樣的質(zhì)量水平，從而利于化工壓力容器的生產(chǎn)。監(jiān)察局還應該檢查圖紙數(shù)據(jù)能否達到業(yè)內(nèi)標準。在圖樣審核工作結(jié)束后，外聯(lián)人員先進行初步審查，隨后由相關(guān)工作人員進行嚴密審核，最后由負責人遞交審查意見書。化工壓力容器制造商必須重視原材料的采購與使用環(huán)節(jié)，另外，焊接加工環(huán)節(jié)也非常重要，制造商必須按照業(yè)內(nèi)規(guī)定完成焊接加工，且上交工藝評定報告。

1.2 化工壓力容器補強材料的選擇

通常情況下，化工壓力容器的補強材料宜選擇強度較低的材料，同時，技術(shù)人員應該考慮焊接時易出現(xiàn)的補墻面的面積大小與負面反應。在厚壁接管的過程中，技術(shù)人員可以考慮無縫鋼管或者鍛件加工制造。設計壓力較小且壁厚不大時，無縫鋼管的選擇更為科學。當補強要求所需的壁厚較大且設計壓力較高時，技術(shù)人員可以選擇鍛件。另外，技術(shù)人員在選擇補強材料時，應該參考多項因素，例如焊接狀況、材料的經(jīng)濟性、材料的強度。

2 化工壓力容器補強設計思路方法及其影響的分析

2.1 補強設計方法的分析

補強設計方法作為化工壓力容器結(jié)構(gòu)設計技術(shù)中的核心技術(shù)方法，對化工壓力容器結(jié)構(gòu)設計具有重要意義。其中，化工壓力容器結(jié)構(gòu)設計的重難點部分為化工壓力容器接管開口處的設備設計，因此技術(shù)人員在補強設計過程中必須重視的事項包括：化工壓力容器補強設計中加強接管結(jié)構(gòu)的抗腐蝕設計；降低接管開孔處焊接結(jié)構(gòu)面積的偏差；分別處理各種補強結(jié)構(gòu)的設計；接管補強結(jié)構(gòu)的尺寸設計進行精確計算。化工壓力容器補強的主要設計方法包括：整體加厚殼體補強、補強圈補強、整鍛件補強等。

2.2 開孔補強設計簡述

局部補強結(jié)構(gòu)的處理內(nèi)容在壓力容器補強結(jié)構(gòu)中較為常見，主要包括后壁接管補強、整體鍛件補強、補強圈搭焊結(jié)構(gòu)補強。后壁接管補強是將后壁接管在壓力容器焊接處應用，同時將它們連接起來，接管的放置形式有很多，常見的包括內(nèi)深插入式、平齊插入式及平置式。后壁接管補強方法的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、焊縫不多、焊接質(zhì)量高，因此補強效果好。整體鍛件補強方法是將補強的部分、部分殼體及接管通過加工形成一個整體鍛件，然后把接管焊與殼體連接。整體鍛件補強方法可以降低應力的集中程度，因此，補強后的抗疲勞性得到提升。但是整體鍛件補強方法存在缺點，缺點是制造鍛件的成本很高，使用次數(shù)少，只有在要求很高的壓力容器補強中得到應用。補強圈補強的理論基礎是為無限大平板開小孔，在操作溫度不高的中低型壓力容器使用中較為廣泛，通過在焊壁上焊接其他的補強板，可以增大開孔邊緣處的金屬強度。開孔挖去金屬的質(zhì)量在一定程度上決定了補回的金屬數(shù)量。為了保障小直徑的開孔安全有效，可以使用這樣的操作方法。這樣的操作方法存在一些缺點，例如：補強圈及外殼體不容易成為一個整體，當補強完成后，抗疲勞性降低。

2.3 化工壓力容器開孔補強結(jié)構(gòu)的設計

化工壓力容器開孔補強設計中的重點內(nèi)容是補強圈的設計，通常情況下，設計人員應參考補強圈的標準范圍進行設計。技術(shù)人員可以通過三種情況，選擇補強圈厚度。第一種情況是補強圈小于殼體厚度，第二種情況是等于殼體厚度，第三種情況是大于殼體厚度。其中，最佳選擇是等于殼體厚度，這種設計的優(yōu)勢是可以充分利用材料與備料，減少材料浪費。設計人員還需重視的是，補強圈厚度還應結(jié)合壓力容器的設計要求及結(jié)構(gòu)特點。參照傳統(tǒng)的操作方法，以下三種措施具有可操作性：增大補強圈的寬度或者加大開孔處局部筒體厚度；加大接管的厚度或者補強圈的厚度；加大整個筒體的厚度。

2.4 開孔補強應力分析

壓力容器開孔后有三種應力，主要包括峰值應力、彎曲應力及薄膜應力。通常情況下，壓力容器會被均勻的薄膜應力所影響。開孔后，開孔邊緣處會被應力集中作用，但是與孔相距較遠的地方應力沒有變化，總體薄膜應力小于其應力水平。為了保障壓力容器的正常運行，可以將其視作一次應力。開孔后在孔邊緣與接管連接處產(chǎn)生的范圍分布小，數(shù)值容易升高，出現(xiàn)峰值應力現(xiàn)象。彎曲應力屬于一次應力，彎曲應力可以協(xié)調(diào)殼體與接管的連接性能，同時產(chǎn)生相應的應力，正常情況下，壓力容器的結(jié)構(gòu)不會受到損壞。

3 化工壓力容器材料選擇設計分析

3.1 壓力容器設計材料選擇的變化與影響因素

技術(shù)人員在設計傳統(tǒng)壓力容器材料代用的過程中，不能用高強度材料替換低強度材料，這樣的替換方式不科學。在鋼制壓力容器的設計內(nèi)容中，材料力學性能具有重要意義，其中，設計人員應重視材料力學性能的韌性與可塑性。傳統(tǒng)的設計方法是“以厚代薄”，這樣的設計方法存在缺陷，增加厚度不能從本質(zhì)上解決壓力容器殼體的受力問題。

3.2 壓力容器使用溫度對設計材料選擇的影響

當壓力容器使用溫度過高時，碳素鋼與碳錳鋼容易出現(xiàn)問題，技術(shù)人員必須重視鋼中碳化物的石墨化問題。碳素鋼與碳錳鋼在高溫環(huán)境下使用時，鋼材會變脆，鋼中的滲碳體會被分解，材料的可塑性與材料的強度會受到影響，由此可見，高溫環(huán)境下禁止替換碳素鋼與碳錳鋼可以有效保障設計材料的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，合理的代用材料選擇與科學的補強設計方法對化工壓力容器正常運行發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的材料替代方法未能滿足當代化工壓力容器的發(fā)展，文章通過圍繞化工壓力容器材料與補強設計進行分析，希望給設計人員借鑒意義。

參考文獻

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