試論化工壓力容器設計的經濟合理性

丁國勝

摘 要：化工壓力容器的設計及使用具有一定特殊性，在充分考慮安全性因素和實用性因素的基礎上，應當將經濟合理性納入到化工壓力容器設計的考量范圍內，在保證其安全可靠的同時降低成本，從而維護企業的經濟效益。本文就化工壓力容器設計的經濟合理性進行簡要分析和研究，僅供相關人員參考。

關鍵詞：化工壓力容器；設計；經濟合理性

1 前言

化工生產是當前我國社會經濟生產活動中的重要組成部分，化工壓力容器設計的安全性是保證化工生產活動正常開展的重要條件，而化工壓力容器設計的經濟合理性往往與化工產品生產力之間存在密切聯系。此種情況下，獲得既安全可靠又經濟合理的壓力容器是非常必要的。一臺設計合理的壓力容器，它的制造成本必然就會降低，反之則較高。筆者僅就壓力容器合理的選材，合理的結構設計和零部件設計三個方面來闡述。

2 合理的選材

主體材料約占設備總造價的40%-60%，因此正確合理的選材對設備的成本有著重要的影響。我們在日常的壓力容器設計中，一般情況下，殼體所使用的材料為碳素鋼、低合金鋼以及高合金鋼鋼板。他們的使用條件詳見GB150標準，在這，我就不一一贅述了。合理的選材主要應考慮如下幾點。

首先，選材要根據設備的工作條件來確定，能夠用一般材料的，就不應選用高檔次材料，如一般的低壓工況條件且溫度不太高時就應首先考慮Q235-A或Q235-B、Q235-C，以及20R、16MnR等材料，而不應選用更高級別的材料。又如腐蝕性一般的環境就不應輕易選用不銹鋼材料。當環境介質腐蝕性很強時，一般首先應考慮不銹鋼板，而不能簡單地確定采用全不銹鋼制造。再如，當設備處于300-450℃的H2S環境時，就應考慮選用Cr-Mo鋼，而不宜選用16MnR或奧氏體不銹鋼，但是當設備的壓力很低而溫度卻很高（如700-800℃）時就應考慮選用奧氏體不銹鋼。相反，對于低溫環境，當溫度不太低時，也可以考慮選用一般低溫環境下的用材，如16MnR、16MnDR、20R等；而當設備的溫度較低時，則應考慮選用專門的低溫用材料。其次，材料選擇時尚應考慮到設備的重要程度。對于要求較高且比較關鍵的設備，在選材上一般應選用性能比較優良且質量要求較高的材料，包括鍛件的高級別選用。相反，對于工況一般的設備，在選材上就應有所側重，此時設備的法蘭、管板就可以選用一般的板材來制造，而沒有必要選用鍛件，因為鍛件的造價比之于板材要高得多。再次，在材料的選擇上還應根據設備各部位的不同工作狀況而選擇不同的材料。如管殼式換熱器，當管程的介質腐蝕特別嚴重而殼程則為一般性介質時，管程就應采用耐蝕性較好和材料，而殼程則應用一般性材料。總之，應具體問題具體分析，以確保設備整體選材的經濟合理性。

3 合理的結構設計

壓力容器設計是否合理，關鍵在于結構設計，結構設計合理，相應的壓力容器造價就會有大幅度降低，因為合理的結構可能會使容器主體材料的用量大幅度降低，其制造費用也會降低。主要從一下幾個方面考慮。

3.1 整體結構設計時應考慮的問題

在容器設計時首先應確定設備的大致結構，包括主體結構形式、主要零部件的結構形式等。這項工作十分重要，其正確、合理與否，將直接關系到設備成本。如當設備的壓力較高且直徑較大時，則應考慮封頭采用橢圓封頭型式，而不宜采用平蓋型式，因為此時采用平蓋將會很厚。當設備由兩種不同直徑過渡時，宜采用封頭開孔結構而不宜選用錐體翻邊結構，因為前者比后者更易加工并有利于保證部件的制造質量。對于中低壓容器，當采用平蓋時也可以考慮加筋平蓋，特別是對于由貴金屬制成的平蓋，采用加筋結構其經濟效益將是十分顯著的。當封頭在較高外壓下所需壁厚太厚時，也可以采用封頭加筋結構來降低其主體的壁厚，以節省主體材料。還有容器的附件設計，如支座、支承結構等。在進行支座設計時，首先，應根據設備的大小確定采用什么樣的支座最為經濟合理。一般來說，首先應考慮支腿式支承，其次再考慮支承式懸掛式支座，再次才考慮鞍式和裙式支座。對于一些比較特殊結構設備的支座設置，要考慮其制造加工的難度。

3.2 補強及接管結構設計

壓力容器上開孔是必然的，因而也就存在著補強結構設計問題。在進行補強結構設計時，通常不應采用整體加厚殼體來實現補強的方法，因為這樣必然會增加整臺容器的材料用量。而采用其它的補強結構就要合理一些，如補強板結構、厚壁管結構或整鍛件補強等。但是，上述的幾種不同補強結構同樣也存在著不同的造價，如整鍛件補強的加工難度就較大一些，因此其造價也就必然要高一些。所以在結構設計時，當工況條件允許時首先應考慮補強板和厚壁管補強結構，其次再考慮鍛制厚壁管和整鍛件補強結構。還有，當采用某一種單純補強結構不經濟時，也可以采用幾種補強方式混用的結構，如同時加厚接管和補強板的結構，更有利于制造加工，相應也就可以降低加工費用。接管設計除了要考慮上述的一些內容外，還應考慮到接管本身的工作狀況，如工況為一般還是較惡劣，是否受腐蝕，是否受振動或沖擊。如一般工況則可以采用補強板和卷焊厚壁管補強；如果是承受交變載荷或高低溫環境，就應考慮選用鍛管補強等。總之，在進行接管及補強設計時，首先要弄清設備的具體工況及接管的工作狀況和環境，然后具體問題具體分析并對癥下藥，這樣才能保證結構的安全性和經濟合理性。

3.3 外壓容器設計時的一些考慮

由于外壓容器的破壞主要是失穩，而設備的抗失穩能力又主要取決于殼體的幾何尺寸，即直徑、長度和壁厚，其中長度和直徑起著決定性作用。因此，試圖通過提高材料的強度來提高設備的抗失穩能力是十分不合理的，相反通過增加加強圈以相應縮短其計算長度則是十分行之有效的經濟舉措。筋的截面可以是矩形、T形、工字形、槽鋼、角鋼等，但尤以矩形截面最為經濟，其次是T形截面。盡管加強圈的設置可以大幅度降低殼體的壁厚，但并不是加強圈的數量越多越好，我們可以根據標準公式計算出這個最佳值，進而確定加強圈的數量和截面尺寸。

4 零部件設計

首先，在許可的情況下應盡可能選擇種類相同或相近的零部件材料，這樣有利于制造時的備料，縮短制造周期，體現零部件設計在制造方面的合理性；其次，在可能的情況下零部件的規格種類應盡可能統一，且在結構設計時就應考慮到這一問題，包括螺栓、螺母的選用；第三，應盡可能采用標準件，這樣有利于專業化生產，相應也就能獲得較低成本的零部件，如容器的封頭、法蘭、塔器的塔內零部件等（目前都有較多的廠家專門生產且質量容易得到保證）；第四，零部件的規格和類型上應盡可能選用常用系列，如筒體和封頭應盡可能選用100mm或200mm的檔次，而不宜選用50mm的檔次，否則將需加工專門的模具來制造，必然會使設備的造價增加。

結束語

在現代社會經濟飛速發展的大環境下，化工行業也得到較快速度的發展，化工產品生產力明顯提升，但這勢必就對化工壓力容器設計的經濟合理性提出更高的要求。經濟合理性是化工壓力容器設計中應當考量的重要因素，明確設計要求的基礎上，掌握化工壓力容器設計的正確方法，從而最大程度上滿足化工產品生產需求，為化工行業的健康發展打下良好的基礎。

參考文獻

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