壓力容器設(shè)計中常見問題及設(shè)計優(yōu)化的探討

吳成義+趙明+曹野

摘要：壓力容器在我國的工業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用，尤其是在石油、化肥產(chǎn)業(yè)中，利用頻率相當(dāng)高，由此我們不難發(fā)現(xiàn)壓力容器長期處于惡劣的工作環(huán)境中，所以在進(jìn)行壓力容器設(shè)計的時候，無論是選材還是工藝，都必須進(jìn)行嚴(yán)格的甄選，既要使其滿足工作條件，又要滿足壓力要求，避免壓力容器在工作中出現(xiàn)破損現(xiàn)象，保證生產(chǎn)過程的安全與穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：壓力容器；壓力容器失效；優(yōu)化設(shè)計

引言

由于壓力容器工作性質(zhì)的特殊性，使用最多的就是用來存儲液體或者氣體，并且這些液體和氣體具有高強(qiáng)的腐蝕性、易燃易爆性，一旦泄露十分危險，所以，壓力容器首先應(yīng)該具有很好的密閉性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的各種要求，壓力容器出現(xiàn)了多種多樣的種類，性能也有了很大的提高。為了控制壓力容器的質(zhì)量，確保其安全性，國家也頒布了一系列的法規(guī)，制訂了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。雖然如此，在壓力容器的設(shè)計中仍然有一些常見的問題，本文就針對這些問題展開探討，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。

一、壓力容器設(shè)計中常見問題

1、設(shè)計中材料選擇問題

壓力容器千變?nèi)f化，其使用材料也是各種各樣，而材料不一樣，壓力容器的使用功能也有一定的差異，影響著容器的性能，所以材料的選擇在壓力容器設(shè)計中非常重要。另一方面，在材料的選擇上，需要考慮的因素比較多，是比如客戶的喜好、容器運(yùn)行的環(huán)境、使用人員的不同、工藝的要求、體型的差異等等。但是在實際設(shè)計的時候，仍然會出現(xiàn)各種的干擾因素，影響對壓力容器材料的選擇。比如用戶要求降低厚度，那么設(shè)計人員又要重新根據(jù)這一要求進(jìn)行再次的計算，檢驗，然后重新做出設(shè)計方案；當(dāng)然，也有客戶人為壁厚不夠要求增加的，這時候設(shè)計人員就應(yīng)該對用材進(jìn)行重新選擇，既可以滿足客戶要求，又能達(dá)到受力及耐腐蝕條件，還可以節(jié)約成本。

2、設(shè)計中圖樣標(biāo)記的使用年限問題

對于壓力容器來說，使用年限是體現(xiàn)其價值的重要因素，另一方面，壓力容器的使用年限，在很大程度上影響著其使用的安全性，對工作人員的生命財產(chǎn)安全的保護(hù)具有很大的影響。然而，在實際的設(shè)計中，大部分的壓力容器都存年限設(shè)計不合理的問題。例如在設(shè)計中，將條件設(shè)置為理想狀態(tài)，沒有考慮應(yīng)力腐蝕因素。這種情況下，很多壓力容器的實際使用年限都比設(shè)計年限要多，所以，當(dāng)其已經(jīng)存在安全隱患的時候，仍然用于工業(yè)生產(chǎn)，必將埋下重大安全隱患。一旦出現(xiàn)問題，壓力容器出現(xiàn)破損，就可能引發(fā)火災(zāi)甚至危險性爆炸，對工作人員的生命造成威脅，對工業(yè)生產(chǎn)車間造成重大損失。

3、制造中熱處理問題

對于鋼板的熱處理，相關(guān)規(guī)范明確規(guī)定，當(dāng)鋼板為冷成形，或者相關(guān)元件在受壓時，一定要進(jìn)行熱處理，比如容器的介質(zhì)具有一定的應(yīng)力腐蝕性、容器內(nèi)長時間儲存毒性物質(zhì)以及容器壁在成形之后減少10%等等；當(dāng)鋼板為冷成形，但是其變形率超過規(guī)范要求，并且沒有給出合理的熱處理方案，就無法恢復(fù)材料性能。正常情況下，設(shè)計人員對于壓力容器的殼體、封頭等地方都會要求進(jìn)行熱處理。

4、使用中介質(zhì)腐蝕問題

雖然說腐蝕系統(tǒng)多種多樣，但是不管哪一種，都有可能由于外在的惡劣環(huán)境影響而出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，發(fā)生應(yīng)力腐蝕都有一個相同點，就是材料長久處于高溫高腐蝕的環(huán)境下，出現(xiàn)持久的拉應(yīng)力，通過一定的積累，導(dǎo)致容器表面出現(xiàn)破損，一旦發(fā)生泄露、裂縫等，就有可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等為危險系數(shù)比較高的安全事故，造成惡劣的影響與重大損失。

三、壓力容器設(shè)計優(yōu)化措施

1、設(shè)計用材改變的預(yù)防措施

很多時候客戶會根據(jù)自己的想法，對用材進(jìn)行更改，那么當(dāng)這種情況出現(xiàn)，設(shè)計人員首先應(yīng)該對材料的來源進(jìn)行審核，其次根據(jù)新材料的性能進(jìn)行受力以及耐腐蝕、耐高溫的計算檢驗，核查其是否適合在限定的條件下正常工作，然后根據(jù)檢驗結(jié)果對客戶進(jìn)行合理的建議，如果所有條件均可滿足，則可以采納更換材料的意見。總之，當(dāng)換材情況發(fā)生，一定要以安全為基本考慮因素，綜合確定用材的風(fēng)險，給出最佳方案。并嚴(yán)格執(zhí)行固容規(guī)的規(guī)定，所有變更必須經(jīng)過原設(shè)計單位的同意，并書面答復(fù)。

2、使用年限設(shè)計的防范策略

在設(shè)計年限方面，設(shè)計人員必須參照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，嚴(yán)格遵守規(guī)程中的要求進(jìn)行設(shè)計，這是不能觸碰的底線，也是設(shè)計的基本原則，在設(shè)計完成的圖紙中，必須明確注明該壓力容器的設(shè)計使用年限。在設(shè)計的過程中，應(yīng)該考慮容易所處的工作環(huán)境，容器的介質(zhì)，以及設(shè)計壓力等相關(guān)因素，計算出容器的耐腐蝕、耐高溫高壓的承受度，從而推算其合理的使用年限，提高容器的可靠性，保證容器安全。為了進(jìn)一步提高其安全性，設(shè)計人員可以假設(shè)一個最惡劣的環(huán)境，以此條件測算其最低使用年限。另一方面，在設(shè)計年限的測算中，設(shè)計人員還應(yīng)該考慮到工作中可能出現(xiàn)的不良操作，在設(shè)計中加以說明。總之，就是必須綜合多種因素，制定合理的使用年限。

3、預(yù)防應(yīng)力腐蝕破裂的設(shè)計

幾乎所有的腐蝕系統(tǒng)中都會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)象，其主要原因，是金屬在某種特定的腐蝕環(huán)境，同時長時間處于高溫的狀態(tài)下，由于抵抗高溫金屬表面具有一定的拉應(yīng)力，由此在金屬表面形成的晶界或者穿晶裂紋，當(dāng)裂紋逐漸增多，達(dá)到一定的體積，就有可能出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。根據(jù)這個問題，設(shè)計人員必須根據(jù)應(yīng)力腐蝕指標(biāo)、材料拉應(yīng)力的特點以及容器焊接時殘余應(yīng)力的特點，有針對性的對可能出現(xiàn)的腐蝕形狀、危險程度、破壞特點進(jìn)行預(yù)測。然后根據(jù)這些預(yù)測結(jié)果制定預(yù)防策略，最大程度上減小應(yīng)力腐蝕。

結(jié)語

只有對壓力容器進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，綜合全面的考慮各種可能出現(xiàn)的情況，才能最大限度的保證壓力容器的質(zhì)量，保障其安全生產(chǎn)，其設(shè)計質(zhì)量的好壞，直接決定著其在生產(chǎn)過程中能夠發(fā)揮的價值，對于工業(yè)來說非常重要。因此，相關(guān)設(shè)計人員在進(jìn)行壓力容器的設(shè)計的時候，一定要考慮全面，尤其是對于容易出現(xiàn)漏洞的地方，要經(jīng)過反復(fù)的核查、檢驗，只有這樣才能確提升壓力容器的性能，在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)揮出其應(yīng)有的價值。