壓力容器設計中的常見問題及防范策略

李國軍(東華工程科技股份有限公司,安徽 合肥 230000)

壓力容器設計中的常見問題及防范策略

李國軍(東華工程科技股份有限公司,安徽 合肥 230000)

對于壓力容器來講，設計水平的高低，在很大程度上決定了其使用的可靠性和安全性，就當前壓力容器實際設計情況來看，其中存在較多的問題有待解決，不利于其基本功能和應用價值的有效發揮，存在較高的危險性。為提高壓力容器設計水平和設計質量，就需要針對設計中的常見問題采取必要的防范措施。

壓力容器；設計問題；防范策略

壓力容器是工業生產中一種不可或缺的重要設備，主要功能是在一定壓力條件下，存儲液體或者氣體，壓力容器質量及性能的良好性，會直接影響了工業生產的順利、安全進行，所以，必須從設計階段入手，加強對壓力容器質量和性能的控制。當前工業生產中所用到的壓力容器類型多種多樣，不同種類壓力容器的特性也存在明顯差異，對設計標準要求也是不一樣的。目前，設計不科學、不合理現象尤為嚴重，對壓力容器設計中的常見問題及防范策略進行研究分析，具有重要的現實意義。

1 壓力容器設計原則

為確保壓力容器質量達標，滿足用戶要求，在設計過程中應遵循以下幾點原則。第一，滿足工藝要求。壓力容器在工業生產中應用比較廣泛，所面臨的工作環境和工作條件多種多樣，這就需要結合實際使用要求，從壓力、溫度、生產工藝等幾方面進行綜合考慮，以滿足不同工藝要求。第二，確保靈活實用性。為方便壓力容器檢查與維護，應在保證壓力容器使用安全，以及基本功能有效發揮的前提下，盡可能的簡化設計結構，降低維護維修難度，節約設計制作成本。第三，保證使用安全。壓力容器是在特定壓力條件下使用的，具有一定的風險性，如果因設計不合理造成故障問題，很容易引發安全事故，所以，在設計過程中，應著重考慮壓力容器的安全性能，提高其使用安全系數，延長其使用壽命。這些都是壓力容器設計過程中，所要遵循的基本原則。

2 壓力容器設計中的常見問題

2.1材料選擇問題

材料是影響壓力容器設計質量及使用性能的最主要因素，材料選擇是否合理，決定了壓力容器設計成功與否，在實際設計過程中，經常因材料選擇不當，造成壓力容器強度、結構性能等各項特性，達不到工業生產使用標準，其使用壽命較短。比如，所選材料強度和質地較差，不滿足壓力容器設計要求及使用要求，在工作過程中出現故障問題的概率較高。另外，當材料厚度較薄或者較厚時，會對壓力容器的強度造成一定的影響，并且其結構性能也會發生變化。除此之外，如果在選擇壓力容器材料的時候，沒有從經濟性角度進行性分析，則可能會造成設計制造成本較高，一旦出現問題，很容易造成壓力容器無法進行實際生產制造。

2.2 使用壽命問題

現階段壓力容器使用壽命設計方面，也暴露出了一些問題有待改善。首先，設計人員缺乏對壓力容器使用壽命問題的足夠重視，在設計過程中，沒有對其作出明確、具體的規定，無法為壓力容器設計標準提供可靠依據，存在較大的隨意性，導致壓力容器制造質量參差不齊，實際投入使用的時間也長短不一。其次，雖然在一些壓力容器設計工作中，對其具體使用壽命做出了規定，但是壽命長短都是由設計人員結合以往經驗而定的，所給出的壽命數值科學性較低。

2.3 法蘭設計問題

在當前壓力容器設計工作中，法蘭設計環節所存在的問題是比較突出和明顯的，尤其是尺寸和強度方面，經常出現不滿足實際設計需求現象，降低了壓力容器設計的安全系數，在使用過程中存在較大的安全隱患。造成這種問題的根本原因，是在進行法蘭設計時，出現較大計算誤差，導致法蘭設計匹配度角度，其尺寸和強度都不合理。

2.4 熱處理問題

在壓力容器設計過程中，熱處理環節的問題也是比較常見的，無法保證壓力容器使用的安全性和可靠性，不利于工業生產順利進行。一方面，在對壓力容器進行熱處理時，沒有嚴格依照標準流程和規范操作進行，處理不當或者操作失誤現象屢見不鮮，導致壓力容器設計缺陷的出現，影響了其制造質量和使用性能的良好性。另一方面，壓力容器熱處理不夠完整，現階段在對壓力容器進行熱處理時，側重點一般都放在了封頭和殼體方面，而忽視了接管處的熱處理，整體熱處理效果不夠理想。

3 壓力容器設計中常見問題的防范策略

3.1 科學選用容器材料

在設計壓力容器時，第一點便是要選擇最為合適的材料，以提升材料應用價值。首先，應全面了解不同類型材料的特點及屬性，包括材料強度、韌性、受力特性、耐腐蝕性等，對其使用性能進行評估和比較，結合壓力容器設計及使用要求，從性能較好的材料中做出選擇。其次，還需要根據壓力容器結構特點及強度要求，從材料厚度方面進行考慮，既要避免因厚度不足造成強度較弱問題，又要杜絕因厚度較厚造成壓力容器重量過大問題。另外，應選用價格比較便宜的材料，以市場上常用材料為主，降低壓力容器設計制造成本，確保能夠順利完成批量生產。

3.2 確保使用壽命達標

確保壓力容器使用壽命達標，是對其進行設計時需重點考慮的問題，具體實現方式包括以下幾點。第一，設計人員應提高對壓力容器使用壽命問題的重視力度，明確及具體壽命數值，在生產制造時應以此作為標準，保證壓力容器質量及性能的良好性，另外，壓力容器的維護與更新也需要參照該壽命數值進行。第二，在確定壓力容器具體使命壽命年限時，設計人員除了結合以往經驗之外，還需要從壓力容器使用環境、材料性能等幾方面進行考慮，并使用電腦軟件對其實際使用情況進行模擬，保證設定使命年限的合理性。第三，把操作不當等因素考慮在內，并在圖紙相應位置予以警示。

3.3 準確計算法蘭數值

法蘭設計是壓力容器設計中的關鍵環節，其設計效果會直接影響到整體設計質量，加強對法蘭設計的控制，對提高壓力容器設計水平和設計質量意義重大。國際上較為通行的壓力容器法蘭設計方法為Waters法。法蘭的應力由3部分組成：法蘭力矩產生的應力；由壓力直接作用于法蘭本體(包括法蘭環、錐頸和直邊段三部分)上引起的軸向和環向應力(法蘭環上可忽略)；由組成法蘭的三個部分間由于壓力作用下變形協調引起的邊界力產生的應力。在實際操作過程中，應對壓力容器法蘭設計進行準確計算，從法蘭結構連接方式、受力特性、所用材料性能等幾方面進行綜合考慮，根據壓力容器設計及使用要求，得到較為精準的法蘭設計參數，包括法蘭設計尺寸、強度、厚度等，確保法蘭設計的科學性及合理性，以提高壓力容器設計的安全系數。

3.4 規范熱處理設計

保證熱處理的規范性和完整性，是壓力容器設計過程中必須做好的一項任務。一方面，在對壓力容器進行熱處理時，應將標準的作業流程和操作方式，在設計圖紙中清楚、詳細的標注出來，并嚴格圖紙標注內容進行，提高熱處理的規范化和程序化程度，實現更加理想的熱處理效果。另一方面，要從整體性方面對壓力容器熱處理進行考慮，特別是做好換熱管固有頻率的計算，照Macduff-Feglar法計算換熱管固有頻率在計算振動時，Macdaff．Felgar的方法被廣泛應用，即TEMA第6版的RGP—RC一4.562所推薦的公式，它的表達式為：

式中：fn為管子固有頻率；Cn為頻率常數、下標n為振型的階數；

J為截面的慣性矩；g為重力加速度。

此外，還應該做好包括封頭、殼體、接管等各個部件的熱處理工藝，嚴格把控每一個部件的熱處理工藝，提升整體設計效果。

4 結語

做好壓力容器設計工作，是提高壓力容器制造質量和使用性能的必要措施，必須提高重視力度，從各個方面加強控制，提高設計水平。在實際設計過程中，首先應明確壓力容器基本設計原則，并做到嚴格遵循，然后通過科學選用容器材料，確保使用壽命達標，準確計算法蘭數值，規范熱處理設計等對策，改善并解決壓力容器設計中的常見問題，實現最優化設計，杜絕質量缺陷問題的出現，進而才能確保壓力容器使用的安全性及可靠性，充分發揮其應用價值，更好的服務于、工業生產。

[1]趙素峰.壓力容器設計過程中的常見問題[J].小氮肥,2012,(10)∶18-19.

[2]束怡.壓力容器設計中容易忽視的問題研究[J].中國高新技術企業,2012,(07)∶30-31.