壓力容器設計的若干技術問題及解決途徑

王院利 許俊佳 許運濤

（中國聯合裝備集團安陽機械有限公司，安陽 455000）

壓力容器是化工、冶金、輕工、紡織、機械以及航空航天工業中廣泛使用的承壓設備。隨著社會經濟的快速發展與高新科技的進步，我國的壓力容器設計水平與制造能力有了突出的成就。近些年，我國已自行設計和制造了600MW與1000MW的核電站設備、一千萬噸的煉油裝置及一百萬噸的乙烯裝置等。從壓力容器整個行業來分析，現時期我國大多數企業，在壓力容器的設計上都存在技術性的問題。本文章對壓力容器設計中存在的幾種常見問題進行了分析，并且針對這些問題提出了相對應的解決途徑。望可以為本行業的發展提供一定的參考。

1 壓力容器設計的技術問題

1.1 壓力容器設計中方法選擇的問題

目前，壓力容器的兩種設計方法分別是常規設計和分析設計。常規設計主要是按彈性失效準則，以第一強度理論為基礎，考慮殼體的薄膜應力，即最大主應力，并將其控制在材料的許用水平內，來確定主要受壓元件尺寸的設計方法。常規設計的設計標準有，我國的GB150《壓力容器》、美國的AsME Ⅷ-1《壓力容器》和日本的JIsB8243《壓力容器構造》等。分析設計是根據塑形失效準則、彈塑性失效準則和疲勞失效準則，采用最大剪應力理論，來確定受壓元件尺寸的設計方法。與分析設計相對應的設計標準包含，我國JB4732《鋼制壓力容器-分析設計準則》、美國的AsME Ⅷ-2《壓力容器建造一另一規則》、歐盟的PrEN13445-3《非接觸火焰壓力容器》與日本的JIsB8250《壓力容器構造-另一標準》等。

1.2 壓力容器設計開孔補強的問題

在壓力容器的設計與生產過程中，開孔是無法避免的一類常見問題。壓力容器在開孔以后，其整體的強度會有不同程度的減弱，并且，開孔的局部區域所產生的應力會相對較集中，主要有局部薄膜應力、彎曲應力和峰值應力。產生這種現象的主要原因是：

（1）殼體開孔后，原來承受均勻的薄膜應力被損壞，在孔邊緣產生了分布很不均勻的邊緣應力，即局部薄膜應力，同時使應力較為集中；

（2）在殼體開孔邊緣與接管的連接處產生的不連續應力；

（3）殼體和接管的連接拐角區域由于截面的不規則過渡而產生應力的集中。

1.3 壓力容器設計焊接的問題

焊接是壓力容器制造的重要工序，焊接質量在很大程度上決定了壓力容器的制造質量。壓力容器的焊接方面的問題包括，如何避免和控制裂紋、咬邊、氣孔、夾渣等焊接缺陷；因焊接缺陷造成的截面受力不均勻，并產生應力集中；焊接接頭的不均勻性、局部加熱融化及迅速升溫和急速冷卻等特點，使其在焊接過程中，不可避免地產生焊接殘余應力與變形，直接導致焊接裂紋的產生。

1.4 壓力容器設計腐蝕的問題

現時期，大部分的壓力容器由金屬性質的材料構成。壓力容器和環境間的反應會導致材料破壞、損壞或變質，這種現象稱作壓力容器腐蝕。壓力容器的腐蝕按作用機理可分成：物理性的腐蝕、化學性質的腐蝕、應力性的腐蝕與電化學的腐蝕等。影響腐蝕的原因主要包含，介質溫度和壓力、流速和各類溶液的PH值等。容器的腐蝕裕量是由介質對材料的腐蝕速率與設備計劃使用壽命所決定的。由于大部分的工藝過程很難確切給出材料的具體腐蝕速率，所以腐蝕裕量通常是由設計人員粗略估測得出的。從而，導致設備成本和安全存有誤差。對于接管腐蝕裕量，現時期對其取值的范圍仍存在爭議，有些是以容器的殼體腐蝕裕量當作接管腐蝕裕量，有些選用容器殼體中的一半當作接管腐蝕裕量。如果由容器的殼體腐蝕裕量來確定接管腐蝕裕量，則對薄壁接管的開孔補強不足。所以，針對接管腐蝕裕量，建議采取與筒體腐蝕裕量相統一的數值，而對于小直徑或是薄壁的接管，則需采用合適的補強措施，如采用硬壁管或者是鍛制管。

從邵力子處出來后，黃炎培又跑去找國民參政會的副秘書長雷震。雷震是國民黨內頗有名氣的法學家，頗受蔣介石的信任。他聽了黃炎培的敘述，當即答應兩點：一是馬上向蔣介石反映，二是最近找戴笠談一下，建議他親自上門向黃炎培賠禮道歉。雷震還力勸黃炎培不要到處找人了，以免給“政府”造成不良影響。

2 壓力容器設計問題相應的解決途徑

2.1 壓力容器設計中方法選擇問題的解決

壓力容器的常規設計，屬于簡單并且容易執行，但又相對較保守的一種傳統性的設計方法。該方法把最大應力當作設計的參數依據，無需思考結構所產生的熱應力、局部應力、邊緣應力及峰值應力等。以常規設計為基礎的壓力容器雖然安全性較高，但是所需的成本也較高，并且比較死板笨重。壓力容器的分析設計，是通過使用數值計算技術，以第三強度理論和第四強度理論為基礎，來明確壓力容器具體的設計參數。同常規的設計相比較，分析設計能夠節約20%～30%的材料，可有效的降低制造的加工量，減少運輸方面的費用等。但是，分析設計針對材料的選擇、制造、檢驗與驗收的規定要求，均需比常規的設計更為嚴格。所以，設計人員需結合壓力容器的相關設計標準，再參照現實的生產需要，充分考慮制造運輸的成本，合理科學的選用壓力容器的相應設計方法。

2.2 壓力容器設計開孔補強問題的解決

在壓力容器的設計當中，開孔補強這種設計方法屬于一個重點、難點。開孔補強法的基本原理主要可劃分成等面積法和分析法。等面積法主要是把受拉伸開孔的大平板當作計算的模型，將補強殼體一次加載時的總體平均應力當作補強的原則。由于殼體截面開孔，所以被削弱的承受強度面積一定要選用補強的材料給予同等面積的補償。此外，由于等面積法是基于靜力平衡的補償計算方法，因而它不適用于有疲勞強度要求的開孔補強計算。分析方法主要是對殼體的極限進行深入分析，要比等面積的方法更為合理和科學，但是會受開孔殼體與補強接管尺寸的影響和局限。

壓力容器針對開孔補強所采取的措施主要包含：（1）增加筒體厚度；

（2）增大補強圈厚度或接管厚度；

（3）增大開孔周圍的筒體厚度或增加補強圈的整體寬度。

2.3 壓力容器設計焊接問題的解決

如果壓力容器其封密性不合格，在應用的過程中發生泄漏，不但會對其內部的介質起不了充分的保護作用，有可能還會對施工人員其自身的安全形成不同程度的威脅。

解決焊接裂紋的方法有：

（1）選擇使用低氫型的焊條；

（3）合理選擇適合的焊接技術。

焊接咬邊指的是，在焊接的時候焊接的位置發生凹槽。防止焊接咬邊的方法主要有：

（1）選擇與焊接材料選擇相適應的焊接方法，合理調整焊接的電流大小和角度；

（2）焊接的工作人員在進行焊接時，需隨時觀察焊接處的各種變化，確保可以及時察覺焊接咬邊并及時的給予有效的處理。

焊接氣孔指的是，焊接的時候熔池當中的氣體不能得到有效的析出。解決焊接氣孔的途徑有：

（1）確保對接口、坡口周邊的清潔；

（2）管控溶渣本身的濃度；

（3）隨時更換焊條。

2.4 壓力容器設計腐蝕問題的解決

為了可以使壓力容器的使用期限延長，一般所采取的解決措施有：

（1）選用合適的材料；

（2）應用延緩腐蝕的制劑；

（3）提升壓力容器的焊接質量；

（4）應用防腐蝕的涂料；

（5）襯里形式的防護；

（6）在容器壁表面噴丸強化；

（7）加強管理和維護。

除此以外，在設計壓力容器的過程中，設計人員需綜合的考慮壓力容器的服役環境會對其所造成的影響，并且，以腐蝕的最大速度當作計算的依據，來確定壓力容器最大的腐蝕裕量。

3 結束語

綜上所述，壓力容器的設計與壓力容器設備在工業生產當中的作用有直接性的關系。只有嚴格的依據國家的有關規定及壓力容器其行業中的標準規定來實施科學合理的設計，才可以保證壓力容器在使用期間的安全性及可靠性，從而提升壓力容器行業在市場中的競爭力及其生產的效益。