化工壓力容器設計中的選材和補強分析

陳曉燕

中石油華東設計院有限公司 北京 100029

隨著時代的不斷進步，在化工生產中逐漸凸顯了化工壓力容器的重要性，為了保證容器的安全運行，就必須科學地進行補強設計以及容器選材工作。在深入分析化工壓力窗口的補強與選擇材料過程中，應結合實際經驗，熟練運用相關行業和國家標準，保證所選材料可以在化工壓力窗口中使用，具有較高的準確性[1]。但是現階段，在運用化工壓力容器的規范與標準中，化工壓力窗口的制造單位與設計單位仍存在一些問題，稍有不慎就會導致運用時對人們的財產與生命安全造成威脅。因此，必須做好化工壓力容器的補強設計和材料選擇工作，才能有效解決這個問題，從而促進我國工業的快速發展，保證化工壓力容器的正常運行。

1 化工壓力容器設計中材料的選用

1.1 選用主體材料

要想保證壓力容器的安全性，就必須正確選擇主體材料。在設計壓力容器過程中，除了要根據相關標準與法規等硬性規定來選擇主體受壓元件選樣外，也要選擇能滿足設備工藝性能、物理性能、力學性能和介質相容性的材料，以此來保證所選擇的材料有較強的耐蝕性、足夠的強度以及優良的可加工性。

（1）應結合工作條件與介質特點選擇鋼材種類，對用材牌號進行確定。同時，還應保證使用壽命，所有鋼材要抗容器介質腐蝕。在相應壓力和設計溫度下，其許用應力要滿足容器的強度要求。同時，可選用復合材料作為一些特殊介質，與介質接觸的復層可以對抗介質腐蝕，基層用來滿足力學性能，以此來對鋼材的合理利用進行有效提高。例如，在設計高硫壓力容器時，應優先選用Q245R等碳素鋼材，要對C、S、P、Ni、Mn等元素含量材料進行限制。

（2）要充分考慮設備的制造性能，來進行壓力容器選材，既要有較大塑性、高韌性，也要有較好的成型性與焊接性能[2]。

（3）在選擇壓力容器材料時，還應提高其經濟性，避免不必要的浪費，對于“性能越高越好、越厚越安全”等直觀誤區進行避免。例如，較厚的鋼材會增加設備自重，增加設備抗壓能力，大大提高對裙座、鞍座等設備支撐元件的設計要求，造成材料的大量浪費，并且還存在失穩等重大隱患[3]。

（4）我國向國際上以及國外輸出的裝備制造，優于國內使用的鋼材料，所以，國內壓力容器用材上逐漸出現了越來越多境外牌號的新型材料，在使用境外牌號鋼材時，應注意的是：第一，相似工作條件的使用實例必須具有；第二，對于我國法規的要求，相關質量、化學成分、材料性能等證明文件必須滿足；第三，對于材料的使用性能與加工性能，壓力容器的制造與設計單位必須要了解與掌握。并嚴格按照《固定式壓力容器安全技術監察規程》TSG21-2016使用新材料，并通過技術評審要求。

（5）在選用壓力容器材料過程中，應優先選擇具有相應資質企業生產的鋼材。作為特種設備，化工壓力容器若發生事故，就會給企業造成嚴重損失。因此，對于壓力容器使用、安裝、制造、設計等各個環節，國家質量監督檢驗檢疫總局都應進行嚴格監管，從而對壓力容器的安全運行進行有效的保證[4]。

1.2 選用壓力容器設計中補強材料

應綜合考慮經濟性、焊接性能、力學性能、理化性能來選擇補強材料，并且保證所選材料與主體材料牌號相近或一致，若與殼體材料的許用應力相比，補強材料許用應力較小，應按照補強材料和殼體材料的許用應力之比，增加補強面積，若與殼體材料的許用應力相比，補強材料許用壓力較大，就必須減少補強面積。總之，殼體材料與補強材料不同會降低設備的經濟性，增大補強面積。

1.3 分析壓力容器選材設計的實例

在設計壓力容器時，某一企業利用16MnR代替15CrMoR，溫度為470度。相關的強度可從設計手冊中查閱得到，在350度內，替換鋼材后，指標比替換前的鋼材要高，前者的強度指標，若在溫度大于425度時，就會高于后者。因此，材料之間在一定溫度下，不可以隨便替代。若長時間使用碳錳鋼和碳素鋼，在425度條件下，就必須考慮碳化物石墨的傾向問題。兩種鋼中的滲碳在高溫下，會一一進行分解，并會導致16MnR鋼內珠光體消失，直接降低材料的塑性與強度，加大了生產的危險，沖擊值也會明顯下降。

2 探討壓力容器補強結構及設計方法

2.1 分析補強結構

（1）補強圈補強。較為常見的補強方式就是補強圈補強，在對開孔周邊容器殼體補強強度進行增加時，主要利用開補強板的厚度。其加工制造簡便，結構較為簡單，應用經驗豐富。對于殼體、接管、補強圈三者焊接的合理結構，在設計時要充分考慮到，以便于制造。因為補強圈沒有與殼體和接管形成整體，導致這種補強通常用于靜壓和常溫下的中低壓容器中，抗疲勞性較差。

（2）厚壁管補強。此種方法可以使補強區域集中在應力集中區，厚壁管補強與補強圈補強相比，對應力集中系數可以有效降低。其不需要疊加焊縫，結構比補強圈補強簡單。對于超出補強范圍的接管部分，在使用厚壁管補強時，可以利用減少壁厚來節省部分材料，滿足承壓強度[5]。

（3）整鍛件補強。此種方法可以對應力集中系數進行有效降低，鍛件強度優于板材和管材，采用接接頭來焊接殼體和整體鍛件，可以保證焊接質量，抗疲勞性能較好，使焊縫和熱影響區離開了應力點的最大位置，在有毒有害、高壓、高溫介質容器中用到的較多，在使用整體鍛件，為了不耽誤設備的制造周期，可以對鍛件成本高、加工周期長等不利因素進行充分考慮[6]。

2.2 分析壓力容器補強設計計算方法

（1）等面積補強法。現階段使用經驗最多、運用最為廣泛的計算方法就是等面積補強法，對于殼體上因開孔而消弱的承載面積，它認為應在有 效的補強范圍內，由接管、殼體、兩者焊接減少承載壓力之外的截面積來對削弱的承載面積進行補償。補強的方法通過開孔中心截面上的投影面積來計算，沒有充分對開孔系數及應力集中進行有效的考慮，至此，這種方法殼體和開孔直徑較小時，既簡單又可靠，但是此方法在殼體直徑與開孔直徑較大時，不太可靠，就偏冒進了。

（2）壓力面積補強法。對于等面積補強法的適用范圍，當開孔直徑超出后，就會有較大的彎曲應力出現在孔周圍，特別是在薄壁容器中的大開孔 。壓力面積補強法是以有效補強范圍內（補強材料、接管、殼體）的承載壓力面積與壓力荷載在殼體受壓面積上的平衡為前提。殼體在端部均布下，有效的補強范圍，就是對殼體局部環向薄膜的衰減進行全面考慮，也是孔邊高應力存在的范圍，在開孔率達到0．8時比較適用這種方法。對于開孔補強的設計，在《壓力容器》GB150-2011中并沒有在設計依據中納入壓力面積法，作為大開孔補強計算方法，其僅僅存在于《鋼制化工容器強度計算規定》中，而此行業標準的現階段狀態發展較為緩慢。因此，設計者應采用應力分析法，計算超出等面積法適用范圍的補強。

（3）彈塑性失效補強法。從應力分類中的安定性概念出發，此方法利用金屬形變硬化性能和延展性，在材料的兩倍屈服極限，對峰值應力進行限定，這樣不會有大面積塑性流動出現在開孔邊緣，一次薄膜應力和開孔周圍的不連續應力疊加后，所需的接管和殼體加厚量可用小于三倍的許用應力來計算。采用此方法主要用于殼體全焊透，并選用整體補強元件，依據《鋼制壓力容器-分析設計標準》JB4732-1995來嚴格執行相關結構尺寸。

3 結語

綜上所述，作為一類特種設備，壓力容器在設計過程中，既要考慮到其安全性，也應滿足其使用性能。受壓元件的選材直接關系到壓力容器使用過程中的經濟性、高效性、平穩性以及安全性。所以，作為壓力容器局部設計不可忽視的重要部分，在設計開孔補強過程中，設計人員在選擇補強方法時，應結合不同工況進行科學合理的選擇，以此來保證容器整體設計的可靠性與正確性。