壓力容器的選材及開孔補強

李亞瑋

(阜陽安固鍋爐壓力容器制造有限公司 安徽 阜陽 236000)

在壓力容器的設計過程中，我們首先要考慮的問題就是選材。只要選定了材料，我們才能進行設備的強度計算和結構設計。材料選擇的合適與否在很大程度上決定了設備的成本和使用壽命。為了滿足工藝、制造、設備的定期檢驗及維修等方面的需求，壓力容器殼體上通常會進行多個開孔操作。這就導致了開孔部位設備材料的不連續性，從而在開孔部位產生較大的局部應力。因此，我們在進行開孔設計時應選擇合適的補強結構，降低開孔處的局部應力，保證設備在開孔處具有較好的質量。

一、壓力容器的合理選材

壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質相容性。材料選擇主要由使用條件決定，使用條件包括設計溫度、設計壓力、介質特性和操作特點。在相同的設計條件下，提高材料強度，可以增大許用應力，減薄設備主要受壓元件厚度，減輕重量，簡化制造、安裝和運輸，從而降低成本，提高綜合經濟性。對于大型壓力容器設備，采用高強度材料的效果尤為顯著。但是，在追求強度的同時也要保證材料具有足夠的韌性。由于原材料和制造等方面的原因，壓力容器用鋼常帶有各種各樣的缺陷，如裂紋、氣孔和夾渣等。研究表明，并不是所有缺陷都會危及壓力容器的安全運行，只要當缺陷尺寸達到某一臨界尺寸時，才會發生快速擴展而導致設備破壞。臨界尺寸與材料韌性密切相關，它隨著材料韌性的提高而增大。材料韌性越好，臨界尺寸越大，設備對缺陷就越不敏感；反之，在壓力作用下，很小的缺陷就有可能快速擴展而導致設備破壞。因此，材料韌性也是壓力容器選材的一個重要指標。材料強度越高，韌性越差。在選擇材料時，應特別注意材料強度和韌性的合理匹配，避免設備在使用過程中因材料韌性不足而發生破壞。除材料強度外，溫度也是影響材料韌性的一個重要因素。低溫工況下，碳素鋼和低合金鋼的韌性會隨著溫度的降低而降低，當溫度低于韌脆性轉變溫度時，材料會發生脆性斷裂，從而導致設備破壞。所以，在低溫工況下，我們就不能采用一般的Q345R低合金鋼板，而是采用16MnDR和09MnNiDR等低溫專用鋼板，并對母材和焊縫進行設計溫度下的沖擊試驗，來驗證材料是否有足夠的低溫韌性。相反，設計溫度高于400℃(特別是高于475℃)至600℃的壓力容器，通常選用15CrMoR等中溫抗氫鋼板，保證材料有較高的許用應力和抗氫能力。不銹鋼在低溫、高溫條件下都具有較高的強度和韌性。但是，由于不銹鋼的許用應力較低，相同設計條件下，設備厚度會相對增加，從而導致設備重量增加；另外，不銹鋼的價格遠遠高于碳鋼，從而導致設備成本較高。同時我們也要考慮材料和介質的相容性。例如，奧氏體不銹鋼雖具有很好的耐腐蝕性能，但是在氯化物溶液中，很容易產生晶間腐蝕，從而導致設備破壞。當設備壓力較高，對耐腐蝕性能要求又高時，我們通常采用復合鋼板。從而達到既能提高材料的許用應力和腐蝕性能，又能降低設備成本的效果。但是復合板設備的加工相對一般設備要麻煩的多，特別是焊接方面。綜上所述，在進行壓力容器選材時，我們應綜合考慮容器的使用條件、材料和介質的相容性、加工性能、材料性能、材料使用經驗和綜合經濟性，并嚴格按照相關標準規范，合理選材。

二、壓力容器的開孔補強

在設備的強度計算過程中，我們一般會根據設備的設計參數計算出殼體所需要的最小厚度，并結合設備剛性的需要，指定設備殼體的厚度。在保證設備主體強度的前提下，結合開孔的大小、數量、位置以及開孔間距，選擇出適當的開孔補強計算方法和補強結構。對于一般壓力和溫度不高、腐蝕余量較小，筒體直徑不大，且開孔直徑較小的設備，我們只需按照GB/T150.3-2011中6.1.3的規定，選擇相應厚度的接管即可免除開孔補強計算。相反，當設備無法按照GB/T150.3-2011中6.1.3免除開孔補強計算時，我們就要對設備的開孔補強進行設計。目前我們常用的補強方法有整體補強和局部補強兩種。顧名思義，整體補強就是通過增加設備殼體厚度的方法，來增大接管有效補強范圍內殼體多余的補強面積，從而實現補強的一種方法。這種方法會使設備的結構簡單、受力較好，對于一般直徑較小、壓力不高的設備比較實用。但是隨著設計壓力的提高，設備直徑的增大，這種補強方法的弊端就顯現出來。一方面，它會大大增加設備的材料成本，特別是不銹鋼設備；另一方面，隨著殼體厚度的增加，設備的加工性能和焊接性能相應降低。這時我們就應該考慮采用局部補強。局部補強主要使用補強圈、厚壁接管和整體鍛件三種補強方式，如下圖所示：

(一)補強圈補強

補強圈材料應與殼體材料相同或相近。這種方法取材方便、成本較低，且具有豐富的使用經驗，因此使用最多。但是補強圈與殼體之間存在一層靜止氣隙，給壓力容器的整體傳熱效果造成嚴重影響，甚至會在補強圈與殼體之間形成溫差和熱膨脹差，最終導致溫差應力出現而嚴重影響壓力容器開孔補強設計的實際效果。這種補強結構一般用于中低壓容器中，對于高壓、低溫、極度高度危害以及強滲透性介質的場合杜絕使用。負壓工況時，有時會出現內漏現象，難以發現，因此，當設備承受外壓時，應盡量避免使用這種補強結構。

(二)厚壁接管補強

該方法主要通過增加有效補強范圍內的接管多余金屬面積來實現補強。一般情況下可以使用無縫鋼管，當無縫鋼管厚度受限無法滿足需求時，可以使用鍛管。采用鍛管時，我們應精確計算鍛管的有效補強長度，確保鍛管補強段的實際外伸長度和內伸長度滿足有效補強長度的需要。這種補強結構一般用于低溫、高壓和介質毒性程度為極度、高度危害場合。

(三)整體鍛件補強

該補強結構將角焊縫轉變成對接縫，避免了開孔處的結構突變，有效的降低了集中應力，且具有良好的焊接性能。但是整體鍛件的成本較高，一般僅在整體補強受限和較大開孔場合使用。

綜上所述，在壓力容器設計過程中，選材和開孔補強設計是非常重要的兩個環節。設計人員應根據實際需求，有針對性的選擇最佳材料和補強形式。實現壓力容器設備設計的安全性、合理性及經濟性。