淺析壓力容器的選材及補強設計

王錫東

（大慶油田設計院有限公司，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

壓力容器的整體結構在化工生產中起著重要作用，鋼瓶材料的選擇必須按照相應的標準進行。在實際生產過程中，設計制造單位容易對化工壓力容器的壓力標準產生誤解，因此必須針對試用過程中存在的問題，采取材料更換和加固設計，完成化工壓力容器的維修。

1 壓力容器的選材

在壓力容器的設計中，除了要滿足有關法規和標準的剛性要求外，主要壓力元件的選擇還必須選擇能夠滿足設備的機械、物理、工藝和介質相容性的材料，保證材料具有良好的可加工性、足夠的強度和耐腐蝕性等。（1）按照介質的性能特性和工作條件，選擇適當的鋼種，確定使用的鋼種。所采用的鋼材均應能夠抵抗容器內部的介質銹蝕，以確保其使用壽命，容許的應力量均宜在適當的設計溫度和壓力下，以滿足對容器內部的強度要求[1]。可以考慮選擇一些特殊的介質作為復合材料，可以通過使用基層的結構來滿足熱力學性能，與介質接觸的涂層也可以被廣泛地用來抵御介質的侵害，從而改善鋼的合理使用。例如，在濕硫化氫應力受到腐蝕的環境中，當設計壓力容器時，應限制 c，s，p和ni等元素含量，應盡量選用q245r等碳鋼；（2）對于壓力容器材料的選擇，它們應當充分考慮到裝置制造和工藝的性能，應當具備良好的焊接、成形、強韌性以及很大的熱塑性；（3）對于各種壓力容器的原件和材料，我們都應盡可能地避免不必要的資源和人力浪費，提高它們的社會經濟效益，避免“越厚越安全”、“性能越好”等視覺誤區。例如，鋼板厚度的增長會極大地增加了設備抗壓性能，但同時會極大地增加了設備的自重，增加了對于設備的支撐零部件（如鞍座、裙坐等）的設計要求，并會使其出現不穩定等嚴重的安全隱患，同時會給設備造成大量材料的浪費；（4）各種壓力容器均應當從國家或者具有規定相應資格的企業所需要生產的鋼材中進行選擇。化工壓力容器本身作為一種專門的設備，如果使用中發生事故，其危害可能性是巨大的。因此，國家質量監督檢驗檢疫總局嚴格監督各類壓力容器的研發、制造、安裝和使用，確保壓力容器的安全運行。

2 壓力容器的補強設計要點

2.1 開孔補強設計要點

在壓力容器局部加固結構設計中，應特別注意局部加固結構設計，即強搭接焊加固、整體鍛造加固和后壁連接管。后墻節點加固技術在設計上具備了焊接質量良好、結構簡單、焊縫少等特征，保證了節點的加固。采用了整體鍛件的補強技術，即將噴嘴、補強機械結構和殼體零件組成部分都進行了加工，使其發展成為一個完整的鍛件，然后將噴嘴與殼體經焊接相互作用，這樣就可以大大降低了應力的集中度，從而促使經過補強的塑料具備較高的耐腐蝕和抗疲勞性能。但是在整體壓力容器的強化工作技術中卻存在著使用頻率較低、造價相當昂貴的問題，在化工壓力容器的強化作業中普遍存在。此外，加強環技術通常用于低溫低壓容器，其工作原理是在無限大板上開一個小孔。將加強板材料焊接在焊接壁上，可以提高孔邊金屬的強度。開口處金屬去除的質量直接關系到可回收金屬的數量。

2.2 開孔補強應力論述

化學壓力容器穿孔后產生三種應力，即膜應力、峰值應力和彎曲應力。一般而言，壓力容器可能直接受到均勻膜上的應力限制。開孔后，孔邊應力集中，影響程度受孔和孔之間距離的影響，但總膜應力不大于孔邊應力水平。當壓力容器穿孔后，壓力容器和連接部件的范圍內應力分布變化相對減少，造成峰值應力的發生和值增加。將各種壓力容器彎曲應力均勻地分解成為主應力，以協調殼體和連接管之間的動力學關系，同時也產生了相應的彎曲應力，使得壓力容器在正常工作中難以受到破壞。

2.3 補強結構分析

（1）環形加固。補強環法就是一種很常見的補強方法。板厚是指用來提高氣密材料在空腔周圍的容器外殼上所承受的強度。本實用新型專利技術框架結構簡單，加工和制造簡易，應用經驗豐富。在進行設計過程中，我們應該要充分考慮到補強環、噴嘴及殼體之間的合理焊縫結構，以便于生產。由于這種加強環沒有與噴嘴和外殼體相互集成，抗疲勞和耐腐蝕性能也比較差，通常適用在普遍的常溫、靜壓下的中高壓容器；（2）鋼筋厚壁管。厚壁管可以集中應力集中區域，比加強環更能有效地降低應力集中系數。本實用新型的結構也比加強環簡單，不需要疊加焊接。在使用厚壁管配筋時，在配筋范圍外可采用減小壁厚以滿足抗壓強度可降低的方法，這樣可以節省一些材料。

3 結語

壓力容器是化工生產中的重要設備，其安全性直接關系到化工生產活動，因此科學選擇壓力容器，優化增強設計是壓力容器設計的重要內容。在材料的選擇過程中，必須遵守相關要求，使材料的質量滿足實際需要，而加固設計工作需要考慮到施工成本、技術和安全，以維持化工壓力容器的正常運行。