化工壓力容器設(shè)計的成本效益及安全性分析

趙倩茹

（中國昆侖工程有限公司，北京 100037）

化工壓力容器是化工生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分，其設(shè)計質(zhì)量和安全性對于整個生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益和人身安全具有重要意義。在化工壓力容器設(shè)計中，成本效益和安全性是兩個關(guān)鍵因素。合理地設(shè)計不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還能夠降低設(shè)備維護(hù)和修理費用，從而為化工企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 化工壓力容器設(shè)計的基本要素

1.1 材料選擇

化工壓力容器的材料成本是容器設(shè)計成本的重要組成部分。材料的選擇需要根據(jù)容器的設(shè)計要求、介質(zhì)的特性、使用環(huán)境和安全性等因素進(jìn)行綜合考慮[1]。一般來說，化工壓力容器使用的材料包括金屬材料和非金屬材料。金屬材料如碳鋼、不銹鋼、合金鋼等是化工壓力容器最常用的材料，其成本與市場價格、厚度、規(guī)格等因素有關(guān)。非金屬材料如陶瓷、玻璃、塑料等在特定場合下也可以用于化工壓力容器的制造，但其成本受到原材料的供應(yīng)和加工工藝等因素的影響。

在材料成本的控制方面，可以通過優(yōu)化設(shè)計、合理選用材料、批量采購等方式降低成本。例如，對于一些高溫、高壓、腐蝕等惡劣工況下的化工壓力容器，可以選擇具有優(yōu)良性能且價格相對較低的國產(chǎn)材料代替進(jìn)口材料。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

化工壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是壓力容器設(shè)計的重要組成部分，其設(shè)計的合理性直接影響到壓力容器的性能、安全性和成本效益。

（1）確定容器的基本參數(shù)。根據(jù)容器的使用要求、工作條件和工藝條件，確定容器的基本參數(shù)，如容積、工作壓力、工作溫度、介質(zhì)特性等。

（2）選擇合適的材料。根據(jù)容器的設(shè)計要求和介質(zhì)特性，選擇合適的材料，并考慮材料的價格和供應(yīng)情況[2]。

（3）設(shè)計容器的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)容器的使用要求和工作條件，設(shè)計容器的結(jié)構(gòu)形式，如筒體、封頭、開孔與接管、支座等。

（4）確定結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)。根據(jù)容器的設(shè)計要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)節(jié)，如焊接接頭形式、焊接坡口形式、焊接工藝等。

（5）進(jìn)行強(qiáng)度計算。根據(jù)容器的設(shè)計要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度計算，確定容器的壁厚和結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足工作壓力和介質(zhì)壓力的要求。

（6）進(jìn)行穩(wěn)定性校核。根據(jù)容器的設(shè)計要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行穩(wěn)定性校核，確定容器在承受工作壓力和介質(zhì)壓力情況下的穩(wěn)定性。

（7）進(jìn)行可靠性評估。根據(jù)容器的設(shè)計要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行可靠性評估，評估容器在使用過程中的安全性和可靠性。

2 成本效益分析

2.1 設(shè)計成本

2.1.1 材料與制造成本

材料和制造成本主要包括原材料的采購、加工、裝配、運輸?shù)荣M用。對于不同的材料和制造工藝，其成本也會有所不同。例如，采用不銹鋼材料制造的化工壓力容器比采用普通鋼材制造的成本要高得多。此外，制造過程中的勞動力成本、設(shè)備折舊費用等也是構(gòu)成設(shè)計成本的重要因素。

2.1.2 測試成本

壓力容器設(shè)計過程中還需要進(jìn)行諸多測試，故而會產(chǎn)生各種測試和檢驗費用，例如壓力測試、氣密性測試、耐腐蝕性測試等。這些測試和檢驗的目的是確保壓力容器的安全性和可靠性，以及滿足相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。測試成本也會受到測試項目數(shù)量、測試范圍、測試方法和測試場所等因素的影響。

2.2 使用和維護(hù)成本

2.2.1 檢驗成本

為確保化工壓力容器運行安全性，在使用過程中需要定期對產(chǎn)品進(jìn)行檢查，其中，外部檢查包括外觀檢查、保溫層檢查等，需要查明產(chǎn)品外部是否存有裂縫等；內(nèi)部檢查是指對容器內(nèi)部進(jìn)行檢查，包括壁厚測量、腐蝕情況檢查等[3]。定期試驗是指對容器進(jìn)行壓力試驗、氣密性試驗等，以驗證容器的承壓能力和密封性能；厚度測量是指定期對容器壁厚進(jìn)行測量，以監(jiān)測容器的腐蝕情況；腐蝕監(jiān)測是指采用電位測量、超聲波檢測等方法，對容器的腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測和評估。這些檢驗項目需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，同時需要購買相應(yīng)的檢測設(shè)備和工具，因此會產(chǎn)生一定的費用。

2.2.2 維護(hù)修理成本

為確保化工壓力容器使用性能良好，需要定期對其進(jìn)行維護(hù)修理，這必然會產(chǎn)生相應(yīng)費用。

（1）維護(hù)修理人工費用。包括維修人員的工時費用、加班費用等。

（2）備件材料費用。包括更換的零部件、潤滑油等費用。

（3）運輸費用。包括容器在現(xiàn)場與維修場所之間來回運輸?shù)馁M用。通常，化工壓力容器的維護(hù)修理成本具有較大差異，因設(shè)備型號、維修內(nèi)容等因素而異，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行評估。為了降低維護(hù)修理成本，建議加強(qiáng)設(shè)備的日常維護(hù)和保養(yǎng)，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，避免問題擴(kuò)大而造成更大的損失。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益

化工壓力容器設(shè)計的經(jīng)濟(jì)效益主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）提高生產(chǎn)效率。通過優(yōu)化設(shè)計，可以使化工壓力容器在生產(chǎn)過程中的操作更加穩(wěn)定、可靠，減少因設(shè)備故障、生產(chǎn)中斷等問題帶來的損失，提高生產(chǎn)效率。

（2）降低能源消耗。通過優(yōu)化設(shè)計，可以使化工壓力容器在運行過程中更加節(jié)能、環(huán)保，降低能源消耗，減少對環(huán)境的影響。

（3）降低維修成本。通過優(yōu)化設(shè)計，可以使化工壓力容器的結(jié)構(gòu)更加簡單、易維護(hù)，減少維修成本和維修時間，提高設(shè)備的可維護(hù)性。

（4）提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過優(yōu)化設(shè)計，可以使化工壓力容器在生產(chǎn)過程中更加穩(wěn)定、可靠，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少次品率和廢品率。

2.4 環(huán)境效益

（1）減少能源消耗。在節(jié)能減排的大背景下，化工壓力容器的生產(chǎn)過程應(yīng)盡可能節(jié)能、環(huán)保，最大化降低能源消耗。

（2）減少污染物排放。化工壓力容器在生產(chǎn)過程中，可能會產(chǎn)生廢氣、廢水等污染物，通過優(yōu)化設(shè)計，可以減少這些污染物的排放，降低對環(huán)境的影響。

（3）促進(jìn)可再生能源的使用。從設(shè)計方面對化工壓力容器進(jìn)行改進(jìn)，使之更加適合使用如太陽能、風(fēng)能等可再生能源，以減少對傳統(tǒng)能源的依賴。

3 安全性分析

3.1 壓力容器的機(jī)械安全性

化工壓力容器通常體積較大，需要具備較高的機(jī)械安全性，以承受在運輸、裝卸、使用過程中的內(nèi)、外部機(jī)械應(yīng)力，確保容器不發(fā)生破裂、泄漏等安全事故。可采取以下措施。

（1）設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，提高容器的穩(wěn)定性。

（2）選擇高質(zhì)量的材料，保證容器的強(qiáng)度和耐腐蝕性。

（3）進(jìn)行嚴(yán)格的制造和檢驗，確保容器的制造質(zhì)量。

（4）定期進(jìn)行檢驗和維修，及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)潛在的機(jī)械故障。

（5）嚴(yán)格按照操作規(guī)程使用容器，避免因操作不當(dāng)導(dǎo)致的安全事故。

3.2 壓力容器的化學(xué)安全性

化工壓力容器大多需要處理腐蝕性、毒性、放射性等物質(zhì)，因此需要具備較高的化學(xué)安全性，以防止容器被腐蝕。可從以下幾方面入手提高壓力容器化學(xué)安全性。

（1）選擇合適的材料。針對處理介質(zhì)的特點，選擇合適的材料，如耐腐蝕性、耐高溫性等，以抵抗介質(zhì)的腐蝕和侵蝕。

（2）采用防腐措施。采用涂層、襯里等防腐措施，增強(qiáng)壓力容器對介質(zhì)的耐腐蝕性能。

（3）嚴(yán)格控制操作條件。嚴(yán)格控制壓力容器內(nèi)的操作條件，如溫度、壓力、介質(zhì)濃度等，避免超過容器的承受能力。

3.3 壓力容器的操作安全性

確保壓力容器操作安全性的措施如下。

（1）嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，避免過高的壓力和溫度導(dǎo)致容器破裂。

（2）加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)。操作人員應(yīng)持證上崗，企業(yè)還應(yīng)對操作人員進(jìn)行嚴(yán)格的崗前培訓(xùn)，使其能夠規(guī)范操作壓力容器，操作人員還應(yīng)提升自身安全意識，始終將生產(chǎn)安全放在第一位[4]。

（3）配備安全附件。壓力容器應(yīng)配備安全閥、緊急切斷裝置等安全附件，以在超壓或出現(xiàn)其他安全隱患時及時采取措施，保護(hù)容器和其他設(shè)備的安全。

3.4 壓力容器的環(huán)境安全性

（1）采取減振降噪措施。針對壓力容器產(chǎn)生的噪聲和振動，可采取減振降噪措施，如增加減振器、改善支撐結(jié)構(gòu)等，降低對環(huán)境的影響。

（2）采取防護(hù)措施。針對壓力容器產(chǎn)生的輻射等影響，可采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如設(shè)置屏蔽層、增加防護(hù)距離等，減少對環(huán)境和人體的影響。

4 提高成本效益和安全性的設(shè)計策略

4.1 設(shè)計優(yōu)化

（1）材料選型的優(yōu)化。選擇合適的材料是設(shè)計優(yōu)化過程中非常重要的一步。材料的優(yōu)化應(yīng)該基于容器的使用狀況和環(huán)境條件，在保證容器強(qiáng)度的前提下，選擇具有優(yōu)異性能的材料。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。在壓力容器設(shè)計優(yōu)化的過程中，需要考慮到容器的強(qiáng)度、剛度和變形等性能，以確保容器的正常使用。

4.2 采用先進(jìn)的制造技術(shù)

（1）3D 打印技術(shù)。3D 打印技術(shù)可用于制造復(fù)雜的壓力容器部件，減少加工時間和成本。3D 打印技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

（2）激光焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)是一種熔融焊接技術(shù)，以激光束為能源，使其沖擊在焊件接頭上以達(dá)到焊接目的。根據(jù)功率大小，該技術(shù)又分為穿透焊和縫焊兩種，穿透焊需要功率較大的激光焊機(jī)，熔深比縫焊的低，可靠性也稍低一些。縫焊只需較小功率激光焊機(jī)，熔深比穿透焊得高，可靠性相對較好，但連接片需沖孔，加工相對困難。

（3）熱處理技術(shù)。熱處理技術(shù)可以提高壓力容器的材料性能，包括焊接前預(yù)熱、退火、淬火、回火等多種。其中，預(yù)熱可有效降低金屬材料焊接后的冷卻速度，保證焊接區(qū)內(nèi)所有金屬混合物的氫分離，減少氫分離導(dǎo)致的斷裂可能性；而淬火可增強(qiáng)材料的硬度和韌性[5]。

（4）無損檢測技術(shù)。無損檢測技術(shù)可以檢測壓力容器內(nèi)。外部的缺陷，提高壓力容器的質(zhì)量。目前常用射線檢測、超聲波檢測等方法。

4.3 提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性

（1）重視圖樣審查。如設(shè)計總圖上是否有壓力容器設(shè)計單位的設(shè)計許可印章；壓力容器類別劃分是否正確；選用的制造標(biāo)準(zhǔn)、驗收標(biāo)準(zhǔn)是否符合相應(yīng)的新版本國標(biāo)；技術(shù)要求、制造條件是否正確等。

（2）原材料質(zhì)量監(jiān)管。如考慮產(chǎn)品所處惡劣工況對其的不利影響，選用符合性能要求的材料；必須從原材料的入廠檢驗著手，成立專門的質(zhì)檢部門對入廠原材料進(jìn)行檢驗，為提高檢驗效率，可采取抽樣檢驗方法，需要對材料外觀、性能等進(jìn)行嚴(yán)格檢測，若檢測不合格則應(yīng)立即聯(lián)系廠家調(diào)換。還應(yīng)建立起嚴(yán)格的監(jiān)管機(jī)制，保障零部件所使用原材料的可追蹤性與可靠性。

（3）規(guī)范焊接生產(chǎn)。正式焊接之前，焊接人員要熟悉壓力容器內(nèi)部具體構(gòu)造，熟悉焊接工藝，在焊接的過程中要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)。需要焊接受壓元件時，不得在焊件表面引弧，避免擦傷被焊工件。同時，還應(yīng)防止電纜線、焊鉗與焊件打弧，一旦因操作失誤造成打弧時，則應(yīng)立即補(bǔ)救，對打弧處進(jìn)行打磨令其與母材均勻過渡。此外，焊接過程中還應(yīng)對焊件外觀進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)元件存在氣孔、夾渣、裂紋等缺陷應(yīng)及時除去并補(bǔ)焊，若裂紋嚴(yán)重應(yīng)報告質(zhì)檢部門，待處理后再進(jìn)行焊接。在焊接中板或厚板時，需要注意焊接工藝的選擇，盡量采用多層、多道焊，在進(jìn)行下道焊接之前，需要先將前一道焊縫清理干凈[6]。耐熱鋼的焊接相對較為特殊，需要在預(yù)熱后立即焊接，并保證預(yù)熱溫度適宜。若在生產(chǎn)過程中工件冷卻至預(yù)熱溫度以下時，需要對其重新預(yù)熱后再進(jìn)行焊接，且焊后需立即對焊縫采取緩冷措施，使其緩慢冷卻。對于一些需要進(jìn)行雙面焊接的零部件而言，應(yīng)先進(jìn)行正面焊接，之后再將元件翻轉(zhuǎn)到背面，并使用碳弧氣刨清焊根后再施焊。

4.4 加強(qiáng)使用和維護(hù)培訓(xùn)

（1）平穩(wěn)操作。在操作壓力容器過程中，應(yīng)避免壓力頻繁、大幅度波動，否則會影響容器的抗疲勞強(qiáng)度，應(yīng)保證操作壓力平穩(wěn)。此外，還應(yīng)控制好容器內(nèi)的溫度，一旦罐內(nèi)溫度過高，罐中內(nèi)容物就會劇烈反應(yīng)而使壓力突增，這樣一來，壓力容器就有爆炸的風(fēng)險，或?qū)е路磻?yīng)物分解著火。同時，過高的溫度會使壓力容器材料的力學(xué)性能（如高溫強(qiáng)度）減弱，承載能力下降，壓力容器變形，而溫度過低則有可能造成反應(yīng)速度減慢或停滯。

（2）防止超載。當(dāng)壓力來自蒸汽鍋爐等外部時，一旦操作失誤就有可能引起超壓。對于通過減壓閥降低壓力后才進(jìn)氣的容器，應(yīng)密切注意減壓裝置的工作情況，并裝設(shè)靈敏可靠的安全泄壓裝置。

（3）容器運行期間的檢查。操作人員在容器運行期間應(yīng)經(jīng)常檢查容器的工作狀況，以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的不正常狀態(tài)，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整或消除，防止異常情況擴(kuò)大。

（4）檢查內(nèi)容包括容器的外觀、密封性能、安全閥的工作狀態(tài)等，如發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)或更換。

（5）合理設(shè)置壓力參數(shù)。在操作壓力容器時，需要根據(jù)工藝要求和設(shè)備的承受能力，合理設(shè)置壓力參數(shù)，過高或過低的壓力都可能導(dǎo)致設(shè)備運行不穩(wěn)定或發(fā)生事故。

5 結(jié)束語

我國是一個工業(yè)大國，化工壓力容器性能的優(yōu)劣與產(chǎn)品性能、使用安全性等密切相關(guān)，在設(shè)計化工壓力容器時，需要綜合考慮成本效益和安全性，只有達(dá)到兩者平衡的設(shè)計才是最優(yōu)的解決方案，確保容器在承受工作壓力時具有足夠的穩(wěn)定性和可靠性。還需要持續(xù)關(guān)注新技術(shù)、新材料的發(fā)展，利用先進(jìn)技術(shù)手段不斷提升容器的性能和質(zhì)量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)對于安全、高效、環(huán)保等方面的更高要求。