試論化工設備壓力容器規范設計及發展

＊李彬楠

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

引言

化工行業中，壓力容器需要在一定壓力作用下，對流體介質進行儲存，通常以密閉狀態存在，為化工產品生產創建了良好的條件。企業若想創造更高的經濟收益，保證安全生產，在實際工作中要把握好安全生產與經濟效益之間的關系。故此，化工企業壓力容器在實際設計過程中應該充分考慮到各種不良因素與外界環境的影響，綜合考量可能出現的種種突發情況與嚴重后果，保證該設備的實用價值，各項流程符合設計標準。同時，壓力容器要加強維修與管理，設計出高質量的壓力容器，技術工作部門應該從設計環節入手，科學設計化工壓力容器的密閉性、運動能力，為促進化工行業發展貢獻力量。

1.化工設備中壓力容器設計的基本原理

化工設備壓力容器設計程序復雜，需要注意多項事宜，首先，技術部門要以最大化主應力基本強度理論作為依據，遵循彈性失效的原則。當一個壓力容器在某個應力條件下處于屈服狀態或材料發生了塑性流動時，它就不能再保持原來的彈性基態，而是處于破壞的狀態。在應力方法中，采用常規性設計，綜合考慮單一的最大載荷工況，一次施加靜載，忽略交變載荷，區分短期、永久載荷和疲勞壽命，采用簡化材料力學公式、板殼理論中的無矩理論公式。壓力容器所有的應力采用統一許用應力值，為了提高其安全性能，可以選擇安全系數較高的應力值，從而有效地解決了應力點分析中存在的不足問題[1]。

面對新形勢，壓力容器參數隨著外界因素影響產生新變化。互聯網技術介入后，傳統設計中存在的彈性失效基本原則無法滿足設計的需求。常規式設計方法無法滿足現實需求，對于這一問題應與新的失敗理念相結合進行處理。采用解析式設計，以最大剪切應力理論為基礎，以彈性應力分析及塑性破壞準則為基礎，進行試驗研究。在實際分析中需要綜合考量各種載荷條件的組合問題，突破過去應力計算工作的局限性，提升應力值。在保證壓力容器穩定性和安全性能的情況下，開展相關工作，在破壞準則的基礎上，合理應用各種基本原則，增加彈性破壞、彈塑性破壞、爆炸破壞準則等，確保化工設備的安全穩定。

2.化工設備壓力容器規范設計的注意事項

(1)合理選擇材料

由于化學工業的特殊性質，在實際操作過程中，若與化學工業的劣質產品相接觸，很容易發生腐蝕、易燃、易爆等事故，甚至會產生有毒物質。如果沒有得到及時處理，很有可能引起火災和爆炸，或者毒氣泄露，甚至會造成人員傷亡。因此，有關部門應對化學裝置中壓力容器的設計給予足夠的重視，明確規定和要求。通常情況下，化工企業可以應用不同類型的材料，滿足設計要求，避免由于材料的選擇和設計對壓力容器的品質有很大的影響。在化工企業中，可以選擇最優的材料和施工工藝，確保不同的施工流程順利推進[2]。

由于不同的設備材料在使用性能、防腐性能等方面存在著不同的要求，在應用這類材料時極易影響容器的質量。為此，技術人員應該提前明確不同材料的性能與屬性，確定好功能價值，以確保所設計的容器材質達到有關標準。

(2)實現壓力容器設計結構的科學化、標準化

在選擇壓力容器結構時，應以簡單易行為原則。由于壓力容器的質量相對較輕，為了節約設計材料，減少制作成本和保養費用，在設計過程中應該做到如下幾點：

一是在選擇鋼材時側重鋼種的型號，注重分析鋼材壓力與溫度。對不同的材料和介質的特點進行全面考慮，對焊接時的接頭強度和生產成本等有關問題進行分析，避免盲目地進行設計生產。若壓強太大，則不能達到設計要求。這是因為，如果壓強太大，就會造成壓力容器的尺寸變得太大，從而加大了它本身的重量，對最終的實際運輸生產環節造成了影響，從而造成了成本的上升，嚴重損害企業的經濟效益[3]。

二是設計密閉組織結構。對于某些有部分頂蓋需要拆除的壓力容器，在實踐中可采用快拆式密封組織結構，從而避免采用大主螺栓連接。對于某些需要進行清潔和電梯維修的壓力容器來說，在設計的時候，可以選擇最好的位置來進行人孔和手孔的處理，這樣不僅可以節省材料，還可以縮短清理的時間，還可以降低壓力容器的維修和生產成本，如圖1所示。

圖1 壓力容器規范涉及關鍵技術

(3)壓力容器設計中其他注意事項

①開孔補強的有效設計

在低形式下的壓力值中，壓力容器在設計補強模式時，可以運用補墻圈方式，該方法結構簡單、操作方便、使用經驗豐富、適用范圍廣泛，且可采用與外殼厚度等效的補強環，方便外殼卷板部位余料加工補強環[4]。

在某些中、高壓情況下，進行壓力容器的加固設計時，由于后壁接管的補強方式相對較好，這種方式結構簡單，焊縫較少，極易檢測出焊接質量，補墻效果良好，可以降低設計應力的管理系數。在開展補強設計工作時，應該明確接管厚度合理計算，及時改善接管端部處的內壁位置。通常情況下，采取倒角處理，減少倒圓角補墻面積，避免出現實際補缺面積小于所需補墻面積的情況。

②采用氣密性測試對壓力容器進行設計

壓力容器比較重要的一個功能就是氣密性，如果沒有足夠的氣密性，將會出現泄露的情況，無法確保壓力容器設備穩定運行，同時阻礙化工企業的安全生產問題。對于一些不可微量泄漏的危險介質來說，化工技術人員應該結合具體的內容和要求開展氣密性試驗設計工作，確保配件安裝的安全性與完整性。對超壓釋放裝置的壓力進行科學控制，并對最高容許壓力下的壓力容器設計進行標準化[5]。

3.分析壓力容器規范設置中幾種常見技術

(1)儲氣罐設計技術

在壓力容器設備設計中，儲氣罐作為關鍵的零購件之一，這一部分的設計需要選擇高標準、高要求的材料，技術人員在選擇鋼材時應該保證強度較高，充分滿足儲氣罐的抗壓許可要求。另外，還應該事先明確儲氣罐的實際使用需求，例如，在常溫儲氣設備的儲氣罐設計中，技術人員要按照需求與具體溫度進行設計，并結合周圍環境對于溫度的不利影響，調整好后期的參數細節。

(2)科學設計管法蘭壓力等級

設計人員在設計壓力容器時，要把握管法蘭的壓力等級，包括對耐壓測試壓力、溫度等不利因素的影響。從一個角度來講，技術人員應該根據不同的溫度、環境，來測試管法蘭在不同情況下的最大工作壓力值，尤其是在一些溫度參數比較高的環境下，要明確管法蘭壓力等級的臨界點，從而提升壓力容器的整體工作能力。

如果忽視了溫度額定值，就會對管法蘭的壓力等級造成影響，很難有效地滿足化工設備壓力容器的工作要求，可能存在安全隱患，在以后的使用過程中，可能會引起各種安全事故等。

另一方面，技術員應正確地進行設備的水力測試。對管道法蘭耐壓水平的試驗，規定了水壓力的標準值，并在試驗期間對裝置的水壓力進行了控制。

(3)設計分氣缸

在設計分氣缸的環節中，技術人員要明確壓力容器中分氣缸的出汽口與近汽口距離，通過對間距參數的合理控制，確保了分缸的工作穩定性。在設計過程中，技術人員應按照國家標準，根據具體的工藝參數，確定出汽口與近汽口的距離，并嚴格控制環焊縫與分氣缸開口的距離，避免在焊接周邊部位出現開口，降低局部應力的影響度，確保分氣缸的穩定運轉，如圖2所示[6]。

圖2 壓力容器分氣缸

4.化工設備壓力容器規范設計的發展前景

(1)設計技術持續更新換代

經濟技術不斷發展，化工設備壓力容器的設計過程中不斷引進新方式方法，比如一些學者通過大數據、云計算等相應的分析軟件得出管殼式換熱器管板公式。經過大量的研究數據結果表明，學者研究出的公式充分符合結構受力的實際情況，同時所提出的理論知識內容也相對完善健全。與過去的傳統計算公式相比，當前我國學者總結出的計算公式更便捷，普適性更強，可以切實提升壓力容器的安全性能與科學性能，降低設計厚度與直徑，減少產品的設計費用，提高產品的安全性能，推動化工裝置壓力容器的發展。

可以說，我國在研究壓力容器設計公式時占據許多的優勢：一方面，交換熱器作為多種元件構成的彈性體系，可以采取應用力學理論進行科學分析，并且對于一些軟件在現實工作中不斷實驗，充分考慮管板實際應用和荷載情況。另一方面，在計算量板削弱系數時，管板單元包含邊界為六角形的孔板，同時包括管孔的圓柱殼，以及接連二者的圓環等，進一步促進技術的不斷發展。

(2)運用材料選擇多元化

壓力容器需要應用在越來越復雜的環境，因此在制作時需要不斷更新技術和材料。比如，當前納米材料作為生產壓力容器最為歡迎、最為先進的一種微觀材料，其本身具有有韌性好、耐熱度、高質地、輕薄的特征，是一種新興技術材料。在制作壓力容器中，具有重要的功能作用。經過最新的研究數據表明，當前壓力容器生產中正在研究一種新型智能材料，可以自動對列焊縫、磨損等部位進行及時修復，并且可以在一段時間以后應用于現實工作當中。

5.結束語

隨著經濟的快速發展，助推了化工行業的迅速進步。壓力容器是化工行業的重要設備，為化工生產提供保障，是擺在化工企業面前的重點難題。化工企業應該加強壓力容器的設計，遵循制度標準規范，因此，必須對壓力容器進行全面改進，以確保其在化工生產中的穩定運行。在對化工設備壓力容器進行設計時，應對應用材料和應用結構進行全面考慮，以保證其操作能力，提高其質量。在此基礎上，重點研究開口補強、分氣缸、儲氣罐、氣密性測試等關鍵技術，以確保其安全運行，推動其標準化發展。