壓力容器設計的一般要求及技術進展

摘 要：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，壓力容器的應用范圍也越來越廣泛。有很多的壓力容器都應用在非常嚴峻的工作狀況下，為了能夠保證壓力容器的正常運轉(zhuǎn)，我們應該在設計、加工、檢驗等程序上制定出更加嚴謹科學的制造體系。本文主要闡述了石油、化工方面使用的壓力容器需要具備的幾個方面，進一步支出了壓力容器技術進展。

關鍵詞：壓力容器；設計；塑性失效；疲勞設計

1 壓力容器設計的要求

石油和化工工業(yè)是我國工業(yè)中的重要組成部分，在實際的生產(chǎn)過程中，對設備的使用要求十分高，一旦任何一臺設備出現(xiàn)問題，就會直接影響到加工效率，甚至不能繼續(xù)生產(chǎn)。所以我們應該加強壓力容器的生產(chǎn)精度，具體來說，應該滿足一下五個方面。

1.1 保證完成工藝生產(chǎn)

由于石油、化工工業(yè)的特殊性，應該保證壓力容器能夠承擔起加工過程中的壓力、溫度、規(guī)格、結構等方面的要求，提高自身的應用性能，進一步提高壓力容器在工業(yè)生產(chǎn)中的使用效率。例如在氮肥生產(chǎn)過程中需要保證氨的合成率，主要和氨的合成壓力有直接關系。但是因為壓力容器的設計壓力超過了氨合成要求的壓力，所以必須降壓使用，這就會導致氨合成率江都，進而提高氨加工的生產(chǎn)成本。

1.2 運行安全可靠。由于化工生產(chǎn)中有很多的原料本身就具有一定的腐蝕性和毒性，一旦泄露就會導致嚴重的后果，甚至引起火災或爆炸危及人員的生命。特別是壓力容器內(nèi)部容易存儲一定的壓力能量，一旦遭到破壞，就會導致容器內(nèi)的能量瞬間釋放出來，造成十分強大的破壞力。壓力容器并不是獨立工作，二十和其他設備聯(lián)系在一起的，一旦容器發(fā)生事故，不僅和導致自身出現(xiàn)問題，也會直接影響其他設備的正常工作，造成連續(xù)性的破壞。所以就要求壓力容器生產(chǎn)過程中，嚴格地保證壓力容器上的每個零件都具有足夠的強度和穩(wěn)定性，而且能夠針對不同的使用工況做出適當?shù)恼{(diào)整。

1.3 預定的使用壽命。石油化工中有很多的材料具有極強的腐蝕性，所以盛裝這些材料的壓力容器壁特別容易因為腐蝕而變薄，甚至被腐蝕穿，所以我們在壓力容器設計中應該考慮到增強容器壁的腐蝕程度，進而延長壓力容器的使用年限。針對一些強腐蝕性的物料，應該選擇在容器內(nèi)部表面增加合適抗腐蝕材料，進而避免壓力容器被腐蝕。

1.4 制造、檢驗、安裝、操作和維修方便。為了保證生產(chǎn)的壓力容器的安全性能，我們應該盡可能地保證壓力容器的結構簡單和容易生產(chǎn)，這不僅能夠保證容器的生產(chǎn)質(zhì)量，而且如果有生產(chǎn)缺陷的話也可以及時地發(fā)現(xiàn)并找到解決的辦法。此外通過實現(xiàn)這一要求，我們可以滿足具有特殊使用要求的容器生產(chǎn)，例如對頂蓋來說需要比較笨重的主螺栓，而對于那些需要清洗的設備來說，需要有手孔的容器。這樣做還可以減少生產(chǎn)成本，節(jié)約資金。

1.5 經(jīng)濟性。除了以上的要求外，還應該在壓力容器設計時考慮到經(jīng)濟性，盡量保證壓力容器的結構簡單、加工方便等，盡可能地解決材料，節(jié)省制造成本。

2 壓力容器設計技術的進展

2.1壓力容器應力、應變的詳細分析與評定

對壓力容器應力、應變的詳細分析與評定，其實質(zhì)就是運用較精確的計算應力分析和實驗應力分析方法，對其強度進行全面的校核。不同性質(zhì)的應力具有不同的重要性，它們對容器破壞所起的作用不同，導致容器失效的形式也各不相同。容器各部位實際應力、應變狀態(tài)分析的完善精確程度，是進行全面強度校核的基礎。目前，許多國家在設計要求較高的容器時，均應用近代的計算應力分析和實驗應力分析技術，詳盡分析各種應力的實際情況，并廣泛接受與采用美國ASME 規(guī)范第1卷第2 冊中確定的應力分類法，以及對各類應力強度的限制，將容器中不同的應力分別限制在不同的數(shù)值，以防止可能出現(xiàn)的各種失效。和傳統(tǒng)的設計方法相比，詳細的應力分析方法既降低了安全系數(shù)，減輕了產(chǎn)品重量，節(jié)約了材料，又有效地防止了不同應力可能引起的不同失效，確保了容器的運行安全，具有多方面的優(yōu)越性。

2.2 塑性失效設計方法的研究

塑性失效設計準則是建立在彈塑性理論基礎上的。對于局部薄膜應力、彎曲應力的應力強度，可以允許有較大的許用數(shù)值，亦即允許出現(xiàn)局部塑性變形，而又不導致失效，這就是塑性失效設計準則。對于只在局部地區(qū)發(fā)生的局部薄膜應力和沿壁厚方向非均勻分布的彎曲應力而言，當其最大應力達到屈服極限時，只能引起局部屈服，而容器大多數(shù)區(qū)域仍處于彈性狀態(tài)，因而不會導致失效。在這種情況下，如果還以彈性失效作為破壞準則，就會使大部分材料的潛力得不到發(fā)揮。

2.3 疲勞設計

材料在反復交變載荷作用下的破壞稱之為疲勞。疲勞破壞時沒有明顯的塑性變形。在以往設計壓力容器時，疲勞并未作為一個重要因素加以考慮，這是因為壓力容器和回轉(zhuǎn)構件不同，在它使用期間并不承受高循環(huán)周次的交變載荷，而且以往的設計應力較低（即安全系數(shù)較大），壓力容器用鋼又多為塑性良好的材料，因此，疲勞問題在壓力容器中并不突出。

近年來，各國設計規(guī)范的安全系數(shù)普遍降低了，因而提高了容器的設計應力，這樣，開孔接管等處的局部峰值應力可能超過了材料的屈服極限。此外，隨著容器的大型化，各種高強度低合金鋼日益普遍采用，這些鋼種在制造過程中容易產(chǎn)生裂紋及其他缺陷，從而增加了疲勞破壞的危險性，據(jù)統(tǒng)計在壓力容器破壞事故中，由于疲勞裂紋逐漸擴展而引起的破壞，約占事故總數(shù)的百分之四十，其中多數(shù)引起容器泄漏，但也有突然破裂而造成災難性事故。因此，疲勞問題的研究日益引起各國的重視。

壓力容器的疲勞問題屬于應變控制的低循環(huán)疲勞。它的特點是應力水平很高，其峰值應力甚至可能超過材料屈服極限的兩倍，而失效的循環(huán)次數(shù)較低，通常在102 105 次之間。

2.4 概率設計

概率設計是用近代數(shù)理統(tǒng)計的方法，全面評價容器的安全程度和經(jīng)濟合理性。失效的可能性大小可用概率設計計算，同時，概率設計可以根據(jù)某一具體產(chǎn)品所要求的最低可靠性概率，向各個零部件合理分配其必須具備的可靠性概率，這樣，既滿足了總體要求，又改善了經(jīng)濟性。

3 結束語

綜上所述，生產(chǎn)出合格的壓力容器，不僅應該考慮以上五點，還應該根據(jù)生產(chǎn)實際情況酌情改變。而且一臺壓力容器要想滿足以上提到的五點要求也是十分不容易的。在實際的設計過程中還是應該根據(jù)實際需求進行壓力容器設計生產(chǎn)，分清楚主要要求和次要要求。由于壓力容器使用工況的危險性，所以我們至少應該保證壓力容器產(chǎn)品的質(zhì)量和安全運行，這也是壓力容器生產(chǎn)的最基本要求。隨著市場經(jīng)濟的快速發(fā)展，計算機應用技術的廣泛應用，這十分有利于壓力容器的設計，也提高了壓力容器在實際工作過程中的使用效率。為了生產(chǎn)出高標準的壓力容器，生產(chǎn)企業(yè)也應該提高設計和生產(chǎn)人員的專業(yè)素質(zhì)。

參考文獻

[1]張力權，等.國外壓力容器技術發(fā)展的一些動向[J].化工與通用機械，1979（2）：30-32.

[2]顧振銘.《鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定》的基本原理和準則（一）、（二）. 煉油設備設計，1981（3）：21 25 .

[3]李景辰，等.壓力容器基礎知識[M].北京：勞動人事出版社，1986.

[4]王志文.化工容器設計.北京：化學工業(yè)出版社，1990.

[5]段哲軍.應力分類和壓力容器設計的發(fā)展[J].中國氯堿，2005（8）：39-41.

[6]范欽珊.壓力容器的應力分析與強度設計[M].北京：原子能出版社，1979.