壓力容器設計中幾個問題的探討

李彥君/淄博偉創石油化工設計有限公司

壓力容器設計中幾個問題的探討

李彥君/淄博偉創石油化工設計有限公司

在設計壓力容器時，要滿足保證完成工藝生產、運行交全可靠、預定的使用壽命、制造檢驗交裝操作和維修方便、經濟性等基本條件。壓力容器設計的設計方法有常規設計何分析設計。文章還介紹了壓力容器設計過程中要注意的幾個問題。

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一、概述

壓力容器投入運行之前，要經過設計、制造、檢驗、安裝、運行監督和維修等多個環節，設計是壓力容器制造和安裝的依據，是一個十分重要的環節。壓力容器的設計要遵照一定的標準和規范，按我國標準化法的規定，標準可分為國家標準、行業標準、地方標準和企業標準。壓力容器的規范和標準為了適應設計、制造和檢驗各個方面的發展，定期進行審查并做出修訂。

二、壓力容器的設計要求

壓力容器主要應用于石油、化工產業，該產業生產過程非常復雜，設備生產工藝過程中任何設備出了事故都會影響產品質，或使生產無法繼續進行，甚至會危及設備和人身的安全。因此石油化工用壓力容器一般需要滿足以下幾個方面的要求。

1.保證完成工藝生產。石油化工壓力容器必須能承擔工藝過程所要求的壓力、溫度及具備工藝生產所要求的規格（直徑、厚度、容積）和結構（開孔接管、密封等）。

2.運行交全可靠。化工生產的物料往往具有強烈的腐蝕性、毒性，容易燃燒引起火災，甚至發生爆炸等惡性事故壓力容器工作時內部儲存著一定的能量，一旦發生破壞，容器內部儲存的能量將在極短的時間釋放出來，具有極大的摧毀力。

3.預定的使用壽命。影響石油化工用壓力容器使用壽命的主要因素是化工物料對殼體結構材料的腐蝕，它會使容器器壁減薄甚至爛穿，因此在設計容器時必須考慮附加腐蝕裕量來保證滿足使用年限的要求。

4.制造、檢驗、交裝、操作和維修方便。這一要求的目的，一方面是基于安全性的考慮，因為結構簡單、易于制造和探傷的設備，其質量就容易得到保證，即使存在某些超標缺陷也能夠準確地發現，便于及時予以消除；其次，這樣做的目的也是為了滿足某些特殊的使用要求，如對于頂蓋需要經常裝拆的試驗容器，要盡量采用快拆的密封結構，避免使用笨重的主螺栓連接；又如對于有清洗、維修內件要求的容器，需設置必要的人孔或手孔；再是，這佯做自然會帶來經濟上的好處，可以降低容器的制造成本。

5.經濟性。壓力容器的設計，要盡量結構簡單、制造方便、重量：輕、節約貴重材料以降低制造成本和維修費用。

三、壓力容器的設計方法

1.常規設計。常規設計的理論基礎是彈性失效準則，認為容器內某一最大應力點達到屈服極限，進入塑性，喪失了純彈性狀態即為失效。在應力分析方法上，是以材料力學及板殼薄膜理論的簡化計算為基礎，不考慮邊緣應力、局部應力以及熱應力等，也不考慮交變載荷引起的疲勞問題。所有類型的應力均應采用同一的許用應力值（通常為1倍許用應力）；為了保證安全，通常采用較高的安全系數，以彌補應力分析的不足。

2.分析設計。隨著壓力容器參數的增高，高強鋼的采用以及近代計算與試驗技術的發展采用彈性失效的觀點使許多問題難于解決，常規設計的結果過于保守，設計的結構尚有很大承載潛力。為了適應現代壓力容器的發展，必須采用新的失效觀點來解決這些問題。分析設計放棄了傳統的彈性失效準則，采用了彈塑性或塑性失效準則，合理地放松了對計算應力的過嚴限制，適當地提高了許用應力值，但又嚴格地保證了結構的安全性。

我國的分析設計的標準為JB4732－95《鋼制壓力容器一分析設計標準》，是以第三強度理論即最大剪應力理論為基礎，認為不論材料處于何種應力狀態，只要最大剪應力達到材料屈服時的最大剪應力值，材料就發生屈服破壞。對于壓力容器設計所采用的失效準則，除彈性失效準則、彈塑性失效準則和塑性失效準則外，還有爆破失效、斷裂失效以及可靠性設計等。

四、壓力容器設計中要注意的幾個問題

1.材料的選擇。化工用鋼材的選用必須考慮設備的設計壓力、設計溫度、介質特性、材料的焊接性能、冷熱加工性能、熱處理以及容器的結構外，還需要考慮經濟合理性。盲目地提高鋼板等級是錯誤的。

當設計壓力較高、結構尺寸較大而使設備殼體壁厚較大時，如殼體材料仍選用碳素鋼（如Q235）將導致壁厚增大、質量增加，不僅多用金屬材料，而且導致制造、運輸、安裝、土建基礎等的費用提高，因而提高了總的工程造價。一般在以強度控制為主的情況下，當殼體壁厚超過8mm時，應優先選用低合金鋼。當設計壓力較小、直徑較大、以剛度控制或以結構設計為主時，應盡量選用普通碳素鋼。

2.制造和檢驗與驗收。圓筒鋼材厚度凡符合以下條件者：碳素鋼、16MnR的厚度不小于圓筒內徑Di的3%；其他低合金鋼的厚度不小于圓筒內徑Di的2。5%。“對此項要求，大多設計者在設備主體簡體的設計中基本上都注意到了，但在接管的設計中卻容易忽視。例如：設計單位對d426m m×14 mm、d530mm×16mm的卷制接管不提熱處理要求等。容器的簡體不需要熱處理時，往往會忽視了對厚度超限的卷制接管、人孔接管提熱處理要求。

小直徑壓力容器B類焊縫無損檢測比例及長度在小直徑壓力容器設計過程中，一般都盡量采用無縫鋼管作簡體，這樣就省去了卷筒及縱縫無損檢測的工序，且縮短了制作周期，也節省了成本。但在制造過程中，其B類焊接接頭的無損檢測在檢測要求上只進行20%RT，如一臺用d 325 mm×8 m m的無縫鋼管制作的壓力容器，B類焊接接頭作20%RT，雙臂單影透照法，其檢測長度為205mm。一次透照有效長度210mm，由此可見，作20%RT只需用一張片即可，但其探傷長度卻不足250mm，對d325mm以上的規格更是如此。而GB150中10.8。2.1”B類焊接接頭無損檢測長度不得少于各條焊接接頭長度的20%，且不小于250mm“，而圖樣上未注明不少于250mm。

五、結語

壓力容器的設計必須遵循有現行設計規范，同時設計者應在滿足設計任務目標要求的前提下提出最佳的設計方案，使其滿足功能需要，安全可靠，節約成本。在壓力容器的設計、制造、檢驗過程中，經常會有一些對壓力容器的法規、標準、規范理解不透徹的地方，因而會出現很多像上述例子的錯誤。對此，我們應不斷地分析、總結、學習。同時，同行業應加強經驗、技術交流，熟悉各項標準、規范，才會盡量不犯原則性的錯誤，業務水平才會不斷提高。

［1］高峰.壓力容器的常規設計和分析設計［J］.科技致富向導.2012.21.

［2］胡志肖.分析壓力容器設計方法的進步［J］科技傳播.2013.02.