壓力容器設(shè)計(jì)若干技術(shù)問題解析

朱杰

摘要：本文一開始通過初步的介紹對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)的重要性進(jìn)行了相應(yīng)的描述，然后根據(jù)具體情況對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的問題做了闡述，最后詳細(xì)的分析了加強(qiáng)壓力容器設(shè)計(jì)措施。

關(guān)鍵詞：壓力容器;設(shè)計(jì);技術(shù)問題

前言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，對(duì)壓力容器施工的要求也越來越高，這就要求壓力容器設(shè)計(jì)必須加強(qiáng)專業(yè)技能的研討，并努力設(shè)計(jì)水平，為壓力容器的質(zhì)量提供有力的保障。

1.壓力容器設(shè)計(jì)的重要性

近些年來，伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的壓力容器已逐漸被廣泛使用于各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中，尤其是壓力容器在化工、石油等經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的使用最為廣泛，約占整個(gè)系統(tǒng)的62%。在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，其質(zhì)量的優(yōu)劣與整套設(shè)備的先進(jìn)性、可靠性以及安全性等存在密切關(guān)系，能直接影響著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)以及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)較強(qiáng)的綜合型的工作，對(duì)設(shè)計(jì)人員提出更高的要求，設(shè)計(jì)人員需要具備豐富的專業(yè)知識(shí)及技能。比如，熟練掌握壓力容器的組織結(jié)構(gòu)、材料性能、零件的受力情況以及容器的制造、檢驗(yàn)等方面。目前，設(shè)計(jì)是一項(xiàng)畫圖電腦化以及計(jì)算電算化的結(jié)合體，設(shè)計(jì)人員通常借助電算工具進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，缺乏熟練掌握壓力容器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并未確認(rèn)容器輸入數(shù)據(jù)的正確與否，僅側(cè)重于結(jié)果，忽視了其的計(jì)算過程，進(jìn)而易于出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論以及存在一定的安全隱患，這嚴(yán)重影響著壓力容器的安全使用，需要引以為視。

2.壓力容器設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的問題

2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中局部應(yīng)力問題

封頭和筒體連接時(shí)，筒體的幾何連續(xù)結(jié)構(gòu)破壞，會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)應(yīng)力。容器接管開孔與容器筒體連接破壞了筒體內(nèi)薄膜應(yīng)力分布，也會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力和應(yīng)力集中。容器在受到各種局部機(jī)械載荷時(shí)，容器筒體上產(chǎn)生疊加局部應(yīng)力，目前沒有統(tǒng)一解決方法，但是設(shè)計(jì)中要予以考慮。

2.2容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，

常常是壓力引起的應(yīng)力，多數(shù)是局部彎曲應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)回到石局部變形。總體結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)而產(chǎn)生的不連續(xù)性，由于容器設(shè)計(jì)需要滿足各種功能性，對(duì)原本結(jié)構(gòu)有破壞，會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力。應(yīng)力集中，在機(jī)構(gòu)中，會(huì)存在應(yīng)力集中情況。

2.3設(shè)備材料選取

在選材時(shí)，不考慮實(shí)際需求，直選最好的情況時(shí)有發(fā)生。由于壓力容器在制作中設(shè)計(jì)開孔焊接等等制造工藝，在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)材料的制造性能進(jìn)行設(shè)計(jì)上的考量。譬如鋼材，鑄鐵類焊接性能差，脆性高，要對(duì)其減少焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.1開孔不合理，應(yīng)力過于集中

原本容器開孔接管后在應(yīng)力分布和強(qiáng)度方面就會(huì)：破壞原有應(yīng)力分布，并導(dǎo)致應(yīng)力集中;接管處容器殼體與接管結(jié)構(gòu)形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力;尤其在容器與接管在拐角處，應(yīng)力集中明顯。

3.2忽視開孔補(bǔ)強(qiáng)的作用

當(dāng)開孔并伴有接管時(shí)，若開孔開的很小，并且滿足GB150規(guī)定的不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑，可不必補(bǔ)償處理。

3.3臥式容器支座設(shè)計(jì)問題

3.3.1臥式容器的鞍座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和載荷分析

鞍座結(jié)構(gòu)對(duì)臥式容器起到支撐作用，此外通過滾動(dòng)支座可以滿足容器的一定膨脹變化。由于過多的支座的水平支撐性能很難保證。

3.3.2對(duì)于筒體應(yīng)力的計(jì)算與校核

臥式容器除了考慮操作壓力引起的薄膜應(yīng)力外，還要考慮容器質(zhì)量導(dǎo)致的筒體橫截面積上的縱向彎矩和剪切力。

3.4容器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及工藝、選材等等，對(duì)于承壓容器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力和強(qiáng)度的處理顯得尤為重要，在設(shè)計(jì)中要針對(duì)具體設(shè)計(jì)容器具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.加強(qiáng)壓力容器設(shè)計(jì)措施

4.1開孔補(bǔ)強(qiáng)

利用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。容器上開較大孔時(shí)，假如設(shè)計(jì)壓力較大時(shí)，利用同等厚度的圓筒補(bǔ)強(qiáng)圈通常無法達(dá)到在相同面積下補(bǔ)強(qiáng)方法的要求，伴隨著由小變大的開孔直徑，補(bǔ)強(qiáng)圈的內(nèi)外徑比例也會(huì)由小變大。當(dāng)開孔直徑比較大時(shí)，容器殼體補(bǔ)強(qiáng)范圍不會(huì)變化，但是補(bǔ)強(qiáng)圈減小了外徑，此時(shí)圓筒所承受的內(nèi)壓厚度在計(jì)算厚度中的比例較大，補(bǔ)強(qiáng)的可用面積則極小，不能達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)同等面積的要求，這時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度促使補(bǔ)強(qiáng)金屬盡量接近開孔位置。換熱器管箱設(shè)計(jì)的補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)換熱器管箱上的開孔需計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，有時(shí)會(huì)由于管箱長(zhǎng)度不夠，無法達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)所要求的范圍，而工藝限制又無法增加管箱的長(zhǎng)度，所以即便設(shè)計(jì)了補(bǔ)強(qiáng)圈，但是其效果不能真正達(dá)到要求，假如沒有根據(jù)比例畫圖，就非常容易忽視這個(gè)問題。

4.2管殼程壓力

當(dāng)管殼式換熱器管程壓力高于殼程壓力時(shí)，大部分設(shè)計(jì)人員都知道提高殼程試驗(yàn)壓力與管程相等，然后需要校核圓筒在試驗(yàn)水壓狀況下的周向應(yīng)力。管法蘭都具有壓力等級(jí)，試驗(yàn)殼程水壓的壓力提升以后，假如依然根據(jù)正常操作情況選擇殼程管法蘭具有的等級(jí)壓力，將會(huì)對(duì)以后的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。應(yīng)當(dāng)根據(jù)對(duì)應(yīng)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)水壓的壓力只需小于規(guī)定溫度情況下無工作沖擊壓力的1.5倍就行。同時(shí)管板，應(yīng)校核其強(qiáng)度。試驗(yàn)殼程壓力提升至試驗(yàn)管程壓力的等級(jí)，為了保證可靠安全性。校核過程中，將設(shè)計(jì)管程壓力作為殼程的壓力，并且設(shè)計(jì)管程壓力數(shù)值為零，在沒有溫差的狀況下，模型的計(jì)算可以根據(jù)不帶法蘭的固定管板實(shí)行。

4.3換熱器的結(jié)構(gòu)

固定管板式換熱器拉桿固定端的設(shè)置。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮組裝管束、振動(dòng)管束、擋板結(jié)構(gòu)防沖以及固定方式等系列問題。當(dāng)換熱器具有比較小的直徑時(shí)，焊接殼體與防沖板，可利用明穿工藝。設(shè)置的拉桿固定端應(yīng)當(dāng)在離殼程介質(zhì)進(jìn)口較遠(yuǎn)的另一端管板上;當(dāng)換熱器具有較大的直徑時(shí)，焊接殼體與防沖板，允許管束使用暗穿工藝，設(shè)計(jì)的拉桿固定端應(yīng)當(dāng)在離殼程介質(zhì)進(jìn)口較近的一端管板上;當(dāng)在管束上固定防沖板或者利用導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)置的拉桿固定端應(yīng)當(dāng)在離殼程介質(zhì)進(jìn)口較近的一段管板上;當(dāng)布置立式換熱器時(shí)，在符合組裝要求的基礎(chǔ)上，拉桿的固定端最好設(shè)置在上管板上。

5.結(jié)束語

壓力容器設(shè)計(jì)在壓力容器的施工中有著重要的作用。在壓力容器施工的過程中，如果設(shè)計(jì)得不到充分保障，存在潛在隱患，那么，對(duì)壓力容器的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

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