壓力容器設計使用壽命探討

彭春紅 謝天袖

摘要：在壓力容器中，其設計壽命與使用壽命并不完全等同，其設計壽命的合理選取需要設計者有一定的經驗，根據壓力容器介質的腐蝕速率，需對材料的磨損沖蝕與材料特性進行充分考慮，制定出最佳的壓力容器使用年限。本文主要對影響壓力容器設計使用壽命的因素進行分析并提出了相應的對策，以期為設計者提供有效參考。

關鍵詞：壓力容器;設計使用壽命;腐蝕;疲勞

隨著國內社會經濟的不斷發展，人們對壓力容器的設計壽命提出了更高的要求，以適應新時代的發展需要。因此，在設計壓力容器的過程中，要對其進行精準的強度計算，確保其結構合理，還需考慮設計使用壽命，防止壓力容器出現安全問題。

1.壓力容器的設計使用壽命概況

《固定式壓力容器安全技術監察規程》明確規定：壓力容器的設計總圖上，應當注明壓力容器設計使用年限，但是很多工程公司和相關設計單位并沒有落實這一規定。這其中主要有四個方面的原因：第一，很多設計者沒有完全了解設計使用壽命的影響因素。第二，了解到相關影響因素的設計者卻缺乏準確的計算與預估。第三，設計者擔心用戶不接受在設計圖樣上注明的設計使用壽命。第四，設計者無法區分實際使用壽命與設計使用壽命，很難給出該壓力容器的最佳預期值。

2.壓力容器設計使用壽命的影響因素

2.1 金屬材料的力學性能

隨著時間的推移，制作容器的金屬材料會受到溫度與應力的影響而出現塑性變形現象，使得壓力容器在運作的過程中受到嚴重的影響。而金屬材料具有力學性能，但是其耐高溫蠕變與斷裂等的程度則決定著壓力容器的設計使用壽命。因此，要獲得較佳的壓力容器設計使用壽命，可以通過選擇在高溫工況下耐蠕變和斷裂的材料來提高壓力容器的疲勞壽命。需要注意的是，并不是全部金屬材料都會在介質中出現應力腐蝕開裂現象。這一現象是金屬材料在腐蝕介質與拉應力的共同作用下而出現，具有一定的特殊性。而要出現這一現象，要同時具備3個條件。首先，材料應該對應力腐蝕比較敏感。其次，要有金屬材料相對應的腐蝕介質。最后，要發生拉伸應力。

2.2 材料的腐蝕速率與腐蝕裕量

腐蝕速率表示單位時間腐蝕程度的平均值，即在單位時間內，容器介質對金屬材料的腐蝕程度與容器介質在流動時對金屬材料磨損沖蝕程度之和。而在有關規定中，明確提出腐蝕裕量應該由壓力容器的預期壽命與介質對材料的腐蝕速率來確定，壓力容器的設計使用壽命就是腐蝕裕量與腐蝕速率之間的比值。要獲得更佳的設計使用壽命，則需要根據均勻的腐蝕速率來計算出合理的腐蝕裕量。如果均勻腐蝕速率太大，而壓力容器的設計壽命選擇太長，會使得計算出來的腐蝕裕量太大，則加工難度加大，還會增加成本。因此，需要采取有效對策來抵抗壓力容器在設計使用壽命期間的磨損沖蝕與局部腐蝕。

2.3 交變載荷作用

在壓力容器的運行過程中，如果受到高溫作用和較大的壓力波動，則會使得壓力容器出現脆性斷裂現象。由于交變應力作用與晶間的滑移、錯位，壓力容器的局部峰值應力區會出現微裂紋現象。而這種現象會在載荷循環的不斷作用下呈現出擴展的趨勢，最終會使得整個截面失去承載能力而出現脆性斷裂現象。壓力容器在不斷運作的過程中，已經處于疲勞狀態，再加上周期性的載荷作用，其疲勞損傷在很大程度上影響著設備壽命。

3.對策分析

3.1 防范對策分析

在壓力容器的設計使用壽命方面，設計者應嚴格根據新規程的相關要求來進行全面考慮，這也是每個壓力容器設計者必須要遵守的最基本的設計原則。因此，壓力容器的設計者應該給予設計使用壽命足夠的重視，根據新規定來重新考慮，并且注重容器的其他設計方面，綜合起來提高壓力容器的安全可靠性，防止安全隱患的發生。

首先，壓力容器的設計者在考慮容器材料耐腐蝕能力的前提下，要確定其最大腐蝕速度與容器內外部的壓力差，從而計算該壓力容器的最大耐腐蝕承受度。因此，在最大腐蝕速率與容器材料的最大耐腐蝕承受度確定好之后，則可以計算出壓力容器的安全使用年限。

其次，設計者在考慮壓力容器外部環境的前提下，以壓力容器的安全使用年限為目的，在最惡劣的使用環境中對壓力容器進行模擬，從而獲得最佳的壓力容器使用壽命。

然后，在考慮壓力容器疲勞工況的前提下，主要有3種判據來免除疲勞分析。

第一就是使用經驗判據，在這個前提下不需要將其作為計算用。

第二，計算各種工況的循環總次數。其中，各種工況循環次數包括設備啟動與停止的過程中壓力容器的壓力循環設計次數、壓力容器中產生壓力波動的范圍超過設計壓力20%的循環設計次數、任意2個相鄰點間壓力容器中金屬溫差產生波動的有效次數等。要獲得循環的總次數，則應該將有效次數相加。其中，有效次數是金屬溫差產生的波動的循環次數與有關系數的乘積。在容器材料熱膨脹系數存在差異（包括焊縫）的情況下，如兩種容器材料的熱膨脹平均系數分別為α1與α2，工作時的溫度總波動范圍為△T，當0.00034<（α1-α2）△T時，那么應該對總循環次數進行計算。

第三，設計者在考慮其他因素的時候且同時滿足以下條件時，需要計算總循環次數。

a）設備啟動與停止的過程中壓力容器的壓力循環次數在不超過JB4732附錄C的疲勞曲線中，對設計溫度進行一定的考慮，Sa查得的循環次數取三倍的壓力容器材料設計應力強度Sm。其中，Sa是該疲勞曲線中相應的應力幅值。

b）在壓力容器正常運轉時，容器的預計壓力循環范圍至多達到（p/3）（Sa/Sm）。其中，p是指設計壓力，而Sa就是與之對應的設計疲勞曲線中，與規定的顯著壓力波動次數對應的相關縱坐標值，Sm則是基于設計溫度的壓力容器材料的相應設計應力強度。在疲勞曲線中給出循環數最大值時，如果規定的顯著壓力波動次數超過這個值，則可以獲得對應曲線上循環次數最大值，也就是Sa。規定的顯著壓力波動意味著壓力波動的范圍超過（p/3）（Sa/Sm），S值有新規定。當規定的總工作循環次數不超過106，則S值可以取設計疲勞曲線上106循環次數相對應的Sa值。相反，S值應該取該曲線循環次數最大值相對應的Sa值。

c）在壓力容器啟動、停止以及正常運轉的過程中，每2個相鄰點之間的限定溫度不應該超過Sa/2Ea。其中，Sa是規定的設備啟動與停止過程中產生的循環次數下，設計疲勞曲線中相關的縱坐標值。E和a則分別是在這2點平均溫度之下的彈性模量與熱膨脹系數。

d）在壓力容器正常運轉的過程中，每2個相鄰點之間的限定溫度不應該超過Sa/2Ea。其中，Sa是設計疲勞曲線中和規定的顯著溫度差波動總循環次數的相關縱坐標值。當總代數值大于S/2Ea時產生的溫度差波動就是顯著溫度差波動，S含義同上。

e）如果容器材料的熱膨脹系數并不相同，彈性模量也不同，則其相應組件在壓力容器正常運轉過程中，產生的溫度波動的代數總值至多達到Sa/[E1a1-E2a2]。其中，Sa是規定的顯著溫度產生的波動次數在相應疲勞曲線中的值，而a1與a2則表示兩種結構材料在評價溫度之下的相應熱膨脹系數，E1和E2為彈性模量。在整個變化范圍之內，超過Sa/[E1a1-E2a2]的溫度波動就是顯著溫度波動。

f）而由此形成的應力范圍則為機械載荷的波動范圍至多達到Sa，此時的機械載荷不包括壓力包括管線反力。其中，Sa是規定的顯著荷載產生的波動總次數在相應疲勞曲線中的最大值。當規定總次數大于106時，則Sa取與106循環次數相對應的幅值。

而根據JB4732規范來取不作疲勞設計允許次數的數值，即為1000次，將這個次數值除以上面已經計算得到的循環總次數，其最后獲得的數值就是在考慮疲勞作用工況的前提下，壓力容器的設計使用壽命。也就是說，在這種情況下，壓力容器的設計使用壽命=1000/壓力容器的總循環次數。

第二、第三僅適用于容器整體部件，不適用于帶補強圈的接管及廢整體結構。

3.2 優化策略分析

3.2.1 材料的擇優選用

要保證壓力容器合理的設計使用壽命，則需要對容器材料進行擇優選用。因此，容器材料要有較高的耐蝕能力與高溫性能，良好的焊接性能。在這些性能達標的基礎上，要對容器材料的經濟性與使用安全性進行優化，并且權衡其中的利弊，避免設計的盲目性而引起壓力容器的制造成本增加。

3.2.2 根據實際情況區別對待

在壓力容器的設計過程中，要具體情況具體分析。如果壓力容器的應力形式不同，那么會出現不同的失效模式。而且即使應力相同，一旦分布存在差異，失效的表現也會不同。在壓力容器中，存在大量負荷，而且種類很多。但是這些負荷表現為三類，即初次應力、二次應力與峰值應力。這3種應力在不同的容器中，在不同的情況下會出現同時存在或者個別存在的現象。因此，設計者應該根據壓力容器的具體情況來對其進行分析。

4.結束語

壓力容器是特種設備，設計者在設計的過程中，要對各種影響因素進行全面考慮，并且遵循安全第一、預防為主的原則，對國家的相關規程與標準進行全面了解，從而提高容器設計的質量與容器使用的安全性可靠性。

參考文獻：

[1]JB4732-95《鋼制壓力容器——分析設計標準》

[2]TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》

[3]HG/T20580-2011《鋼制化工容器設計基礎規定》.