淺談化工壓力容器設計選材問題

周新房

（中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南250101）

化工壓力容器的設計選材是一項非常關鍵的內容，對于設計工作者來講，務必強化技術與經驗的交流，并且真正地遵循應有的設計要求與標準，從而提高設計水平。

1 化工壓力容器的選材原則和根據分析

（1）化工壓力容器選材的根據是：在相同的工程設計當中使用統一性的材料；材料的來源和價格；材料的加工性能，像是冷熱加工成型性能以及可焊性能等；材料的耐腐蝕性能，像是腐蝕裕量、防腐蝕襯里、防腐蝕結構、選材等；材料的力學特性；容器的應用條件。

（2）基于性能上的思考，壓力容器用鋼，特別是承壓元件需要使用焊接性能好、成型性能好、高韌性、較大塑性儲備的鋼材料。

（3）基于經濟上的思考，需要堅持下面的原則：①倘若設計的普通碳素鋼壓力容器以強度作為主導，在等于或者是大于8mm板厚的時候，使用Q345R等較為普通的低合金鋼；②倘若裝置的設計以強度作為主導，那么需要結合介質特點、設計溫度、設計壓力等的應用限制，分別使用的鋼材料型號是Q235R、Q245R、Q235C，以及Q235—B，結合GB150.2—2011中4.1.13以及GB150.1～150.4《壓力容器》的相關要求；③倘若裝置的設計以結構與鋼度作為主導，那么使用普通的碳素鋼充當受壓殼體；④而設計溫度超過500℃的耐熱用鋼或者是防鐵離子污染以及介質腐蝕性比較強的時候，應用不銹鋼是非常合適的；⑤在設計溫度超過250℃高壓高溫抗氫用鋼或者是設計溫度是350℃～550℃壓力容器耐熱鋼的時候，鉻鉬低合金鋼是非常適宜的。

2 化工壓力容器的設計分析

2.1 化工壓力容器的設計需要

化學、石油生產行業的生產過程十分得復雜化，在裝置生產工藝過程中任意的設施出現了事故，就會對產品的品質產生影響，要么是中斷生產，要么是危害人身安全與損壞設施，為此，化工壓力容器的設計通常要求實現下面的一些需要：

第一，確保生產工藝的完成。化工壓力容器務必具備生產工藝所需要的結構（密封、開孔接管）與規格（容積、厚度、直徑），整體結構能滿足工藝流程的性能要求，內件結構等要合理。

第二，經濟性。壓力容器設計，應可能地減少制造成本與維修費用。優化結構設計，在有腐蝕環境下適當使用襯里結構，使用復合板作為主要受壓元件，節省貴重材料的使用等，將會使設計變得更加經濟，從而使得壓力容器的制造費用大大地減少。

第三，便于維修、操作、交裝、檢驗，制造。這種需要的提出一是為了安全性，越是容易探傷與制造，以及結構簡單的裝置，就越容易保障它的質量，即使面臨著這樣那樣的不足之處，也可以準確及時地發現，從而方便消除；二是為了實現一系列獨特的應用需要，像是針對要求經常裝拆頂蓋的壓力容器，應當盡可能地應用快拆的密封構造，防止笨重主螺栓連接的應用；再比如，針對要求維修與清洗內件的壓力容器，應該設計一些手孔或者人孔，以便于操作。

第四，運行穩定安全。用于化工生產的物料常常有著較強的毒性、腐蝕性，會導致火災的出現，要么是出現爆炸等事故，壓力容器儲存著相應的能力，倘若出現破壞，那么在比較短的時間就會釋放容器里面的能量，會產生比較大的破壞性。

第五，預期的使用年限。化工物料會腐蝕殼體結構，這是影響壓力容器使用年限的重要因素，并且它能夠減薄甚至是爛穿壓力容器壁，為此，在進行設計的時候，務必根據容器的工作環境和業主要求考慮厚度附加量，從而確保容器能夠達到預期的使用壽命。

2.2 化工壓力容器的設計方法

作為一種特殊的裝置，壓力容器跟人們的安全與實際生活緊密相關，這就需要使得它的設計以及制造跟我國規定的一些要求相符合。當前，經常使用的壓力容器設計方法一是根據要求實施設計的常規設計，二是根據應力分析進行設計的分析設計。針對這兩種不一樣的設計方法，設計工作者需要一切從實際出發，結合核算與實際經驗，選用適合的設計方法。

當前經常應用的設計方法就是所謂的常規設計，此種設計方法非常簡單，容易實施，跟經驗設計相符合。彈性失效準則是其理論基礎，提出了化工壓力容器中某個最大應力點到達屈服極限進入塑性，失去了純彈性狀態，也就是所謂的失效。在應力分析方法的基礎上，常規設計的前提條件是板殼薄膜和材料力學理論的簡單計算，僅僅兼顧單一性最大載荷，根據一次性施加的靜力載荷處理，不兼顧熱應力、局部應力、邊緣應力，也不兼顧交變載荷牽涉到的容器疲勞壽命等情況。為了確保安全性，一般應用比較高的安全系數，為此，任何種類的應力都實施相同的應力值，從而對應力分析的缺陷加以彌補。

除薄膜應力之外，壓力容器也具有溫差應力與局部應力等等。在局部應力到達材料屈服極限的時候，絕大部分的容器范圍依舊處在彈性的情況下，這個時候，業已屈服的局部范圍受到附件彈性區域的制約，它的變形量也不會增長，為此，不能夠導致壓力容器的失效。根據這種情況，常規設計常常是不能夠發揮作用，在計算機技術不斷發展的影響下，一系列功能的軟件不斷地推廣，因此分析設計這種壓力容器的設計方法得以出現，為了跟現代化壓力容器的發展相適應，一定要通過新的失效觀點對這種問題進行解決。

分析設計使得傳統意義上的彈性失效準則放棄，它的理論基礎是彈塑性失效準則、塑性失效準則，以及彈性應力分析，對壓力容器的應力進行計算且給出控制與分類，盡管這樣的設計比較復雜和花費比較多的時間，可是設計方法合理安全。在不斷增高的壓力容器參數的影響下，應用高強鋼以及現代化的試驗和計算技術，通過彈性失效的觀點解決了一系列的問題，常規設計的結果比較保守，設計結構依舊存在比較大的承載潛力，可是分析設計不禁止結構出現可控制的局部塑性范圍，有效地放松了對計算應力太嚴格的要求，有效地提升了許用應力的值，并且大大地保障了結構的安全。

當前形勢下，我國有關的分析設計規范和要求基礎是最大剪應力理論，指明了不管材料處在怎樣的應力情況下，只要最大剪應力能夠實現材料屈服最大剪應力值，屈服破壞就會出現在材料上。其中，分析設計方法的關鍵是對壓力容器的一系列應力進行分類，分清楚主次，結合不相同的應力對壓力容器安全的制約性要求不相同的安全系數，確保產品的經濟性以及安全性。分析設計方法的發展得益于計算機技術、測試技術、板殼理論、彈塑性理論，以及數值分析方法的廣泛應用。

3 結語

綜上所述，化工壓力容器的選材和設計務必按照固有的設計標準，與此同時，設計工作者需要實現設計目標、任務的基礎上實施最為理想的設計方案，讓它實現確保穩定性與安全性功能的要求，同時減少費用。在設計壓力容器的時候，往往會由于對一部分有關壓力容器規范、標準、要求、法規等理解不全面，從而做出錯誤的設計。為此，我們需要不斷地學習、總結、歸納和分析；同時，加強行業之間的技術和經驗交流，進而更加熟知一系列的規范與標準。只有如此，才可以大大地減少錯誤的設計，持續地提高我們自身的業務技能。

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