論壓力容器設(shè)計(jì)中存在問題及預(yù)防

蒙積雄（湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司,湖北　孝感　432000）

論壓力容器設(shè)計(jì)中存在問題及預(yù)防

蒙積雄
（湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司,湖北孝感432000）

摘要：隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的壓力容器的應(yīng)用設(shè)計(jì)在工業(yè)設(shè)計(jì)中占有重要地位，良好的設(shè)計(jì)對其安全使用有著十分重要的意義，本文針對車載氣瓶，分析了壓力容器設(shè)計(jì)中常見的問題以及相關(guān)預(yù)防。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計(jì)；問題；預(yù)防

0　引言

工業(yè)領(lǐng)域的多個(gè)行業(yè)都會(huì)用到壓力容器，尤其在石油化工、汽車工業(yè)中，壓力容器更是占據(jù)重要地位。但當(dāng)前，我國的壓力容器設(shè)計(jì)中還存在一些問題，特殊的使用條件對壓力容器的安全設(shè)計(jì)有很高的要求，因而壓力容器被列入特種設(shè)備的范疇。壓力容器從設(shè)計(jì)到制造到最后的安裝，其安全性及可靠性都會(huì)受到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法的影響。壓力容器的設(shè)計(jì)涉及到很多專業(yè)知識(shí)，不僅要求設(shè)計(jì)人員有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)，同時(shí)應(yīng)具備較強(qiáng)的綜合素質(zhì)以及個(gè)人修養(yǎng)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)熟練掌握壓力容器各部件材料的選用標(biāo)準(zhǔn)、外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)合理準(zhǔn)則、受力分析、整體強(qiáng)化和制造的可行性，同時(shí)兼顧到使用安全及日常維護(hù)等。實(shí)際中設(shè)計(jì)工作還存在較多的問題，不僅影響了壓力容器的使用效率及可靠性，還會(huì)威脅到使用者的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

1　壓力容器設(shè)計(jì)中存在的問題

1.1設(shè)計(jì)未全面考慮應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕在多種腐蝕體系中都會(huì)產(chǎn)生，其中的共同點(diǎn)就是使用的金屬材料因?yàn)樘囟ǖ母g介質(zhì)環(huán)境，持久的拉應(yīng)力導(dǎo)致材料的斷裂破壞。壓力容器中的碳鋼與低合金鋼材料如果在N aOH、KOH、硝酸鹽、H2S水溶液、液氨等腐蝕性介質(zhì)中，應(yīng)力腐蝕開裂十分正常；奧氏體不銹鋼遇到NaOH、KOH、H2S水溶液、海水及含有鹵素離子的水溶液等腐蝕性介質(zhì)中也常常會(huì)導(dǎo)致容器的應(yīng)力腐蝕開裂。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，化工行業(yè)的液氨容器在設(shè)計(jì)時(shí)一般選用的主體材料為Q345R，在焊接后設(shè)計(jì)應(yīng)要求對容器進(jìn)行熱處理去除應(yīng)力，從而預(yù)防應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的損壞。

1.2壓力容器設(shè)計(jì)未考慮材料問題

壓力容器材料的問題直接影響整個(gè)壓力容器的各種屬性，材料問題是壓力容器設(shè)計(jì)的重要因素。材料的改變一般會(huì)受到以下幾個(gè)因素影響：壓力容器的使用人員、用戶的特殊要求、壓力容器所處的環(huán)境、容器的大小和外觀等。壓力容器一般處在較惡劣的工作環(huán)境之中，壓力容器對材料的要求高于一般的工業(yè)設(shè)備，這是因?yàn)槿绻牧细淖兊脑挘涫芰η闆r、耐腐蝕情況等都會(huì)出現(xiàn)一定的變化。

1.3壓力容器設(shè)計(jì)未考慮熱處理問題

鋼板的熱處理規(guī)定中要求，鋼板冷成形或其它的元件在受壓時(shí)都要進(jìn)行熱處理，例如有應(yīng)力腐蝕性介質(zhì)的容器；盛放較多毒性物質(zhì)的容器；成形之后碳鋼及低合金鋼厚度會(huì)降低10%的情況等；如果冷成形變形率的指標(biāo)與所規(guī)定的要求不符，設(shè)計(jì)時(shí)如果不給出合適的熱處理方式，也無法恢復(fù)材料的性能。壓力容器設(shè)計(jì)者一般都會(huì)對壓力容器的殼體、封頭等部件做熱處理要求，在多接管的設(shè)計(jì)中沒有考慮到這些。

1.4壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)類別劃分不準(zhǔn)確

設(shè)計(jì)對壓力容器的使用介質(zhì)的特性參數(shù)不夠了解，導(dǎo)致容器類別劃分不準(zhǔn)確。如在進(jìn)行盛裝環(huán)氧乙烷、粗甲醇、氯乙烯等介質(zhì)的容器設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者不能很好把握計(jì)算模型和選用的標(biāo)準(zhǔn)，不能準(zhǔn)確進(jìn)行疲勞循環(huán)載荷次數(shù)的判別和分析設(shè)計(jì)。

2　壓力容器中車載氣瓶設(shè)計(jì)問題的預(yù)防

移動(dòng)式壓力容器是壓力容器中的一種，其重要分支就是氣瓶，氣瓶是使用的最為普遍的一種移動(dòng)式壓力容器，它的的特點(diǎn)是數(shù)量大，使用范圍廣，充裝的氣體種類多，重復(fù)使用率高。其中，車用氣瓶屬于特種氣瓶。以下以車載氣瓶為例，并根據(jù)上述問題，給出相應(yīng)的預(yù)防措施。

2.1針對車用氣瓶類別的總體設(shè)計(jì)預(yù)防

車用氣瓶在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同車型對氣瓶安裝位置、氣瓶強(qiáng)度支架進(jìn)行圖樣設(shè)計(jì)。圖樣的設(shè)計(jì)、審查、產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣的變更等，都應(yīng)符合安全技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。設(shè)計(jì)過程應(yīng)注重質(zhì)量控制，根據(jù)不同車型對車載氣瓶的安裝位置、氣瓶強(qiáng)度支架進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖中應(yīng)明確技術(shù)要求、安裝使用說明等，從而指導(dǎo)采購、生產(chǎn)、安裝、檢驗(yàn)等，設(shè)計(jì)圖應(yīng)符合國家技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，保證圖形表達(dá)正確、統(tǒng)一、完整。外來的車載氣瓶設(shè)計(jì)文件，應(yīng)進(jìn)行審查并確認(rèn)。審查設(shè)計(jì)圖樣上選用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收規(guī)范應(yīng)為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其安裝材料選擇、結(jié)構(gòu)尺寸、檢驗(yàn)與試驗(yàn)要求符合法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；檢查圖形表達(dá)是否正確、統(tǒng)一、完整；根據(jù)公司的制造能力審查外來文件工藝性，是否能滿足設(shè)計(jì)文件的要求。生產(chǎn)中，若發(fā)生材料與設(shè)計(jì)文件不一致時(shí)，應(yīng)辦理材料代用手續(xù)。經(jīng)設(shè)計(jì)人員同意可以代用，變更文件由材料、零部件責(zé)任人，設(shè)計(jì)、工藝責(zé)任人會(huì)簽。

2.2 合理設(shè)計(jì)年限及開孔，防止應(yīng)力腐蝕

壓力容器的設(shè)計(jì)使用年限問題應(yīng)該嚴(yán)格遵循《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的要求，圖紙中應(yīng)該明確給出壓力容器的使用年限。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)容器各方面的影響因素，提高其可靠度，不斷減少其安全隱患。設(shè)計(jì)者可根據(jù)壓力容器材料的耐腐蝕能力、最大腐蝕速度及內(nèi)外部受到的壓力差等，計(jì)算出此壓力容器的最大腐蝕承受度及最大腐蝕速率后，可依據(jù)公式計(jì)算出容器的安全使用年限。其次，由于外部使用環(huán)境對于容器有較大的影響，設(shè)計(jì)者應(yīng)模擬最惡劣的使用環(huán)境中推算其使用壽命。最后，設(shè)計(jì)者圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮到使用者對其壽命的影響，設(shè)計(jì)者應(yīng)在圖紙中標(biāo)明使用條件，規(guī)范要求容器使用中的承壓部件的狀況、容器壁厚等參數(shù)。

壓力容器屬于厚壁接管，一般都需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中可參照殼體材料的特點(diǎn)、性質(zhì)、功能等進(jìn)行優(yōu)選和設(shè)計(jì)，要保證接管補(bǔ)強(qiáng)材料的材質(zhì)同壓力容器殼體材料性質(zhì)一致，全面維護(hù)金屬材質(zhì)的融通性。在選擇厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)方法時(shí)，要確保接管材質(zhì)強(qiáng)度等級(jí)同被開孔容器材質(zhì)強(qiáng)度等級(jí)保持一致，然而，強(qiáng)度等級(jí)過高的接管材料并不能發(fā)揮正面的補(bǔ)強(qiáng)功效，甚至?xí)胸?fù)作用，這會(huì)在整體上影響容器結(jié)構(gòu)的牢固度與穩(wěn)定性。如果接管材料強(qiáng)度等級(jí)較低，則需對接管壁做增厚處理，保證其良好的補(bǔ)強(qiáng)效果，同時(shí)適度控制接

管的有效流通面積，需要多重操作，不僅增加施工工序，也難以控制和確保開孔補(bǔ)強(qiáng)效果，有損容器功能與作用的發(fā)揮。設(shè)計(jì)時(shí)可采用無縫鋼管技術(shù)，也可采用鍛件加工技術(shù)，來優(yōu)化厚壁連接補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，有效控制容器補(bǔ)強(qiáng)的誤差，如果補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的壓力很小，對于補(bǔ)強(qiáng)的質(zhì)量與效果要求相對較小時(shí)，因此可以采用厚度適宜的無縫鋼管，相反，則應(yīng)該選擇鍛件加工技術(shù)。此外，設(shè)計(jì)中還可引入內(nèi)伸管，所選擇的內(nèi)伸管的長度大小會(huì)在很大程度上影響接管的應(yīng)力強(qiáng)度，一般情況下，內(nèi)伸管越長，接頭部位的應(yīng)力強(qiáng)度則越小，而且通過引入內(nèi)伸管，也能夠發(fā)揮增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)的功能。

2.3設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)化材料和熱處理要求

車用氣瓶應(yīng)當(dāng)按照規(guī)程、有關(guān)安全技術(shù)規(guī)范及國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)文件應(yīng)當(dāng)由國家質(zhì)檢總局核準(zhǔn)的檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)文件鑒定，合格后方可用于制造。車用氣瓶瓶體在進(jìn)行材料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足與所充裝的燃?xì)鈿怏w相容性的要求。制造纖維纏繞車用氣瓶鋁合金內(nèi)膽的材料，應(yīng)當(dāng)具有良好的抗晶間腐蝕性能。盛裝有應(yīng)力腐蝕傾向氣體的車用鋼質(zhì)氣瓶，其瓶體材料實(shí)際抗拉強(qiáng)度不應(yīng)當(dāng)超過880MPa，實(shí)際屈強(qiáng)比不應(yīng)當(dāng)超過0.90。原材料無縫鋼管表面應(yīng)當(dāng)采用超聲檢測，瓶體表面不得有褶疊、分層、裂紋等缺陷存在。采用氣瓶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以外的材料或者新研制的材料試制車用氣瓶，其制造單位應(yīng)當(dāng)向國家質(zhì)檢總局提出試制申請，按照經(jīng)批準(zhǔn)的數(shù)量試制氣瓶，其技術(shù)評(píng)審的結(jié)果經(jīng)過國家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)后投入制造。如果現(xiàn)行氣瓶采用標(biāo)準(zhǔn)以外的材料或新研制的材料，其材料制造單位應(yīng)當(dāng)按照經(jīng)過技術(shù)評(píng)審的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)供貨，車用氣瓶制造單位，應(yīng)當(dāng)按照爐罐號(hào)對制造氣瓶瓶體的金屬材料進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)，按照材料批號(hào)進(jìn)行力學(xué)性復(fù)驗(yàn)，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行無損檢測、低倍組織復(fù)驗(yàn)。氣瓶在制造過程中經(jīng)過熱處理改變材料力學(xué)性能，其所用的材料復(fù)驗(yàn)時(shí)可以不進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)。

3　結(jié)束語

壓力容器，尤其是車載氣瓶的設(shè)計(jì)過程十分嚴(yán)謹(jǐn)，要嚴(yán)格執(zhí)行國家的強(qiáng)制許可制度，設(shè)計(jì)人員也該具有較高的素質(zhì)，把握好標(biāo)準(zhǔn)要求，不斷提高設(shè)計(jì)水平，處理每個(gè)環(huán)節(jié)，不僅要遵守行業(yè)管理規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，還要充分優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算方法、材料、焊接方法、檢驗(yàn)檢測等各方面,從而保證其使用安全。

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