壓力容器設計中的問題及設計優化策略研究

王仲舉

摘要：改革開放以來，我國經濟取得了驚人的成績，特別是在工業方面發展速度極快。其中壓力容器設計同樣也在這最近的幾十年里取得了巨大的成績。不過由于壓力容器設計涉及到的層面非常多，我國在這方面的研究起步也相對較晚，所以至今在設計方面依然存在著一定缺陷。本文研究重點則是通過對設計缺陷進行分析，并在此基礎上提出解決這些缺陷的主要措施。

關鍵詞：壓力容器;設計;優化策略

壓力容器在工業制造領域屬于非常關鍵性的零部件，特別是在石油化工領域更是如此。然而我國研究起步較晚，在設計方面還存在著一定的問題。加強設計階段的優化，對于提升壓力容器的安全和質量水平將具有非常重要的作用。

1.壓力容器設計的基本要求

1.1?工藝要求

壓力容器涉及到的工藝要求非常嚴格，比如壁厚、容積以及直徑大小。使用溫度需求、密封圈結構和開口孔設計等同樣具有嚴格要求，滿足石油化工領域的相關規范。

1.2?使用壽命的保障

壓力容器的使用環境相對復雜，會受到不同物質的腐蝕或者侵蝕，另外壓力容器本身的制造材料也會因為氧化而出現老化問題。對此設計人員往往要通過更加嚴格的設計提升壓力容器的安全系數，從而達到提升壓力容器生命周期的目的。

1.3?確保使用安全

一般來說，壓力容器中所存放的物質都具有一定的腐蝕性或者侵蝕性，而且還具有易燃性，如果使用不當就極容易引起火災。隨著存儲時間的延長，對于壓力容器的侵蝕效果就會越加明顯，同時能量也會不斷聚集，一旦壓力容器質量不好，就出現能量的劇烈釋放，從而容易形成巨大的破壞力和摧毀力。

1.4?提升使用便利性

壓力容器設計工藝要求很高，但是在使用要求方面卻需要壓力容器具有良好的便利性。那么為了達到這個便利性要求，就需要降低壓力容器使用的危險系數，提升壓力容器的安全屬性。結構設計簡單穩定，不僅能夠提升制造和質檢的便利性，同時也有助于提升設計的質量，對于降低使用成本，提升企業的經濟效應還具有一定的效果。

2.壓力容器設計主要問題分析

2.1?經濟性問題

材料對壓力容器的質量和性能以及安全性會產生最為直接的影響。選擇制造壓力容器的材料需要綜合考慮溫度、壓力、材料自身的焊接屬性以及不同溫度環境下的加工性能等。還需要考慮材料的經濟性。材料以及材料質量所占壓力容器的總體成本的比例最大。容積較大的容器，壓力容器的殼體質量基本上總設備質量的8成至9成。壓力容器的材料選擇就需要遵循價格和性能的綜合性，另外可以通過優化設計工藝，盡可能的減少高性能高價格材料的使用，從而達到降低成本的目的。

2.2?材料許用應力跳檔

由于壓力容器對于壓力要求較高，因此封頭部位厚度相對較厚。對此就需要在成形時通過減薄量來進行優化。而且壓力容器的筒體部位在成型時也會產生減薄量，對此一些設計人員往往考慮的不夠全面，沒有在設計時就考慮這些筒體和封頭的減薄量，而是在生產制造時引入成形減薄量，導致整個板料的厚度偏厚，那么相應的許用應力就會降低。為了解決這個問題，就需要設計人員在容器設計時，注重厚板類材料的許用應力跳檔等問題。

2.3?非標法蘭的設計問題

目前頒布的《壓力容器法蘭》主要的適用范圍為公稱壓力≤6.4MPA，且對應的公稱直徑要大于等于800mm。另外國家頒布的《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》標準，對于較大直徑的法拉公稱壓力和公稱直徑也有著明確的要求。可是這些標準在實際執行過程中往往會超出上述標準，從而影響到壓力容器的性能。對此就需要在設計法蘭時，要對結構尺寸進行詳細計算，從而滿足強度需求。

3.壓力容器的設計優化

3.1?選用好材料

材料性能高低對于壓力容器的性能產生最為直接的影響，所以通過對材料的優選，選擇能夠滿足承壓、溫度以及焊接性能等要求的設備材料，與此同時還需要通過良好的設計來提升這些材料的經濟性以及安全性。

3.2?區別對待

在設計壓力容器時，必須要針對具體的設計需求進行區別設計。應力不同其失效模式也會不一致。而且就算是一個應力，那么不同的部位也會產生不同的失效效果。壓力容器涉及到的負荷眾多，比如容器的內部和外部的壓力、自重以及溫度差形成的盈利等。這些不同的應力一般體現為三種，第一種是初次應力;第二種就是二次應力;第三種就是融合力初次應力和二次應力的綜合應力。對此在設計壓力容器時，需要結合不同的應力模式來進行區分設計，從而提升壓力容器的安全和質量。

3.3?優先強度屬性

如果壓力容器需要承受力高，且體積大，壁厚，在這種要求性就不能夠采用Q245R等傳統碳素鋼材料。這會導致壁厚增加，影響體積。因此需要選擇一些低合金鋼等新型材料。如果壓力容器對壓力需求不高，而且本身壁厚不厚，此時就可以采用Q245R等傳統碳素鋼，這能夠有效降低成本。區別材料的選擇條件往往以壁厚為8毫米為界。

3.4?設計要注重細節

熱處理工藝主要是在加工容器組件的過程中使用，需要采用熱成型或者冷成型時就需要通過熱處理進行應力處理。對此需要對設備的主體結構進行工藝編排，從而依次進行加工。但是由于涉及到的元部件較多，往往會對封頭以及接管部位的熱處理欠考慮，導致容器設計出現短板，最終影響到設備的安全性和使用壽命，所以在設計時加強細節優化才能夠規避這些問題。

總之壓力容器設備對制造工藝要求極高，而且自身性能要求特殊，應用環境也相對特殊，所以設計人員需要遵循安全和質量第一的原則進行。只有這樣才能夠保障壓力容器的安全和質量，確保人民群眾的生命和財產不受損失。

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