壓力容器設計制造中的常見問題探討

劉琳琳　張旭　王妍妍

（中國昆侖工程公司遼寧分公司）

壓力容器設計制造中的常見問題探討

劉琳琳*張旭王妍妍

（中國昆侖工程公司遼寧分公司）

對壓力容器設計、制造中常見的問題，如封頭最小成形厚度的標注、最大允許工作壓力的計算、安全閥的設置和焊接接頭系數的選取等，進行了詳細的分析和闡述。

壓力容器封頭厚度工作壓力安全閥焊接

0　前言

壓力容器在化工、煉油、醫藥等行業中幾乎成為生產中的主要設備。設備的增多，隨之而來的安全問題，顯得非常突出。保證壓力容器規范生產和安全使用，是從事壓力容器設計、制造及維護的人員義不容辭的責任和義務。本文分析了壓力容器設計制造過程中常見的問題。

1　封頭最小成形厚度標注問題

新的壓力容器封頭設計標準要求，封頭除應標注名義厚度外，還應標注封頭的最小成形厚度［1］。所謂封頭最小成形厚度，是封頭成形后保證設計要求的最小厚度，也就是受壓元件滿足設計所要求的強度、剛度和使用壽命所需的最小厚度［2］。封頭最小成形厚度與其他厚度的關系如圖1所示。也就是說，封頭最小成形厚度與其他有關的厚度具有下述關系。

圖1　各厚度間的關系

（1）與設計厚度關系：封頭最小成形厚度應不小于設計厚度。在殼體和接管的連接部位，除考慮殼體的設計厚度外，還應考慮開孔補強所需要的補強厚度，該值是滿足元件強度要求的最小厚度。

（2）與名義厚度、有效厚度關系：在給定了元件的名義厚度的情況下，最小成形厚度的最大可能值為名義厚度減去加工減薄量，即有效厚度加腐蝕裕量。

（3）制造單位在確定鋼材厚度時，應依據設計者確定的最小成形厚度，同時根據自身的制造經驗對設計圓整量和加工裕量一并考慮，以減少計算上的“二次圓整”導致的鋼材浪費。

然而，文獻［1］和文獻［3］均未對設計文件中如何標注最小成形厚度做出詳細的解釋和規定。若設計者對標準理解得不夠充分，對最小成形厚度的標注存在疑議，就會造成許多安全隱患。筆者對此提出一些看法，供大家參考。

筆者認為：如果封頭上無開孔補強的情況，封頭的最小成形厚度等于封頭的計算厚度與腐蝕裕量之和；如果封頭上有開孔補強的情況，從設計角度出發，封頭的最小成形厚度應為名義厚度減去鋼板負偏差，而從制造廠角度，應為名義厚度減去鋼板負偏差，再減去加工減薄量。為保證“名義厚度減去鋼板負偏差”，往往選購厚度規格大于名義厚度的鋼板，即進行了二次圓整［4］。

其中，鋼板負偏差的取值應按文獻［4］確定，標準GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》、GB 3531—2008《低溫壓力容器用低合金鋼板》、GB 19189—2011《壓力容器用調質高強度鋼板》中規定，厚度允許偏差按GB/T 709—2006規定的B類偏差，即偏差為固定值-0.3 mm。同時標準GB 713也強調，經供需雙方協商，可以提供減小負偏差且公差不變的鋼板。GB 3531和GB 19189—2011也強調，經供需雙方協議，也可按GB/T 709—2006規定的C類偏差交貨，即負偏差為0。

2　關于最高允許工作壓力

最高允許工作壓力是“在指定的相應溫度下，容器頂部所允許承受的最大壓力。該壓力是根據容器各受壓元件的有效厚度，考慮了該元件承受的所有載荷而計算得到的，且取最小值?！保?］

2.1標準要求給出最大允許工作壓力的情況

對于帶有安全閥、爆破片等超壓泄放裝置的壓力容器，如果設計時提出氣密性試驗要求，則設計者應當給出該壓力容器的最高允許工作壓力。其原因是：進行氣密性試驗時，一般應將安全附件裝配齊全，而超壓泄放裝置的動作壓力一般不得高于設計壓力，這時以設計壓力進行氣密性試驗就會造成超壓泄放裝置的開啟，無法完成試驗?；谶@種情況，標準TSG R0004—2009［5］規定：對于設計圖樣中注明最高允許工作壓力的壓力容器，允許超壓泄放裝置的動作壓力不高于該壓力容器的最高允許工作壓力。

安全閥的整定壓力一般不大于該壓力容器的設計壓力。設計圖樣或者銘牌上標注有最高允許工作壓力的，也可以采用最高允許工作壓力確定安全閥的整定壓力。［5］

2.2不強制要求給出最大允許工作壓力的情況

不強制要求給出最大允許工作壓力，但一般意義上在下述情況時應該給出最大允許工作壓力。

最高允許工作壓力充分利用了元件設計厚度向上圓整為名義厚度時所增加的厚度裕量，所以其在數值上大于或等于壓力容器的設計壓力。當壓力容器設計文件未給出最高允許工作壓力時，則可認為該容器的設計壓力即為最高允許工作壓力。［1］

采用容器最高允許工作壓力作為容器超壓的起始壓力可以在相同材料、相同厚度的條件下，取得較高的甚至高于設計壓力的泄放裝置動作壓力，即最大限度地增加了工作壓力與安全閥爆破片動作壓力之間的壓力差，并增大了操作空間，從而使壓力容器的潛力得到發揮，操作更平穩。

2.3最高允許工作壓力的計算

在確定最高允許工作壓力時需要考慮開孔補強，具體可參閱文獻［2］中問題1～7所述。當殼體上有開孔補強時，在確定的結構尺寸和有效補強范圍內應先確定“滿足開孔補強所需面積A”，同時計算出開孔處有效補強范圍內的“補強面積Ae”，開孔處的PMAWP必須同時滿足下列3種條件：

（1）提高計算壓力Pc，直至δ等于δe；

（2）提高計算壓力Pc，直至δt等于δet；

（3）提高計算壓力Pc，直至A等于Ae+A4。

分別計算這3種條件下的3個壓力，取其最小值即為該開孔部位的PMAWP。

如果該開孔部位處于容器內的液面以下，同時承受著不可略去的液柱靜壓力，則還要減去液柱靜壓力，才是該開孔處的“最高允許工作壓力”。如果還有其他載荷，應同時滿足所有載荷計算所需要的強度要求。

該處計算出的允許承受最大壓力和其他各元件計算出的允許承受最大壓力相比較，取最小值為容器的最高允許工作壓力。

3　關于安全閥的設置

安全閥是一種安全保護用閥，它的啟閉件在受外力作用時處于常閉狀態，當設備或管道內的介質壓力升高至超過規定值時自動開啟，通過向系統外排放介質來防止管道或設備內介質壓力超過規定數值。當系統壓力超過規定值時，安全閥打開，將系統中的一部分氣體或流體排入大氣或管道外，使系統壓力不超過允許值，從而保證系統不因壓力過高而發生事故。那么在什么情況下需要設置安全閥，安全閥應該如何選擇，筆者對此進行了如下的分析總結。

3.1必須設置安全閥的情況

（1）獨立的壓力容器，系統為全氣相、全液相或氣液相聯通。

（2）容器中的物料來自于沒有安全閥的場合。

（3）設計壓力小于壓力源壓力的壓力容器。

（4）由不凝性氣體累積產生超壓的容器。

（5）可能由工藝事故、自控事故、電力事故、火災事故、公用工程事故引起的超壓部位。

（6）其他需要裝安全閥的情況。

3.2安全閥的型式選擇

通常采用彈簧直接載荷式安全閥，其中有全啟式和微啟式等閥型。全啟式安全閥適用于泄放氣體、蒸汽及液化氣介質，微啟式安全閥一般適用于泄放液體介質。也可采用自激式非直接載荷安全閥，即先導式安全閥［1］。排放水蒸氣或空氣時可以選擇帶扳手全啟式安全閥。

3.3安裝安全閥的注意事項［1］

（1）安全閥適用于清潔、不含固體顆粒、黏度低的介質。

（2）安全閥不能單獨用于壓力快速增長的場合。

（3）安全閥不宜單獨用于閥座與閥瓣密封面可能被介質粘連或介質可能生成結晶體的場合，但可以將爆破片安全裝置串聯在安全閥入口側組合使用。

（4）用于液體的安全閥公稱通徑至少為15 mm。

（5）安全閥整定壓力偏差不應超過±3%整定壓力及其與±0.015 MPa的較大值。

（6）裝有安全閥時，容器的設計壓力按以下步驟確定：①根據容器的工作壓力pw，確定安全閥的整定壓力pz，一般取pz=（1.05～1.1）pw；當pz＜0.18 MPa時，可適當提高pz相對于pw的比值。②取容器的設計壓力p等于或稍大于整定壓力pz，即p≥pz。

3.4安全閥的優缺點［6］

（1）優點：只泄放超壓部分的介質，在泄放后容器能很快恢復正常運行。

（2）缺點：①密封性較差，由于閥瓣為機械動作元件，與閥座一起受到頻繁啟閉、腐蝕和介質中固體顆粒磨損等的影響，易發生泄漏。②由于彈簧慣性及結構上的原因，閥瓣的開啟有滯后現象，不能滿足快速泄壓的要求。③對于黏性介質或有結晶物析出的物料，閥瓣與閥座容易被粘住。④結構較復雜，產品規格、泄放壓力和材料受到制造成本限制。

4　焊接接頭系數的選取

焊接接頭系數只為壓力容器強度計算所用，并應根據焊縫型式和無損檢測要求選取，焊縫熔敷金屬的強度不應低于強度較低一側母材的強度下限。規定的焊接接頭系數值是以焊接接頭設計及制造要求符合GB 150的規定為前提的。

焊接接頭系數φ應根據對接接頭的焊縫型式及無損檢測的長度比例確定［1］。下面討論鋼制壓力容器的焊接接頭系數［1］。

4.1雙面焊對接接頭

雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全焊透對接接頭：

全部無損檢測，取φ=1.0；

局部無損檢測，取φ=0.85。

4.2單面焊對接接頭

對于單面焊對接接頭（沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板）：

全部無損檢測，取φ=0.9；

局部無損檢測，取φ=0.8。

焊接接頭系數的選取與接頭的焊接工藝特點、無損檢測比例和對容器的要求有關。主要有以下幾個問題［6］：

（1）當縱向接頭與環向接頭的結構、無損檢測比例不一致時，如縱向接頭采用雙面焊、100%RT或UT，而環向接頭為加墊板的單面焊且無法進行RT或UT檢測時，在容器的設計計算中應正確采用焊接接頭系數。

內壓圓筒厚度計算公式是根據圓筒中周向總體（一次）薄膜應力的強度導出的，所以與之相對應的焊接接頭系數應為圓筒的縱向焊接接頭系數。在圓筒環向接頭的極小斷面中也存在著環向（周向）薄膜應力。盡管環向接頭在圓筒軸向的應力僅為環向應力的一半，但是作為一臺完整的壓力容器，為確保整個圓筒的強度與安全，一般應要求環向接頭與縱向接頭具有同樣的質量水平，即要求具有同樣的焊接接頭系數。若存在制造上的困難，可按GB 150中10.8.2.3款執行。此時環向接頭的質量（焊接接頭系數）雖然可能與縱向接頭的質量（焊接接頭系數）不完全相同，但計算圓筒厚度時，仍取縱向接頭的焊接接頭系數。設計者應對該焊接接頭提出技術要求，以提醒制造廠用焊接工藝措施來保證焊接質量。

“對容器直徑不超過800 mm的圓筒與封頭的最后一道環向封閉焊縫，當采用不帶墊板的單面焊對接接頭，且無法進行射線或超聲檢測時，允許不進行檢測，但需采用氣體保護焊打底?！保?］

（2）封頭拼接接頭的焊接接頭系數。GB 150中10.8.2.2款規定，對封頭拼接接頭應進行100% UT或RT檢測，但對封頭拼接接頭的焊接接頭系數如何選取未作規定。封頭拼接接頭的無損檢測要求主要是針對封頭成形時變形較大、缺陷容易擴展提出的，與封頭厚度計算無關。盡管封頭拼接接頭要求進行100%UT或RT檢測，但這種檢測仍然只是整臺容器檢測的一部分，其合格指標仍按照對容器整體要求的合格指標而確定。因此，封頭拼接接頭的焊接接頭系數一般取壓力容器的縱向焊接接頭系數。

對于整張鋼板壓制的小直徑封頭，由于不存在焊接接頭，在厚度計算中當然取φ=1.0。

5　結語

本文中討論的幾個問題，是壓力容器設計制造中的常見問題。筆者撰寫此文的目的是使大家重視這些問題，以求在壓力容器設計制造過程中避免這些問題，減少錯誤，即使遇到這些問題，也可使問題的處理更加合理順暢。

［1］GB 150.1～GB 150.4—2011壓力容器［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［2］陳朝暉.GB 150—2011《壓力容器》問題解答與算例［M］.北京：新華出版社，2012.

［3］GB/T 25198—2010壓力容器封頭［S］.北京：中國標準出版社，2010.

［4］壽比南.GB 150—2011《壓力容器》標準釋義［M］.北京：新華出版社，2012.

［5］TSG R0004—2009固定式壓力容器安全技術監察規程［S］.北京：新華出版社，2009.

［6］李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程［M］.北京：新華出版社，2005.

Discussion on Common Problems in Design and Manufacture of Pressure Vessel

Liu LinlinZhang XuWang Yanyan

Common problems in the design and manufacture of the pressure vessel are analyzed，such as the labelling of the minimum molding thickness of the shell cover，the calculation of the maximum allowable working pressure，the setting of the safety valve and the selection of the welding joint coefficient.

Pressure vessel；Shell cover；Thickness；Working pressure；Safety valve；Weld

TQ 050.2

2015-03-26）

*劉琳琳，女，1986年生，助理工程師。遼陽市，111003。