壓力容器設計氣相空間探討

劉紅虎

摘 要：近些年，有關規范如《固定式壓力容器安全技術監察規程》指出，在壓力容器設計時判別類別主要按設計壓力、容積和介質危害性三因素來決定，在設計分析中不再主要考慮材料強度等級、結構形式等因素，而是特別提出以壓力和容積的危害為主要因素，以其二者所構成的氣相空間作為主要的技術指標要求，對壓力容器設計時所產生的相關影響。

關鍵詞：壓力容器；容器設計；氣相空間

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.030

1 前言

在壓力容器設計生產過程中，壓力容器能否安全運行是至關重要的問題，而根據有關規范的要求，在壓力容器設計中以壓力、容積組成的氣相空間為主的技術指標要求占有很大比重。壓力容器的設計觀念不斷變化與更新，分析設計已成為國際上壓力容器設計的追求目標，其無論是在國內還是國外都得到了廣泛的應用。分析設計比常規設計涉及了更多的壓力容積相關的力學知識。本文首先闡述了在設計中所需要注意的相關規范和要求，其主要針對的是氣相空間問題，同時對其中氣相空間問題的有關問題進行了詳細的說明。

2 壓力容器設計中對于氣相空間有關問題的探究

2.1 壓力容器設計中的氣相空間問題規范要求

在對壓力容器設計過程的有關規定《容規》中有相關規范有：

（1）壓力，主要是指在正常工作狀態下，壓力容器的頂端所能達到的最大壓力值；

（2）容積，主要是指壓力容器理論上的幾何容積，一般在扣減去壓力容器內部的永久連接部分的內件體積下，由設計圖樣中標注出的尺寸計算出的幾何容積；

（3）容器內的物質主要為液體，并且即使液體的最高工作溫度低于其沸點，同樣在規定允許的范圍內。

容器在以下條件下適用于這個規定范圍：

（1）工作時的壓力不小于0.1Mpa；

（2）工作壓力和容積二者的乘積不小于2.5Mpa·L；

（3）當容器中存放的物質為氣體、液化氣或者滿足一定條件的液體。不管是超高壓或者非金屬甚至是簡單壓力容器都必須符合相關規定的要求。

首先要注意的是壓力，主要看工作壓力是否符合規范，其次要注意容積和壓力關系，其實質上表示的就是此容器中物質的內能，即當容器發生事故時可以放出的能量。隨著規定的改進，在進行設計時，必須注意一些已經改動的規定，嚴格按照要求進行設計。有時候所謂的永久連接，就是指當部件連接后，必須通過極端破壞才能進行拆卸。遇到比較難計算的內件體積時，最終由設計者來決定是否考慮內件的體積。例如在根據一般的歸類方法，在計算殼程的容積時，需要舍棄掉換熱管的體積，相反的，在計算管程的容積時，就需要加上換熱管的體積。最后還需要注意容器內的主要物質是什么，大部分情況都可以認為容器內主要為氣體和潛在氣體。例如液化氣體一旦發生泄漏等問題，容器內的介質就會變為氣體，且爆炸威力極大。

2.2 壓力容器設計中對于氣相空間問題的有關問題

有些設計者對《容規》注1-4中的“氣相空間”概念的正確性提出了質疑，他們懷疑到底是容器內液面以上的氣態空間是氣相空間還是容器的總容積是氣相空間，另外還有一種說法是：對于氣、液兩種介質的空間，應如何考慮容積問題？在本文的相關闡述中，我們需要明確，所謂的氣相空間，指的是容器內的液態物質最低液面上方的空間，而不是容器的總容積。當判斷壓力和容積的乘積是否歸入液相空間，要看其中的液態物質的標準沸點，當標準沸點不高于其工作溫度時，則計入其中，反之則不計入其中，而且只考慮氣相空間所占的體積。，另外需要指出，只有在可以密閉的容器中才存在氣相空間，而且當一個容器完全符合壓力容器的相關規范，在計算器容積時不能僅考慮氣相空間而當取該容器的整個容積。

另外的主要問題是，規范中指出，在一個盛水容器中，當工作壓力大于0.1Mpa時，怎么去判斷它是否受《容規》的要求，而且當水充滿時和水不滿時有什么區別。首先需要知道的是，當充滿水時，工作夜里大于0.1Mpa，會出現以下兩種狀況，其一，標準沸點高于工作溫度，則此容器不收《容規》中規定的約束，其二，標準沸點不高于工作溫度，且容器整體容積和壓力的乘積小于2.5Mpa·L時，也不在適用范圍內，但大于、等于2.5Mpa？L時，則完全屬于本規程適用范圍。而當壓力容器不充滿，工作壓力也同樣大于0.1Mpa時，也要分如下兩種情況：若水的標準沸點高于最高工作溫度，并且需要考慮到氣相空間，當氣相空間的體積和壓力的乘積不小于2.5Mpa·L時，則適用于《容規》中的規定，反之就超出了其適用范圍。當標準沸點不高于工作溫度，并且容器的整體容積乘以工作壓力不小于2.5Mpa·L時，《容規》適用，反之則不適用。

3 結束語

壓力容器的設計本身就是一項艱巨復雜的過程，在設計期間難免會出現一些設計要求不符合規定、理解不透等設計問題，進而導致設計出不符合相關規范的壓力容器，甚至會發生安全問題，不論是在使用中，還是在制作中，都會對其附近的人們產生安全威脅，所以文章主要針對壓力容器的氣相空間相關問題規范與氣相空間設計問題的一些簡單探討，總結出一些相關的意見與建議，希望為廣大從業者提供一些設計思路，以期避免造成任何不必要的損失。

參考文獻：

[1]固定式壓力容器安全技術監察規程[J].TSG R0004-2009 國家質量監督檢驗檢疫總局.

[2]固定式壓力容器安全技術監察規程[S].問題解答新華出版社 ，2009（12）.

[3]壓力容器設計指導手冊[S].云南科技出版社，2006（08）.