化工壓力容器的選材及補強設計淺談

馬鈺迪 李遠哲（中石油北方工程設計有限公司，吉林 吉林 132002）

在整個化工操作環節，化工壓力容器的質量是至關重要的，為此一定要根據相關規定來確定其筒體材料。由于化工壓力容器裝置的設計部門以及制造企業間對壓力的標準和要求有不一樣的理解，從而導致化工壓力容器在完成后的試運行階段，發生各種問題，所以為了使化工壓力容器得到更為妥善的維護，一定要選擇最佳的材料進行替換代用，同時做好補強設計工作。

1 化工壓力容器的選材

在設計化工壓力容器時，應當根據《壓力容器安全技術監察規程》等規定科學的選材，同時也需要考慮到主體材料是否會受到介質特性的影響，比如說在選擇材料時，需要分析材料的使用年限、設計壓力以及溫度等。一般硫濃度環境應使用20R、20等這一類型的碳素鋼，避免投入15MnVR等低合金鋼；高溫氫腐蝕環境需要考慮M0、Ti這一類型的合金鋼；若是壓力容器內部環境過高，那么碳素鋼以及碳錳鋼容易發生問題，所以鋼中碳化物所發生的石墨化情況一定要引起重視。這是由于在高溫環境之下，碳素鋼以及碳錳鋼會發生變脆問題，鋼中的滲碳體也可能會發生分解情況，造成材料的強度以及可塑性下降，所以在高溫環境之下需要謹慎替換碳素鋼以及碳錳鋼。另外在選材時，也應當注重介質的腐蝕性、毒害性以及易燃易爆程度，基于材料的成本造價，考慮新材料的特性和應用價值，以更好的減少制造成本。

在確定補強材料時，若是材料的強度等級相對較低，相應的補強面積會出現增大趨勢。若是接管有效補強面積減少，則會造成補強效應下降，同時焊接質量也會受到不良影響。為此應當利用無縫鋼管材料來制作厚壁接管，也可以通過鍛件進行加工制造。如果設計壓力比較低，為了保證接管壁厚不至于過大，同時也可以滿足補強要求，應當使用無縫鋼管；如果設計壓力比較高，所需要的壁厚也比較大，這種情況下為了達到補強要求，需要通過鍛件進行接管的加工制造。在確定補強圈材料時，應確保其和筒體材料相一致，以降低制作成本。厚壁接管的材料需要基于設備的介質特性以及操作條件加以確定，通常厚壁接管的強度以及所使用材料的類別，需要和殼體材料相一致。在使用強度等級相對較高的材料時，盡管補強效果、穩定程度會有所提升，然而材料的造價也會增高，相應的焊接難度會提升，材料的整體強度可能會受到負面影響。

2 化工壓力容器的補強設計要點

2.1 開孔補強設計要點

在對壓力容器進行補強結構設計時，需要尤其注重局部補強結構的設計，即為強圈搭焊、整體鍛件以及后壁接管結構的補強。其中后壁接管補強技術具有很多優勢，比如說可保證焊接質量、結構簡單以及焊縫較少等，所以補強效果是有保障的。整體鍛件補強技術，即對接管、補強結構以及部分殼體進行加工，使其成為一個完整的鍛件，之后需要通過焊接方式連接起接管以及殼體，該方法能減少應力的集中程度，所以材料在通過補強之后，其可具有更高的抗疲勞性。然而整體鍛件補強技術依然有很多的問題，比如說使用頻率較小，造價較高，常見于要求非常高的化工行業壓力容器補強作業中。

另外補強圈補強技術常見于操作溫度較低的低型壓力容器中，其操作原理是在無限大的平板開小孔。通過把補強板材料焊接于焊壁上，能夠使開孔邊緣部位的金屬強度得到增強。開孔所除去金屬的質量直接關系到可補回的金屬數量。所以為使得小直徑的開孔方式更為有效，應考慮補強圈補強技術。但是補強圈補強技術仍有一些問題，像是補強圈及外殼體會相互分離，很難成為一個整體，同時在做好補強工作之后，抗疲勞程度會減少。

在進行開孔補強設計時，需要做好補強圈的設計工作。一般來說，設計人員需要根據補強圈的標準要求開展設計工作，具體來說涉及到以下三種情況：首先，補強圈不超過殼體厚度；其次，補強圈和殼體厚度所一致；最后補強圈的厚度超過殼體的。第二種設計方法占有很大的優勢，這是由于這種設計方法不僅可以更為全面的應用材料以及備料，材料的浪費情況會大大減弱。需要意識到，還需要根據壓力容器具有的結構特點以及設計規定來確定補強圈的厚度。

2.2 開孔補強應力論述

在對化工壓力容器實施開孔處理之后，會出現三種應力，即薄膜應力、峰值應力以及彎曲應力。一般來說，壓力容器會直接受到均勻薄膜應力的制約。開孔后，通常開孔邊緣區域會受到應力的集中作用，受影響程度會受到距離遠近的影響，與孔相距較遠部位的應力幾乎不會發生變動，但是總體薄膜應力會不超過其應力水平。

在對壓力容器進行開孔處理之后，其和接管連接部位所出現的范圍分布相對較小，這造成數值增高以及峰值應力問題的出現幾率較大。彎曲應力應劃分為一次應力，其可以對殼體以及接管之間的連接性能進行協調，并會出現相應的應力，同時在正常運行時，壓力容器的很難遭到破壞。

3 結語

在化工生產中，化工壓力容器是非常重要的設備，其安全程度也關系到化工生產活動，因此對化工壓力容器進行科學的選擇，同時優化補強設計是非常重要的。在進行選材時，一定要遵守相關規定要求，使材料的質量符合實際需求，補強設計工作則需要考慮到施工成本、技術以及安全性，以維持化工壓力容器的正常運行。

[1]蘇艷英.化工壓力容器的設計和選材技術闡述[J].化工管理,2017,(05)：17.

[2]周一飛.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用研究[J].廣州化工,2015,43(14)：181-182.