化工壓力容器設計中的選材和補強

李 亮

(陽煤集團壽陽化工有限責任公司，山西 壽陽 045400)

化工設計

化工壓力容器設計中的選材和補強

李 亮

(陽煤集團壽陽化工有限責任公司，山西 壽陽 045400)

在壓力容器設計過程中，選擇合適的材料和滿足強度的補強設計對壓力容器的安全、平穩運行至關重要。對壓力容器主要受壓元件如何選材進行了介紹，對開孔補強設計技術的要領進行了探討，提出了有針對性的設計建議。

選材；補強設計；化工壓力容器

引 言

壓力容器作為化工行業主要生產設備，同時也是特種設備的一類，在使用過程中，它的安全運行意義重大。壓力容器主要受壓元件的選材必須要符合相關法規和標準的要求，同時，還要滿足其使用性能。在生產和使用過程中，由于受實際條件的限制，材料代用常有發生，增加了壓力容器合理用材的復雜性，在容器設計、制造、使用的各個環節對技術人員提出了更高要求。

壓力容器為了正常的使用操作，會在筒體和封頭等受壓元件上開孔，以便安裝物料進出、儀表檢測、檢修人孔等工藝管口。開孔會削弱容器本體材料的承載能力，同時，由于接管和筒體的結構連接不連續，會在開孔處造成局部應力集中[1]。如何選擇合適的補強設計方法和補強結構就顯得尤為重要。

1 材料的選用

1.1 主體材料的選用

壓力容器主體材料的選用對其安全性能起決定性的作用。在設計壓力容器時，主體受壓元件選樣除了能要滿足相關法規和標準的硬性規定外，還要選擇能滿足設備的力學性能、物理性能、工藝性能和介質相容性的材料，確保材料有優良的可加工性、足夠的強度、耐蝕性等。

1) 必須根據介質特點和工作條件選出合適的鋼材種類，進而確定用材牌號。所用鋼材要抗容器介質腐蝕，確保使用壽命；其許用應力還要在相應設計溫度和壓力下能滿足容器的強度要求。一些特殊介質可選用復合材料，基層用來滿足力學性能，與介質接觸的復層用來抗介質腐蝕，從而提高鋼材的合理利用。例如，在高硫壓力容器設計時，要限制材料中C、S、P、Ni、Mn等元素的含量，優先選用Q245R等碳素鋼材[2]。

2) 壓力容器選材要充分考慮到設備的制造性能，要有較好的焊接性能、成型性，高韌性以及較大塑性[3]。

3) 壓力容器用材要避免不必要的浪費，提高其經濟性，要避免“越厚越安全”、“性能越高越好”等直觀誤區。例如，鋼材厚度的增加會增加設備抗壓能力，但是同時也增加了設備自重，對設備支撐元件(鞍座、裙座等)提高設計要求，還存在失穩等重大隱患，并且，也造成了材料的大量浪費。

4) 近年來，隨著我國裝備制造向國外輸出以及國際上優于國內鋼材的使用，境外牌號的材料和新型材料越來越多地出現在國內壓力容器用材上。針對境外牌號鋼材的使用，首先，要有相似工作條件的使用實例。其次，材料性能、化學成分、相關質量證明文件等都要滿足我國法規要求。再者，壓力容器設計、制造等單位要掌握材料的加工性能和使用性能；新材料的使用要按照TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術監察規程》要求通過技術評審。

5) 壓力容器選用材料應該購買具有相應資質的企業所生產的鋼材?；毫θ萜髯鳛樘胤N設備，如果一旦有事故發生，所造成的危害巨大。所以，國家質量監督檢驗檢疫總局對壓力容器的設計、制造、安裝、使用各個環節實行嚴格監管，以確保壓力容器安全運行。

1.2 壓力容器設計中補強材料的選用

補強材料的選擇要綜合考慮到其理化性能、力學性能、焊接性能和經濟性。補強材料應選用與主體材質牌號一致或相近的材料，若補強材料許用應力小于殼體材料的許用應力，補強面積應按殼體材料和補強材料許用應力之比增加，若補強材料許用應力大于殼體材料的許用應力，補強面積不得減少。可見，若補強材料與殼體材料不同會增大補強面積，降低設備的經濟性。

1.3 壓力容器選材設計的實例分析

某一企業需要進行壓力容器的設計，溫度為470 ℃，利用16MnR代替15CrMoR。從設計手冊中查閱得到相關的強度，如表1所示。鋼材替換后，在350 ℃內，與替換前鋼材相比，指標都高，若溫度>425 ℃，前者的強度指標就要比后者高[4]。所以，在一定的溫度下，材料之間不能隨便進行替代。在425 ℃的條件下，如果長時間使用碳素鋼和碳錳鋼，對于碳化物石墨的傾向應該進行考慮。在高溫下，兩種鋼中的滲碳會逐漸進行分解，致使16MnR鋼內珠光體逐漸消失，造成材料的強度及塑性降低，沖擊值也明顯下降，加大了生產的危險。

表1 多種溫度下兩種材料的應力

2 壓力容器補強設計方法及補強結構分析

2.1 壓力容器補強設計計算方法分析

目前，開孔補強的計算方法常用的是等面積補強法，在大開孔情況下一般用壓力面積補強法，還有一種由美國壓力容器研究委員會在圓筒和球殼上裝有單根圓形徑向接管研究得出的彈塑性失效補強法。

1) 等面積補強法

等面積補強法是目前運用最為廣泛、使用經驗最多的計算方法，它認為在殼體上由于開孔而削弱的承載面積，應當由殼體、接管、兩者焊縫在有效補強范圍內除承載壓力之外多余的截面積來補償。這種以開孔中心截面上的投影面積來衡量補強的方法沒有考慮開孔處應力集中和開孔系數的影響[1]，因此，在開孔直徑和殼體直徑比值較小時，等面積補強法既可靠又簡便，設計者使用較廣，但在開孔直徑和殼體直徑比值較大時，此方法就偏冒進，不太可靠。

2) 壓力面積補強法

當開孔直徑超出了等面積補強法的適用范圍，孔周圍就會出現較大的彎曲應力，尤其是在薄壁容器中的大開孔。壓力面積法是以壓力載荷在殼體受壓面積上與有效補強范圍的殼體、接管、補強材料的承載壓力面積相平衡為基礎的。有效補強范圍就是孔邊高應力存在范圍，即，以殼體在端部均布力作用時，殼體局部環向薄膜應力的衰減范圍考慮。這種方法適用的開孔率可以達到0.8[4]。

目前，GB 150-2011《壓力容器》中對于開孔補強的設計并沒有將壓力面積法作為設計依據，壓力面積補強法作為大開孔補強計算方法出現在HG/T 20582-2011《鋼制化工容器強度計算規定》，但此行業標準目前也處于“無人監管”狀態。針對超出等面積補強法適用范圍的補強計算，設計者應該采用應力分析法。

3) 彈塑性失效補強法

此方法從應力分類中的安定性概念出發，利用金屬的延展性和形變硬化性能，將峰值應力限定在材料的2倍屈服極限[5]，則開孔邊緣并不會出現大面積塑性流動，開孔周圍的不連續應力和一次薄膜應力疊加后小于3倍許用應力來計算所需的殼體和接管加厚量。采用此方法必須選用整體補強元件，并于殼體全焊透，相關結構尺寸要嚴格按照JB 4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》圖10-2來執行。

2.2 補強結構分析

1) 補強圈補強

補強圈補強是一種較為常見的補強方式，利用開補強板的厚度來增加開孔周邊容器殼體的補強強度。其結構比較簡單，加工制造簡便，應用經驗豐富。設計時要充分考慮到補強圈、接管、殼體三者焊接的合理結構，便于制造[6]。

這種補強因為補強圈沒有與接管和殼體形成整體，因此，抗疲勞性比較差，通常用于常溫和靜壓下的中低壓容器。

2) 厚壁管補強

厚壁管補強能使補強區域集中于應力集中區，比起補強圈補強更能有效地降低應力集中系數。其結構也較補強圈補強簡單，不需要疊加焊縫。在使用厚壁管補強時，超出補強范圍的接管部分可以利用減小壁厚到滿足承壓強度即可，這樣可以節省部分材料。

3) 整鍛件補強

采用整鍛件的補強時，能夠有效地降低應力集中系數，鍛件強度優于管材和板材，且整體鍛件和殼體焊接采用對接接頭，可以保證焊接的質量，使熱影響區和焊縫離開應力點的最大位置，抗疲勞性能比較好。常用于高溫、高壓、有毒有害介質的容器。

使用整體鍛件，應考慮到鍛件的加工周期較長、成本高等不利因素，以免耽誤設備的制造周期。

3 總結

壓力容器作為特種設備的一類，在設計過程中不單要滿足其使用性能，更要考慮到其安全性。壓力容器主要受壓元件的選材關系到其使用過程中的安全、平穩、高效、經濟等性能。開孔補強作為壓力容器局部設計的重要部分，設計者要根據不同工況選擇合適的補強方法，來保證容器整體設計正確、可靠。

[1] 李穎.壓力容器開孔管選材及補強設計分析[J].中國石油和化工標準與質量,2011(11):132，183.

[2] 王宏，陸焱洪，張青松，等.川東北高含硫氣田壓力容器設計[J].管道技術與設備,2012(2):29.

[3] 高嘉楠.關于化工壓力容器設計相關問題的分析[J].山東工業技術,2015(10):5.

[4] 陳燕.壓力容器開孔補強分析及各種補強方法的比較[J].廣州化工，2012，40(1)：105.

[5] 丁伯民，黃正林.化工容器[M].北京：化學工業出版社，2012:192-193.

[6] 馬濤.壓力容器設計中開孔補強設計的應用分析[J].學術爭鳴，2016(23):268.

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Materialselectionandreinforcementinchemicalpressurevesseldesign

LILiang

(ShouyangChemicalCo.,Ltd.,YangquanCoalGroup,ShouyangShanxi045400,China)

In the design process of pressure vessel, it is very important for the safe and smooth operation of pressure vessel to choose appropriate material and reinforcement design satisfying the strength. The material selection for main pressure parts of pressure vesselare introduced, technical points of opening reinforcement design are discussed, and targeted design recommendations are put forward.

material selection; reinforcement design; chemical pressure vessel

2017-03-06

李 亮，男，1988年出生，2011年畢業于湖南工業大學過程裝備與控制工程專業，助理工程師，從事化工設備管理工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.28

TQ052.4

A

1004-7050(2017)03-0084-03