壓力容器設(shè)計(jì)若干技術(shù)問(wèn)題的探討

摘 要：壓力容器在工業(yè)生產(chǎn)中屬于通用性的特種設(shè)備，在苛刻的環(huán)境和承壓狀態(tài)下工作，一旦發(fā)生事故，會(huì)造成不可估計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡。通過(guò)探討壓力容器設(shè)計(jì)中的若干技術(shù)問(wèn)題，以期指導(dǎo)壓力容器設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計(jì)方法；開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)；焊接；腐蝕

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)水平和制造能力已躋身于世界壓力容器生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)之列。近十年以來(lái)，我國(guó)自主設(shè)計(jì)并制造了600MW和1000MW核電站設(shè)備、1000萬(wàn)噸/年煉油裝置設(shè)備和100萬(wàn)噸/年乙烯裝置設(shè)備等[1]。但從壓力容器行業(yè)上看，目前我國(guó)很多企業(yè)生產(chǎn)的壓力容器在設(shè)計(jì)方面都出現(xiàn)了一些技術(shù)性錯(cuò)誤。本文通過(guò)對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)若干技術(shù)問(wèn)題的探討，以期對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

1 壓力容器設(shè)計(jì)方法的選擇問(wèn)題

目前壓力容器的設(shè)計(jì)方法主要分為常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)[2]。常規(guī)設(shè)計(jì)依據(jù)彈性失效準(zhǔn)則，相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有GB150和美國(guó)ASME第Ⅷ卷第1冊(cè)以及日本JISB8243等。分析設(shè)計(jì)依據(jù)塑性失效準(zhǔn)則和彈塑性失效準(zhǔn)則，相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有JB4732和美國(guó)ASME第Ⅷ卷第2冊(cè)以及日本JISB8250等。

壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)是一種簡(jiǎn)單易行但相對(duì)保守的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用最大應(yīng)力作為設(shè)計(jì)參數(shù)的依據(jù)，不考慮結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力、局部應(yīng)力、邊緣應(yīng)力和峰值應(yīng)力等。基于常規(guī)設(shè)計(jì)的壓力容器相對(duì)比較安全，但成本高并且笨重。分析設(shè)計(jì)利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)，基于第Ⅲ強(qiáng)度理論或第Ⅳ強(qiáng)度理論確定壓力容器的設(shè)計(jì)參數(shù)。與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，分析設(shè)計(jì)可節(jié)省20%～30%的原材料，有效減少制造加工量和降低運(yùn)輸費(fèi)用等；但是分析設(shè)計(jì)對(duì)于選材、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收規(guī)定的要求都要比常規(guī)設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)基于壓力容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，考慮制造運(yùn)輸成本，合理選擇壓力容器的設(shè)計(jì)方法。

2 壓力容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題

在壓力容器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，開(kāi)孔是不可避免的。壓力容器開(kāi)孔后，其整體強(qiáng)度有所減弱，開(kāi)孔局部區(qū)域的應(yīng)力較為集中。這主要是因?yàn)椋孩匍_(kāi)孔破壞了原有的應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中；②接管處容器殼體與接管形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力；③殼體與接管連接的拐角處因不等截面過(guò)渡而引起應(yīng)力集中。為降低開(kāi)孔局部區(qū)域的應(yīng)力集中，可以在該局部區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法在壓力容器設(shè)計(jì)中是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的基本原理主要分為等面積法和分析法。等面積法以受拉伸的開(kāi)孔大平板為計(jì)算模型，以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次總體平均應(yīng)力作為補(bǔ)強(qiáng)原則，殼體截面因開(kāi)孔被削弱的承受強(qiáng)度的面積必須有補(bǔ)強(qiáng)材料予以等面積補(bǔ)償。分析法是基于殼體的極限分析，該方法比等面積法更加合理，但受到開(kāi)孔殼體和補(bǔ)強(qiáng)接管的尺寸限制。壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的措施主要有：①增加整個(gè)筒體的厚度；②增加補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度或接管的厚度；③增加開(kāi)孔處局部筒體厚度或加大補(bǔ)強(qiáng)圈的寬度。

3 壓力容器的焊接問(wèn)題

壓力容器的焊接問(wèn)題主要有焊接裂紋、焊接咬邊和焊接氣孔等。焊接裂紋是由于焊接應(yīng)力或者其他因素的作用下，焊縫部位產(chǎn)生裂紋。消除焊接裂紋的措施有：①選用低氫型焊條；②焊接完成后要進(jìn)行淬火處理；③選擇合適的焊接技術(shù)。焊接咬邊是指在焊接過(guò)程中焊接部位出現(xiàn)凹槽。避免焊接咬邊的措施有：①根據(jù)焊接材料采取不同的焊接方法，調(diào)整焊接角度和電流大?。虎诤附尤藛T在焊接過(guò)程中要時(shí)刻觀(guān)察焊接部位的變化，做到焊接咬邊及時(shí)發(fā)現(xiàn)和及時(shí)治理。焊接氣孔是指焊接過(guò)程中熔池中的氣體無(wú)法析出。消除焊接氣孔的措施有：①保證對(duì)接口和波口邊緣的潔凈；②控制溶渣的濃度；③注意及時(shí)更換焊條。如果壓力容器的密閉性不達(dá)標(biāo)，服役期間發(fā)生泄漏，不僅對(duì)其內(nèi)部介質(zhì)不能起到保護(hù)作用，甚至?xí){到施工人員的人身安全。

4 壓力容器的腐蝕問(wèn)題

目前絕大數(shù)的壓力容器都是由金屬材料構(gòu)成。壓力容器與環(huán)境的反應(yīng)而引起材料的破壞或變質(zhì)就稱(chēng)為壓力容器的腐蝕[4]。壓力容器腐蝕的類(lèi)型大致可以分為：物理腐蝕、化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和電化學(xué)腐蝕等。影響腐蝕的因素的主要有：介質(zhì)溫度、壓力、溶液的pH值和流速。為了延長(zhǎng)壓力容器的服役壽命，通常采用的防腐措施有：①選用合適的材料；②采用緩蝕劑；③提高壓力容器的焊接質(zhì)量；④使用防腐涂料；⑤襯里防護(hù)；⑥表面噴丸強(qiáng)化；⑦加強(qiáng)管理維護(hù)。此外，在壓力容器的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮壓力容器的服役環(huán)境對(duì)壓力容器的影響，采用最大腐蝕速度作為計(jì)算依據(jù)，確定壓力容器的最大腐蝕裕量。

5 結(jié)語(yǔ)

壓力容器設(shè)計(jì)直接關(guān)系到壓力容器設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的價(jià)值。只有嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)的法律法規(guī)和壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，才能確保壓力容器在服役期間內(nèi)的安全性和可靠性，提高我國(guó)壓力容器的生產(chǎn)效益和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳學(xué)東，崔軍，章小滸，等.我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)十年回顧與展望[J].壓力容器，2013（12）：1-23.

[2]王婷，王靜，邱金梁.探討壓力容器設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)方法[J].化工管理，2013（2）： 33-34.

[3]孫昕.開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].化工管理，2016（14）：196-197.

[4]張國(guó)杰，趙振遠(yuǎn).壓力容器設(shè)計(jì)若干技術(shù)問(wèn)題解析[J].化工管理，2016（9）：77-77.

作者簡(jiǎn)介：

朱棟良（1987- ），男，漢族，安徽省阜陽(yáng)市人，當(dāng)前職務(wù)：化工設(shè)計(jì)工程師，當(dāng)前職稱(chēng)：助理工程師，全日制本科學(xué)歷，研究方向：化工機(jī)械。