探討壓力容器設計方法

孫希寧　楊春玲　董以恩

摘 要：壓力容器正確完整的設計應達到保證完成工藝生產，運行安全可靠，保證使用壽命、制造、檢驗、安裝、操作及維修方便易行，經濟合理等要求。基于此，本文就壓力容器的設計要求和設計方法進行分析和闡述，希望可以為壓力容器的優化設計提供借鑒。

關鍵詞：壓力容器；設計要求；設計方法

隨著工業不斷發展和工業規模的不斷擴大，壓力容器的操作條件越來越苛刻，結構也越來越復雜。壓力容器所處理的介質往往是易燃易爆或者有毒的，一旦發生事故將造成不可估量的損失。因此對壓力容器的安全及優化設計就顯得極為重要，探索更好地設計方法也是促進其予以更好發展的重要根基。

1 壓力容器概述

一般來說，壓力容器就是符合《固定式壓力容器安全技術監察規程》中所定義的容器，即工作壓力≥0.1MPa；容積大于或者等于0.03m3并且內直徑（非圓形截面指截面內邊界最大幾個尺寸）≥150mm；盛裝介質為氣體、液化氣體以及介質最高工作溫度高于或者等于其標準沸點的液體。

壓力容器具有極為廣泛的用途，諸如石化、科研、能源、軍工等都是其重要的應用領域，并在多部門中擔任重要設備。壓力容器一般情況由筒體、封頭、接管、法蘭、密封元件等元件組成，因為其對密封、承壓、介質的應用，極容易發生爆炸和環境污染，對其進行優化設計就顯得極為重要。

2 壓力容器設計方法

壓力容器的設計可以采用規則設計方法或者分析設計方法，必要時也可以采用試驗方法或者可對比的經驗設計方法。壓力容器的設計應當給予設計條件，綜合考慮所有相關因素、失效模式和足夠的安全裕量，以保證壓力容器具備足夠的強度、剛度、穩定性和抗腐蝕性，確保壓力容器在設計使用年限內的安全。

2.1 規則設計方法

規則設計方法就是采用彈性失效準則，對容器各處實際存在的應力一般不進行嚴格而詳細的計算，在對材料、結構、制造、檢驗等作出相應限定后，用比較簡單的計算公式確定元件厚度以保證容器安全性的設計方法。規則設計是對材料力學、板殼薄膜理論的簡化，其僅是對“最大荷載”工況的考慮，以一次施加的靜力荷載作為處理原則，忽略邊緣應力、局部應力，以及熱應力，對于容器的疲勞壽命同樣不再考慮范圍內。一般來說，較高安全系數的采用，能夠對應力采用統一許用應力值分析不足的情況予以彌補。

2.2 分析設計法

應力容器除了薄膜應力之外，還存在局部應力和溫差應力，一旦局部應力超越了材料的局限值，容器的整體部分，或者說其大部分區域都將處于彈性狀態之中，屈服的局部區域因為受到彈力區的影響，其變形量則會增加，極容易導致整個容器應用效能的喪失。這時候常規設計就無法進行計算。計算機的應用對于此種問題的產生給予更好的解決措施，軟件的應用及推廣，讓分析設計應運而生，其依托于計算機分析軟件，結合失效觀點來對其設計過程中的各種數據進行分析，從而讓壓力容器的設計更為科學。

2.3 試驗方法

對某些難以用解析方法或者數值方法進行應力分析的壓力容器元件，借助應力測定或驗證性壓力試驗等以證實該元件的結構參數是否合理或確定其最大許用工作壓力。

2.4 可對比的經驗設計方法

對某些難以用解析方法進行應力分析的壓力容器元件，容器結構復雜難以確定結構要素，并且所設計的容器具有長期使用經驗，可以借助在用容器的使用經驗證明該元件的結構參數是否合理或確定其最大許用工作壓力。可對比的經驗設計屬于經驗設計范疇。

在上述四種設計方法中，前兩種設計方法是普遍應用的。規則設計方法應用的情況較為廣泛，但是其設計的結果更為保守，所進行的結構設計容易存有瑕疵。分析設計主要采用彈塑性失效準則，對容器各處應力進行比較嚴格而詳細的計算。分析設計法相比較規則設計方法來說，其費用較高，但是所進行的設計則更加科學、合理，在應用過程中也更加能夠促進壓力容器特點及優勢的發揮，越來越受到人們的關注和歡迎。

另外首次引入基于風險的設計理念，也就是基于失效模式的設計方法。壓力容器事故的主要原因是受壓元件的失效。由于壓力容器本身所具有的爆炸能量，以及所含介質外泄可能導致的次生危害，都會對人員和設施構成危險，因此使用壓力容器本身就具有一定的風險。近年來，壓力容器向大型化、高參數、長周期、高風險方向發展，損傷模式更加復雜，維護和檢驗的難度加大，失效的風險性增加。在設計階段全面考慮壓力容器的風險控制，根據其可能出現的失效模式采取相應的防護措施，保障在使用過程中的安全是一全新的設計理念。在設計階段進行風險評估要求設計者對壓力容器的機械設計和安全附件設計進行風險管理，通過對全設計壽命中的危害識別、風險評估和風險控制來完成風險管理。

3 結語

工業時代的發展對于壓力容器的需求量越來越大，做好壓力容器是時代發展的要求，更是工業發展的必然發展。嚴格遵守可靠性、安全性、完整性、經濟性等原則來進行優化設計，才能夠真正推動壓力容器的發展，才能夠讓壓力容器的應用效能越來越高，才能夠真正提升容器的設計質量，讓壓力容器的發展成為國家經濟發展的強大支撐。