淺談壓力容器設計中的常見問題及對策

于巧玲

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

1 壓力容器的相關內容

1.1 壓力容器的概念與分類

壓力容器的含義是，可以承載一定壓力，用來盛裝氣體或者液體的密閉性設備。就其承壓等級而言，它涵蓋了超高壓容器、高壓容器、中壓容器與低壓容器。就盛裝介質而言，它涵蓋了劇毒、非易燃無毒、易燃有毒等。從壓力容器的類型來看，它涵蓋了貯運容器、分離容器、換熱容器與反應容器。如下圖1、圖2。

圖1 易燃容器

圖2 超高壓容器

1.2 壓力容器的重要性

壓力容器應用廣泛，尤其在石化領域中的作用十分重要。它的功能性非常特殊，稍有不慎就可能造成人身財產損失。因為這種破壞性，容器被界定為特種設備。在建造安裝壓力容器的過程中，其設計會在很大程度上影響其可靠性與安全性，壓力容器的設計會對生命安全和生產安全產生很大影響。壓力容器的設計和制造要具有較強的專業性，設計人員應該具備較強的綜合素質和高超的專業素養，其材料選擇，強化措施，受力分析，結構設計，操作簡便、制造安裝、檢驗、維護與使用等，都應該綜合考慮。但是在設計壓力容器的過程中，一些生產企業的設計人員，不能完整地理解國家標準或制造安裝規范，嚴重依賴計算機輔助設計，在設計過程中不能周密地考慮，設計條件過度理想化。如此以來，在設計壓力容器的過程中，形成了安全隱患，對壓力容器的可靠性和安全性產生了嚴重影響。

2 壓力容器的設計要求與常見問題

2.1 壓力容器的設計要求

石化產品的生產過程是復雜而且存在危險，其中壓力容器的質量安全，一旦發生事故，會直接危及生產過程的安全性等，因此，應用于石化產品生產加工過程的壓力容器，一般要達到以下要求。

（1）確保實現工藝生產。石化領域用到的壓力容器，必須要滿足生產工藝規定的溫度、壓力要求，符合生產工藝的相關規格(比如容積、厚度、直徑)與結構（密封、開孔接管）。

（2）運行可靠安全。在化工生產的過程中，物料通常具有較強的毒性與腐蝕性，易于燃燒并導致火災，乃至于出現爆炸等在內的各種惡性事故。壓力容器在實際工作的過程中，一定能量存儲于其中，一旦遭受破壞，儲存于壓力容器中的能量，會在非常短暫的時間內釋放出來，具有極大的摧毀力。

（3）預定的使用。按照我國《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG—2016），其中第3.1.3設計條件和3.1.4設計文件中，明確要求設計單位應在設計圖樣上注明壓力容器設計使用年限和有關參數等內容，以為防止壓力容器超年限運行引發安全問題。滿足與之相應的強制要求。以下是科學的設計途徑：設計人員在決定其設計使用年限的情況下，盡可能地關注相關因素帶來的影響，科學地確定材料與腐蝕裕量，制定檢驗、制造、操作的要求，一個非常主要的因素就是腐蝕裕量。所以，在設備使用的過程中，應該限定它的最大腐蝕速率，按照腐蝕裕量與最大速率，能夠反推出壓力容器的最大使用年限。設計人員只要規定了壓力容器的最大腐蝕速率等相關工況，就能夠得出清楚的結論。必須要指出的是，其設計年限未必等于它的實際使用年限，使用年限是設計人員按照設備的預期運用條件，估計設備的使用壽命，它的作用是提示各位監督者與使用者。

如果超過了它的設計年限，必須采用必不可少的措施，如縮小檢驗周期、定期測量厚度等，以規避發生安全事故。所以，不管是依據世界上設計壓力容器的慣例，抑或是為了增強設計的權威性與水平，必須在設計圖紙上注明它的設計使用年限。如此以來，才能切實表明對設備的可靠性、對用戶的安全性高度負責。

（4）便于制造、檢驗與交裝以及維修、操作。這個規定的主要目標，首先是出于安全性的需要，這是因為，易于探傷、制造和結構簡單的儀器和設備，易于保障它的品質，哪怕存在著部分超標缺陷，也可以精準地發現它們，有利于第一時間消除它們。其次，它主要是為了達到部分特殊的應用需求，比如試驗容器的頂蓋經常需要裝拆，它的密封結構應該盡可能采取快拆形式，規避采取笨重的主螺栓連接；如果容器的內件需要定期維修、清洗，應該設置必不可少的手孔或者人孔；此外，這些措施會帶來一定的經濟效益，節約制造容器的費用與成本。

（5）經濟性。在設計壓力容器時，應該盡量設計簡單的結構，便于制造，質量較輕，可以節約價值較大的原材料，減少制造成本和維修費用。

2.2 壓力容器設計中的常見問題

（1）使用年限設計中的問題。在實際設計壓力容器的過程中，使用年限方面的設計居于重要地位,是一個關鍵環節。如今，在設計它的使用年限時，有一定缺陷與問題，它重點體現在下列兩個領域：第一，有關設計人員對其使用年限不能高度重視,在此基礎上，他們在設計壓力容器的過程中，不能具體地標注壓力容器的使用年限，給后續的使用與生產帶來了相當多的困擾，甚至會發生安全性問題。第二，在設計部分壓力容器時，盡管它的使用年限已經被標注，然而這些使用年限數值一般都是按照設計人員的主觀經驗而加以判斷和標注的，易于發生許多偏差問題。這也是如今使用年限設計中普遍的問題。

（2）壓力容器材料選擇的主要問題。材料是非常關鍵的因素，它會在很大程度上影響機械產品的實際性能，使用不同材料制成的產品，具有不同的屬性，如果這些原材料的質量未能達到，會對成品性能產生嚴重影響。它也適用于壓力容器的產品性能，材料問題是設計壓力容器中的一個主要問題。使用壓力容器的環境非常惡劣，易于遭受腐蝕等負作用。所以，在設計壓力容器時，會選用優良的施工材料。

圖3 不銹鋼管道

圖4 鍍鋅管道

（3）壓力容器材料代用后的設計更改。通常情況下，以厚代薄會讓殼體的受力從原來的平面應力狀態轉變為平面應變狀態，非常不利于壓力容器設備的受力狀態，厚壁容器易于出現三向拉應力方面的平面應變脆性斷裂。①容器采取了原設計中和封頭間屬于等厚度焊接的方式，如對容器殼體中的極少數部件采取了以厚代薄的操作，只增大了封頭的厚度，但是筒體厚度沒有發生變化，容器殼體自身的幾何不連續程度肯定會增大，導致應力集中，增加了筒體進而封頭連接位置的局部應力，在很大程度上危害具備應力腐蝕性的容器。如果容器受到了交變載荷，可能會出現疲勞裂紋，嚴重者會發生疲勞斷裂。②在厚板代替薄板時，通常情況下連接結構會發生變化，如厚度增大的封頭連接相關筒體時，一般情況下，首先彼此對封頭開展外削邊處理。如果筒體設施由管道做成，在筒體壁厚度增大的情況下，封頭與筒體之間的連接處，部分情況下應該對筒體側作內削邊進行及時的處理。在筒體與平蓋和管板的對焊連接結構中，存在著同樣的問題。在厚度增加較大的情況下，焊接結構會發生一定變化。比如殼體中A、B類對接上頭的焊縫，可能從之前的單V型(適用于5mm～20mm板材)過渡到X型坡口(適用于16mm～60mm板材)。改后能夠規避缺陷的存在，降低焊縫填充量，降低焊接殘余的應力與變形，焊接接頭自身的金屬使用性能也得到了較大增強。如圖3、圖4所示。

（4）壓力容器氣密性試驗設計中存在的問題。在穩步促進工業化進程的過程中，壓力容器被越來越多地運用到化工、軍工、石油、能源等多個領域中，在此過程中，這些行業不斷提升對壓力容器的設計質量標準和要求。對于介質毒性程度為極度、高度危害以及介質為TIBA和TEAL的設備，必須進行氣密性實驗。氣密性試驗的含義是，利用相關操作和試驗，對壓力容器的相關聯結部位有沒有泄漏現象進行檢驗。通常情況下，在使用盛裝了危害性較大、毒性較高的介質的壓力容器前，務必要開展氣密性測試。有的操作人員不能高度關注氣密性試驗的實際過程，或者他們缺乏較高的專業素質，不能勝任氣密性試驗的操作，造成了不準確的試驗結果。如果壓力容器的氣密性不達標，但卻被投入使用，可能會泄漏相關介質，危害比較嚴重。

（5）焊接接頭無損檢測過程中的主要問題。通常情況下，焊接接頭無損檢驗涵蓋了兩個部分，分別是外部檢驗與內部檢驗。前者是指有關人員采取量具或者目測等方式進行測量檢驗；后者是指采取紅外檢驗、超聲檢驗、射線檢驗、渦流檢驗、磁粉檢驗等方式。開展無損檢測的主要目標，是確保全部接頭均處于良好的接觸狀態，讓壓力容器可以正常地開展工作。因此必須檢測全部焊接結構。然而有的工作人員不能高度重視無損檢驗的極端重要性，在檢測中敷衍了事，檢測過程缺乏嚴格性，不能及時找出各自問題，對后續的容器使用產生了影響。如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 壓力容器焊接

圖6 管道焊接探傷檢測

圖7 法蘭與管道焊接圖

3 壓力容器設計常見問題的解決措施

3.1 改進使用壽命設計的策略

就其設計使用年限而言，設計人員必須依據壓力容器的各項指標和規定，從多個方面分析和思考，切實依據最新版本的《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG—2016）的相關規定和指標進行設計。這也是設計人員必須要恪守的基礎性原則，也就是說，各張設計圖紙中均須注明其設計使用年限的情況。為了科學地設計它的使用年限，設計人員應該最大限度地分析和把握它的具體使用環境，增強它的可靠性等，盡可能地降低相關的安全隱患；按照它使用的各種材料，測算其外部與內部的壓力差，耐腐蝕性能力等，從而求出它的腐蝕性承受度，更科學的計算它的使用年限。

3.2 防范設計材料變更的策略

在選擇設計材料方面，設計人員應該高度重視材料的力學特性、來源和特性，查看其能否滿足容器的耐腐蝕性要求和使用條件等。用戶提出變更壓力容器的相關要求時，設計人員既要關注材料減少可能造成的安全隱患，又要重視由于材料增加而觸發安全風險的可能性。如要求容器變薄，設計人員應該重新分析壓力容器的具體受力情況，在此基礎上可以計算出容器能夠承擔的最高減薄程度。在設計壓力容器時，工作人員應該對材料變更高度重視起來，實施更主動的應對策略。

3.3 氣密性試驗中主要問題的防范策略

為了預防泄漏毒性介質，相關人員應該做好壓力容器的氣密性試驗。第一，在進行試驗前，必須要開展液壓試驗，確保它的液壓達到合格標準。第二，在進行氣密性試驗時，應該確保所安裝的全部安全附件都已經齊全，確保試驗過程的可靠性與安全性。第三，在開展氣密性實驗的過程中，應該科學地選用所用氣體，理想選項是清潔、干燥的氮氣或者空氣等，這些都是惰性氣體，反應很慢。而且，在氣密性試驗中，應該逐步增加它的壓力，堅決不可迅速把壓力提高到所需壓力位。在升高到提前確定的壓力位后，這個壓力必須保持足夠長的時間，把壓力降低到提前確定的壓力位。然后，對壓力容器的全部連接部位或者焊縫，涂上肥皂水，開展全方位的檢查。假如壓力容器各個部位均未發生泄漏現象，應該認定該壓力容器是合格的；假如出現了部分泄漏的情況，必須修補該壓力容器，然后再次開展氣密性試驗。如果壓力容器由低合金鋼或者碳素鋼制作而成，應該對試驗溫度進行嚴格控制，確保最低溫度不低于5℃。

3.4 焊接接頭無損檢測問題的相關防范策略

雖然如今人們可以采取很多方法，對焊接接頭進行無損檢驗，然而工作人員在具體應用中，仍然應該采用合理的檢驗方法。通常情況下，射線檢測對夾渣、氣孔等體積性的不足更加敏感，但是不能準確地檢測面狀的缺陷。所以，在對壓力容器進行無損檢驗，以查看是否存在內部缺陷時，應該結合具體的生產加工狀況，慎重地分析。在此過程中，如采用不同方法檢測同一位置時，工作人員應該采取不同的檢測標準，堅決不可采取同樣的檢測標準來對待不一樣的檢測方法。在完成了無損檢驗后，工作人員應該對重點部位實施抽檢，確保檢測結果的準確性與合理性。隨著科技持續發展，有關人員應該抓好科研工作，持續提升無損檢測的水平，盡可能地借助最新的物理成果與技術，切實增強無損檢測的定位準確性；強化其自動化技術，增強自動化檢測的能力與效率等。

4 結語

壓力容器的設計，會對生命安全和生產產生很大影響。因此，在壓力容器的設計上，要高度重視其使用年限、材料選用與更換、氣密性以及焊接等設計方面的問題。上文對這些問題進行了研究和分析，并提出了相應的策略。