化工壓力容器設計及不安全因素分析

王庭秀（杭州余杭獐山鋼瓶有限公司，浙江 杭州311107）

現階段，多數工業企業在生產經營期間都大量應用壓力容器，尤其是化工、煉油企業。壓力容器的可靠性和安全性會直接影響化工企業的生產安全，甚至影響企業的經營。對于壓力容器來說，設計壓力和設計溫度的確定是最基本、最重要的設計問題。按照容器的設計規范與要求，必須合理選擇設計壓力，設計壓力是容器頂部的最高壓力，比工作壓力值略高。在進行容器設計壓力確定時，應當先明確工作壓力以及安全系數問題。所以在初期規劃和設計過程中，就必須確保壓力容器的安全性和可靠性，在后期建造與安裝過程中，也需要注重合理性和規范性，全面維護化工企業壓力容器設計的實效性。

1 壓力容器的設計概述

壓力容器在使用規則設計方法時，抗拉強度安全系數在2.7左右；壓力容器在使用分析設計方法時，根據不同標準安全系數會降低到2.4～2.6。近年來由于材料技術和質量的提升，各國通過降低規范安全系數來提升材料許用應力，明顯減少了原材料消耗量，使得壓力容器的成本大幅降低。通過分析設計方法的使用，能夠確保壓力容器設計的輕量化。按照我國壓力容器安全技術監察規程的相關規定能夠看出，合理調整焊接方法、無損檢測以及材料復驗，進行科學分類并輔以風險評估技術，在對安全系數進行調整之后，能夠實現節能減排效果。設計壓力容器時，必須遵循節能降耗要求，確保滿足使用要求的同時對結構型式進行簡化。在滿足穩定性要求下，優先使用小尺寸結構的元件。滿足制造質量的同時，應當不斷減少檢測環節的高要求以及制造難度。所以必須合理討論壓力容器的設計問題。

2 壓力容器設計的不安全因素問題

2.1 容器使用年限因素

現階段，在設計和制造壓力容器時，普遍比較關注使用年限問題，這樣能減少由于壓力容器超過設計使用年限服役所致安全隱患問題，降低安全事故發生率。通過壓力容器規范中的規定能夠看出，在進行壓力容器設計時，設計人員必須保證容器的使用壽命。然而以前某些設計人員沒有足夠重視壓力容器的使用年限問題，從而導致某些壓力容器使用單位明知其存在使用年限問題，也不注重檢修和維護。認為壓力容器只要還可以繼續使用，就不顧超出設計使用年限的風險。盡管這種方式能夠增加企業的經濟效益，但多為短期效益，違反行業規范要求，使用安全性無法得到保障，一旦壓力容器出現安全事故后果不堪設想。

2.2 材料選用因素

在設計壓力容器時，選擇材料必須結合壓力容器的使用年限、強度性能以及結構功能。設計人員在設計過程中，會受到用戶需求、外觀大小及具體使用環境的影響。多數壓力容器都運行于高壓力和復雜溫度環境中。所以在選擇材料時必須嚴格按照相關標準和規范執行，充分考慮壓力容器的耐腐蝕性能和內外部受力情況。

2.3 壓力容器熱處理問題

多數設計人員比較注重壓力容器的封頭和殼體的熱處理，沒有注重彎管的熱處理問題。按照鋼板熱處理的相關文件能夠看出，在一般情況下，必須對鋼板冷成型且變形量超標的受壓元件進行熱處理。當壓力容器盛裝有較強腐蝕性或毒性液體時，鋼材厚度在成型之后會減少，并且會形成不均勻的殘余應力，為了確保安全性，相關規范要求對于變形率超標的設備必須通過熱處理工藝確保材料恢復原有性能，對容器殼體與封頭進行熱處理。設計人員一般會特別注意該問題。但是在彎管設計期間，很多人卻容易忽視熱處理問題，從而導致材料出現變形超標導致的性能指標不合格問題，不滿足相關規定與標準。

2.4 壓力容器制造變形問題

因為會受到多道工序影響，所以如果某些工序控制不當壓力容器就會大概率出現超標變形。壓力容器罐體冷加工與焊接，會引發壓力容器變形。焊接施工期間所產生的高溫，會導致罐體焊接變形。使用壓力容器期間若操作不當，可能會導致內應力增加、裂紋產生甚至容器變形的問題。在制造壓力容器期間，由于加工誤差大，制造工藝不規范等，也會導致壓力容器裝配變形。比如封頭部件會在高溫情況下出現嚴重變形收縮就是其中一個例子。

2.5 壓力容器焊接問題

在制造壓力容器期間，也必須關注到焊接作業工藝。多數壓力容器質量問題都會表現在焊接制造環節，壓力容器焊縫錯邊、未焊透、未熔合、裂紋、咬邊等都是嚴重影響產品質量的因素。因此，當焊接工藝設計不理想時，就可能會降低容器的強度，導致容器承壓能力不足，質量和安全性無法保證。

3 壓力容器設計的有效措施

3.1 使用年限設計

在進行壓力容器使用年限確定時，設計人員應當充分考慮到壓力容器制造材料以及使用環境等，對壓力容器材料的耐腐蝕性能進行測算，以此降低安全事故發生率。同時設計人員還應當對壓力容器的使用年限進行模擬，考慮操作不當等因素，在設計圖紙上標示出重要的注意事項。

3.2 合理選擇設計材料

在壓力容器設計過程中，材料屬于重點和核心。必須采用合理的材料進行設計，以滿足容器的材料標準、設計標準以及實際要求。在選用和變更材料時，應當結合容器的使用環境和標準要求，確定科學的材料選用和代用方案，這樣能夠確保壓力容器設計的合理性和實用性。

3.3 壓力容器的熱處理

個別壓力容器設計單位為了降低使用成本，可能會在設計過程中沒有考慮到熱處理問題。例如某些鋁合金板和碳素鋼板在成形期間，若沒有接受熱處理，將會導致材料內部出現應力集中問題，對板材的沖擊韌性造成影響，使其無法滿足標準要求。

3.4 控制容器焊接變形

在焊接操作過程中，壓力容器可能出現變形問題，應當按照容器具體情況對焊接工藝進行設計。在容器焊接時，首先應當進行整體定位組裝，之后再進行焊接。為了確保焊接受力的均勻性，應當合理安排焊接順序。壓力容器組合焊接時，還應當注重焊接收縮量的數值問題。為了避免焊接部位出現變形，可以考慮使用反向預變形的焊接工藝，這樣有助于減少焊接變形問題。針對由于內應力所致容器變形問題，需要采用焊接后進行熱處理的工藝。焊接內應力多出現于大溫度梯度情況下，因此應當根據標準要求考慮是否提前預熱容器的焊接區域到適當的溫度，避免焊接殘余應力及變形過大的問題產生。針對由于設計誤差所致變形問題，必須詳細檢查模具和樣板是否按照標準尺寸進行設計，這樣能夠降低由于容器形位誤差所致變形問題。在降低形位誤差期間，應當深入分析熱脹冷縮問題，避免誤差過大，設計合適的預先收縮量并滿足制造要求。

4 結語

綜上所述，由于眾多行業領域都在使用壓力容器，尤其表現在化工、煉油領域，然而由于壓力容器及其使用存在一定的危險性，若控制不當會直接影響企業的正常生產運營。所以在進行壓力容器設計時，必須深入分析和研究各設計因素，并充分考慮壓力容器的操作使用中的風險評估，確保其設計的安全性和可靠性，這樣有助于為使用壓力容器的企業保駕護航，在較大程度上維護企業良好的生產運營。