化工壓力容器設計及不安全因素分析

曹志峰

東營市特種設備檢驗所 山東東營 257091

從壓力容器的實際應用可以看出，可帶來較好的經濟和社會效益，因此受到了石化領域的青睞，其應用比值在石化領域中越來越重。但由于在具體應用壓力容器時，會面臨惡劣的自然環境，一旦設計過程中出現紕漏，可能會埋下不利隱患，從而降低其使用效率，甚至在某些情況下會形成嚴重的安全生產事故，因此必須重視石化領域中壓力容器的設計工作。

1 化工設備壓力容器設計的理論基礎

壓力容器其常規設計主要將最大化的主應力基本強度理論作為基礎，主要選用彈性失效的基本準則，而該理論則認為壓力容器在某一應力點一旦進入屈服的基本狀態，或是造成材料出現塑性流動，就會喪失其彈性的基本狀態，即為失效。常規性的設計在其應力方法分析上考慮單一的最大載荷工況，按一次施加靜載處理，不考慮交變載荷，不區分短期和永久載荷，也不涉及疲勞壽命的問題，以簡化的材料力學公式和板殼理論中的無矩理論公式為主。所有的應力采用統一許用應力值，為保證安全，通常選擇安全系數較高的應力值，彌補應力點分析存在的問題。隨著當前化工設備其壓力容器自身參數的不斷變化，尤其是隨著互聯網技術的發展，使得傳統設計過程中存在的彈性失效基本準則已很難滿足具體設計需求，同時以往常規性的設計方式過于保守，我們針對該問題應采取新型失效觀點進行處理。其分析設計以最大剪應力理論為基礎，采用以彈性應力分析和塑性失效準則為基礎的設計方法，在分析設計中考慮各種載荷條件可能的組合，打破以往應力計算工作的局限性，從而促進應力值的不斷提升，還要確保壓力容器自身穩定性和安全性。此外，在對壓力容器進行設計時，還應利用多種基本準則，將失效準則作為基礎，從而增加彈性失效和彈塑性失效，以及爆破失效準則等，保證化工設備壓力容器工程設計工作的準確性和安全性[1]。

2 壓力容器設計使用過程中存在的不安全因素

2.1 使用壽命過長

隨著壓力容器的使用時間的不斷延長，其性能會出現一定程度的衰減，相關材料的質量也會出現下降。在生產過程中，壓力容器的使用壽命過長，會導致其出現一系列的安全問題。相關專家學者研究表明，大量的化工企業對壓力容器使用壽命都不夠重視。在生產過程中，存在著大量的超壽命運行的的壓力容器。一部分壓力容器的相關部件老化極為嚴重，其在生產過程中存在著大量的安全隱患。基于上述原因，整個設計工作中要提高整個設備的使用壽命，保障壓力容器的安全性。

2.2 材料選擇不合理

材料選擇和應用對壓力容器的總體設計質量具有關鍵性的影響。在選擇材料的過程中，要結合實際情況合理選擇，要充分考慮其安全因素的影響，包括應用情況、結構特征等，既能夠保障壓力容器設計質量符合標準要求，也能夠提升其安全性能和使用效果，為化工企業生產效率以及經濟效益的提升大有助益。在對材料進行選擇時，還要注重符合相關規定的要求標準，對材料質量進行嚴格的檢查和把關控制，防止在應用過程中發生滲漏或者是腐蝕問題。此外還要注重充分考慮其應用環境以及人為操作等因素，保障材料選擇的合理性和可靠性。

2.3 熱處理技術不到位

目前我國大多數企業的壓力容器的設計多存在處理技術不到位的問題，主要表現在壓力容器的焊接接頭處和殼體位置的熱處理，過于重視而壓力容器的彎管位置的熱處理工作不到位，因為壓力容器是一個統一的整體，如果在某一方面不能做到有效處理，則會大大降低壓力容器的安全系數[2]。

2.4 加工誤差變形

壓力容器封頭壓制后，會出現封頭曲率與標準封頭的曲率超差，造成設備使用過程中，封頭處的壓力和設計預計值偏差較大，影響容器的安全性能。所以，加工及備料過程，是一種導致變形的因素。究其原因，大多是工人放置胚料的位置不正確或封頭模具不標準等所致。備料誤差所致的變形，一般是鋼板方面。鋼材在吊裝、運輸及存放過程中，經常承受各種外力的作用，導致彎曲、扭曲、翹曲等變形。

2.5 焊接質量問題

壓力容器制造中焊接屬于必要工序。壓力容器的制造質量直接受焊接技術水平的影響，如焊接過程中焊接人員未能嚴格遵循技術規范要求，或具體焊接過程存在電流大小控制不準確情況，導致焊接部位承受強度能力將出現顯著下降，同時出現較高的安全隱患。存在這類問題的焊接部位往往會很快在腐蝕性工作環境下出現腐蝕現象，進而導致安全事故的發生。

3 壓力容器設計過程中問題的優化方式

3.1 設計方式選擇的應對措施

對比分析設計和常規設計模式可以看出，對于前者而言，其在確定相關參數時，一般利用數值計算的方式，將第三或第四理論作為依據來進行計算。相較常規設計，此類設計方式可降低兩到三成的材料成本，降低運輸及制造等方面的成本輸出。然而，對比常規設計各類要求，此類設計擁有更高的標準，如選擇材料、檢驗等；對于后者而言，其同分析設計相較，整個過程易執行，且簡單不復雜，屬于傳統保守層次。由于常規設計的參數依據源自最大應力，因此設計人員在進行設計的過程中，可以不考慮其中產生的峰值應力、邊緣應力、局部應力及熱應力等。當然這也使得此類設計方式擁有較高的安全性，但從其經濟性可以看出，其耗費的成本較高。由此，相關人員在進行壓力容器設計時，除了要充分考慮實際生產需要，了解其實際使用環境和成本支出，還應充分參考相關規范標準，科學合理的進行選擇，以在提升壓力容器質量的同時，降低其成本損耗[3]。

3.2 規范壓力容器熱處理流程

如何降低熱切割鋼板的變形，已經越來越受到各個領域技術人員的重視。熱切割產生的變形，矯正難度很大，嚴重時會影響使用。防止熱切割時產生變形，可采取在切割板材時跳留若干間斷點段，使母材板與被切割工件的板材相連，抑制工件的上翹和冷縮現象。待完全冷卻后，再將連接點斷開；還可以使用工裝將被切割工件夾好、固定，然后再進行切割操作，待工件完全冷卻后，再松開。這兩種方法都是實踐證明，能有效的防止熱切割變形的方法。

3.3 選擇高質量的原材料

在實際的操作過程中，應當加大對壓力容器材料的合理選擇，按照有關的規定做好壓力容器鋼板的焊前焊后處理，焊前需要做好預熱，焊后要做好熱處理，以降低在電焊過程中產生的應力，一方面需要保證其性能，另一方面需要保證其穩定性。例如常見的模式是采用多層包扎式氨合成塔作為設計材料，這種材料設計起來比較簡單，基本不需要高溫加工，容器的配件在200℃左右的溫度之下就能制作完成。在選擇鍋爐材料的時候，需要重視對材料使用溫度和抗腐蝕性的考慮，做好鍋爐材料的選擇。管材一般為16Mn，底部三通管材質為15CrMo，殼側選材為Q345R，溫度控制在250℃左右，要使用合適規格的防沖蝕板，使熱管受熱均勻，也要考慮高溫下熱管的沖蝕，更好的發揮換熱作用。

3.4 開孔補強問題的應對措施

從開孔補強的緣由可以看出，其主要有三個方面的因素：其一，在對壓力容器進行開孔后，會破壞薄膜的均有應力，進而形成集中的分散應力；其二，接管開孔邊緣時，其接口處會形成不穩定應力；其三，由于不規則的接管連接，而導致截面形成集中的應力。由此，在設計壓力容器時，要注意各個連接和開孔環節。首先，要對其進行合理分析，以計算最佳的應對方式，目前通常用分析法和等面積原理來應對這一難點和重點。前者主要是深入分析殼體屬性，找準其極限，得出的數據較為科學和合理，當然此方式會受到其中開孔尺寸的影響，具有一定的局限性；對于后者而言，其在計算模型上依據壓力容器受拉伸開孔情況，在補強原則上以總體平均應力施加為基礎，計算補強殼體相關數據。究其原因：因為開孔在殼體截面，因此需將補強的材料施加于開孔被削弱部分，以補償其削弱情況。同時需注意：此類補償計算方式，屬于靜力平衡模式，所以無法計算開孔疲勞強度；其次，在應對措施的選擇上，擁有的方式有：可對筒體的厚度進行適量增加；可對接管厚度或補強圈厚度進行適量增大；可增加補強圈的整體寬度或對開孔周圍筒體厚度進行增大[4]。

3.5 壓力容器（槽車）充裝安全質量管理

為貫徹執行國家有關移動式壓力容器充裝法規、規定，確保充裝安全，保護人民生命財產不受損失，移動式壓力容器充裝質量管理從以下幾個方面展開工作：管理職責。健全組織機構、崗位職責，做到從業人員人人參與質量安全管理，明確自己在作業中的職責和注意事項，努力做到人盡其責。管理制度。完善各項規章制度，根據各自不同的需要，制定相應的規章制度，例如生產區十大禁令、槽車充裝十大禁令等；安全技術操作規程。指定作業的管理規程，如移動式壓力容器內介質分析和余壓檢測操作規程、槽車充裝規程、液相產品充裝量復檢操作規程、車超裝后卸車安全操作規程、鶴管保養規程、應急處置操作流程等；裝車場應急預案。制定現場應急預案，包括應急職責、液化氣罐車發生泄露及發生火災、恢復作業程序等，并定期進行演練，確保在突發事故發生時能做到及時應變，把損失降到最低；工作記錄和見證材料。例如以下材料：充裝介質充分檢測報告、裝車區進出車輛登記檢查表、超裝介質卸載處理記錄、槽車充裝記錄、液化氣裝車加臭記錄表、裝車安全教育記錄表、司磅記錄單、裝車場防雷防靜電檢查維護記錄表、裝車場防靜電跨接線檢查維護記錄表、地秤檢定維護記錄表、壓力容器巡檢記錄、事故匯總表等等；只有詳實的記錄，才能讓管理實現精細化，保證充裝質量。

3.6 強化焊接工序控制

焊接工序屬于壓力容器制造的關鍵環節。作為最常見的制造工序，焊接工序對質量的影響極為深遠。焊接操作需要得到合格焊接工藝和高資質焊工的支持。相應焊接工藝設備和材料也直接影響焊接質量。焊接前預熱對壓力容器焊接質量有決定性作用。焊接預熱能夠降低焊接后的冷卻速度，且能夠有效減緩淬硬傾向，預防焊接裂紋。在焊接件預熱溫度較低時進行焊接，能夠提高焊接工作效率，但會增加焊接裂紋出現的幾率。這種情況下焊接人員需刨除焊縫重新焊接，不僅浪費時間和材料，還影響了整體的生產進度。因此，必須保證焊工認識到焊接預熱的重要性，輔以適當的培訓和技術交底，積極引進新型焊接工藝和設備，同時嚴格檢查焊接質量，從而為提高壓力容器制造質量提供支持。壓力容器焊接質量檢查中，需及時發現和消除安全隱患。此外，要做好良焊縫返修工作，以壓縮制造成本，同時保證制造質量。

4 結語

綜上所述，隨著科學技術的逐漸發展，化工壓力容器設計技術得到了極大的發展，因此要結合實際情況，對化工壓力容器設計中的不安全因素進行全面分析，查找原因，提出合理的應對策略，壓力容器設備的運行安全，直接影響到企業相關領域的工作開展可行性。通過對大量事故進行分析可知，事故的出現，多數原因是由于安全技術管理疏忽或技術操作失誤，給企業與社會造成巨大影響。為有效規避相關問題的出現，應當對壓力容器的設計、生產、安裝、使用等過程進行嚴格管理。為有效提高壓力容器設備的整體運行安全性與穩定性，需不斷加強壓力容器設備的安全技術管理工作。通過頒發相關的法律條規，對壓力容器的使用管理進行明確規定。同時，國家成立了專門監察機構，對壓力容器一類的特種設備，開展有效的技術監察工作，并對壓力容器的質量保證體系進行有效健全，避免劣質設備流入市場，增加企業運營風險。只有全面重視材料質量管理、提升整體的建設品質，才能促進壓力容器行業的更好發展。