壓力容器設計過程中的常見問題及防范對策

管星星 馮斐斐

中國化學賽鼎寧波工程有限公司 浙江 寧波 315000

隨著國際化進程的加快，經濟全球化趨勢不斷深入，世界各國的工業競爭愈發激烈，工業水平作為衡量國家綜合實力的重要指標，我國也在工業建設方面苦下功夫。其中壓力容器作為工業生產領域的重要組成部分，其身影隨處可見，隨著我國工業水平的不斷發展和深入，其在工業領域中也扮演著越來越重要的角色。但是壓力容器的危險性無需多言，直接與工業企業的經濟財產以及人們的人身安全密切相關，因此必須進一步優化壓力容器設計工作。高質量的設計是壓力容器質量的重要保障，也是規避重大損失發生的核心“利器”。

1 關于壓力容器的基本概述和特征

1.1 概念

壓力容器即用作盛裝氣體或液體同時具備一定壓力承載能力的密閉容器。我國《壓力容器安全技術監察規程》中，根據生產作用、介質的危害毒性程度、工作壓力等對其進行了分類，結合壓力容器的具體類別，其在設計、制造、檢驗等方面也有著對應的規范和標準。

1.2 特征

對比普通機械產品，壓力容器在設計方面有其自身獨特特征，產品設計專業水平要求更高。一般情況下，壓力容器的設計人員不僅需要對容器設備相關知識有非常全面的了解，還要具備熟練的計算機技術能力，兩者缺一不可。這是在設計壓力容器的過程中表現的得心應手，游刃有余的關鍵素養，也是順利設計出符合相關規范和標準壓力容器的基本能力。壓力容器的適用范圍相當廣泛，屬于多樣性制造工藝的必然產物，是化工、煉油、輕工、制藥、冶金、紡織、海洋工程等傳統領域所必須的關鍵設備，因此壓力容器的產品和結構參數具有多樣性和廣泛性，這也是壓力容器制造工藝多樣性的直接原因[1]。對于壓力容器的設計制造工作而言，其綜合程度較高。不僅包括機械加工、焊接、熱處理等專業，還需要腐蝕防護、無損檢測、防水防火等安全防護知識，因此開展壓力容器設計工作，涉及到的學科非常廣泛，因此高質量的完成壓力容器設計制造工作需要多種學科專業的相互配合、協調，才能夠順利完成。

2 壓力容器設計

2.1 壓力容器設計要求

工業生產過程的復雜性無需多言，設備工藝生產過程中無論什么設備出現故障均會對產品品質產生影響，甚至一度中斷生產，嚴重的會對人身安全造成巨大威脅。因此壓力容器必須滿足下述幾點要求：

2.1.1 確保完成工藝生產

為確保工藝生產順利完成，工藝生產環節要求的壓力、溫度是壓力容器必須承擔的基礎指標，同時還必須具備工藝生產環節要求的規格、結構，其主要包括容器直徑、厚度、容積、密封、開孔接管等條件。

2.1.2 運行安全可靠

很多工業生產物料都具有強腐蝕性、中、高毒性程度、易燃易爆等性質，容易引發火災甚至爆炸等惡性事故。所以壓力容器工作過程中內部會存儲一定的能量，如果損壞，存儲在內部的能量往往可以在非常短的時間完全釋放，摧毀力巨大，后果難以估計。因此，設計壓力容器時，必須堅持安全性及可靠性原則，確保運行安全可靠。

2.1.3 預定使用壽命

對壓力容器使用壽命產生影響的因素主要為化工物料對殼體結構材料的腐蝕，嚴重的會造成器壁厚度大大降低甚至直接爛穿，出現泄露現象！為此設計壓力容器的時候必須采取一定的措施提高其安全系數，尤其是做好附加腐蝕裕量的設計工作，從而保證壓力容器的使用壽命能夠滿足實際工藝需要。

2.1.4 制造、檢驗、交裝、操作、維護便捷

設計壓力容器時，還需要考慮制造、檢查、交裝、操作、維護的便捷性。該要求的提出出于兩方面的考慮。首先立足于安全視角考慮，制造簡單、結構簡單、容易察覺故障設備存在的缺陷和安全隱患，使其質量保障工作更容易展開，并及時采取有效措施消除故障；其次，這也是為了高度契合一些特殊使用，方便操作或拆卸，例如某些壓力容器需要經常裝卸頂蓋，那設計時就盡可能的選擇快拆密封結構，盡量避開笨重復雜的主螺栓連接。

2.1.5 經濟性強

設計壓力容器時，還需要考慮成本因素，盡量選擇結構簡單、制造便捷、質量輕、貴重材料使用不多的工藝，在保障壓力容器設計質量的基礎上盡可能的縮減設備制造成本，降低維修費用。

2.2 優化設計原理

結合壓力容器設計環節常見問題，積極找尋優化設計舉措是關鍵。優化設計作為數學規劃、計算機技術整合的產物，把設計變量用產品性能指標、結構指標、運動參數指標的函數來表示，即目標函數。把產品確定的形態、幾何、運動等條件限制范圍變為約束條件，從而找尋目標函數極限（最大或最小）設計變量組合的方法[2]。

3 壓力容器設計過程常見問題

3.1 使用年限設計中存在的問題

設計任何產品時都需要考慮其使用壽命，壓力容器也是如此。壓力容器有對應的使用年限，如果超過了容器使用年限，那么容器往往會出現局部乃至整體老化的情況，特別是對安全要求嚴苛的壓力容器，如果超出使用年限后繼續使用，那么安全事故的發生率會大大提升。根據TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中的相關內容，明確了及時淘汰、更換超過使用年限產品的相關規定，但是在實際使用操作環節，企業人員單純的停留在知曉產品使用年限的層面，并沒有及時更換超過使用年限的設備，從而大大降低了壓力容器的安全性，造成很大的安全隱患。此時，在確定壓力容器使用年限時，都是在理想條件下，企業實際生產中影響壓力容器的因素較多，例如溫度、濕度、介質等等，導致壓力容器的使用年限遠不及理想使用壽命。

3.2 壓力容器設計忽略熱處理問題

根據鋼板熱處理規定中的相關要求，鋼板冷成形或者其他元件在受壓過程中均需要展開熱處理操作，例如，具備應力腐蝕性介質的容器；盛裝毒性為極度高度危害介質的容器；成形前碳鋼和低合金鋼厚度大于16毫米，成形后碳鋼和低合金鋼厚度減薄量大于10%的情況等等。一旦冷成形變形率指標符合規范要求，那么就需要在設計過程中給出恰當的熱處理方式，如果沒有給出對應的熱處理舉措，那么材料的力學性能可能就無法恢復。設計者往往對壓力容器殼體、封頭等的熱處理較為關注，但是在設計接管時往往忽略了熱處理問題。

3.3 壓力容器設計材料方面的問題

材質作為產品性能的直接影響因素，不同材質的產品其對應屬性也存在差異，壓力容器也不例外。開展壓力容器設計工作，對所選取材料的影響制約因素較多，例如運行環境、客戶需求、操作人員、容器的外觀和大小等等。一般情況下，對比其它工業機械產品，壓力容器運行環境相對惡劣，往往在高壓高溫或者低溫的環境中，一旦材料改變，會對其耐腐蝕性，內外部受力情況，抗壓能力產生本質的影響[3]。這就需要設計人員高度重視材料篩選工作。所以，設計壓力容器時，必須做好對不同種類材料的耐腐蝕性能檢測和受力分析工作等等。但是在具體設計環節，往往存在這樣的問題，一旦用戶提出降低容器材料厚度的要求，那么設計者往往會結合對應要求對壓力容器的受力情況進行重新計算，對壓力容器的耐腐蝕性能重新分析，但是如果客戶提出增加容器材料厚度的要求時，大多數設計工作者認為不需要重新計算分析，從而往往忽略了材料增厚的同時，會導致殼體器壁產生多向拉應力，進而容易產生脆性斷裂風險的情況，進而影響整體設計質量。

3.4 壓力容器氣密性試驗方面的問題

工業生產復雜，生產過程中難免會出現腐蝕性、毒性等較強的氣體，為了防止壓力容器使用環節這些氣體泄露情況的發生，工作人員必須通過氣密性試驗來檢驗壓力容器泄露情況。但是，有些企業的員工受到自身專業水平有限的影響，并沒有真正重視氣密性試驗，導致實驗結果誤差較大，從而造成氣密性不合格的壓力容器流入市場，這就對企業的正常生產造成威脅，也對操作者的身體健康產生影響。

3.5 壓力容器的焊接問題

由于焊接質量和焊接水平直徑影響壓力容器的整體質量和工作的正常運轉，因此在設計和制造中必須要重視焊接問題。為了能夠更加合理的判斷焊接所存才的問題，在對焊縫進行焊接時，需要嚴格按照規范要求來進行。由于焊接材料的選擇，焊接過程中對溫度的把控很容易在操作過程中出現誤差，因此需要設計人員對焊接形式、焊接接頭、是否采用全焊透等作出相應的要求。相關制造單位也應該根據設備、材料等進行對應機關評定合格的焊評。焊接問題是壓力容器制造、使用過程中非常常見的問題，為保證容器安全穩定運行，一定要嚴格把控焊接的各個環節。

4 壓力容器設計過程中常見問題的防范策略

為滿足不同工藝要求，需要充分了解壓力容器使用環境、使用參數、設備結構、制造材質等相關內容，進而優化壓力容器設計工作。

4.1 使用年限設計的防范策略

高度重視壓力容器使用年限設計問題，設計者需要立足于全局思考問題，認真研讀TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》相關要求，這也是設計者需要貫徹落實的基本原則，每一張設計圖紙都需要將壓力容器設計使用年限標注清楚。為提升壓力容器使用年限設計的科學性與合理性，相關人員必須充分考慮壓力容器的使用環境，將各類安全隱患的發生率控制在盡可能低的水平。結合設備使用材質，做好壓力容器耐腐蝕性能、內外壓力差等的測算工作，在此基礎上保障測算年限符合實際情況[4]。為進一步提升使用壽命測算的可靠性，設計者還需要模擬最惡劣的使用環境。此外，還需要將一系列不當操作因素考慮進去。并在設計圖紙中設置安全提醒。

4.2 設計時強化材料及熱處理要求

設計人員進行接管設計時，壓力容器時，比如φ377mm×20mm碳鋼或低合金鋼接管。加工時可以選擇無縫鋼管，也可用碳鋼或低合金鋼板卷制而成。設計時，如果采用后一種方法，很容易忽略設計規范中的成型后熱處理這一要求，從而導致設計不符合規范要求，接管容易出現裂紋，進一步影響整個設備設計[5]。此外由于碳鋼及合金鋼板在冷卻后即可通過卷制來成型，由于不經過熱處理操作，鋼鐵內部微小晶粒歪扭、破損等的發生率較高，可塑性變差，為此，設計人員針對大厚度鋼板，冷卻加工之后須提出做結晶退火熱處理這一要求，從而增加鋼板硬度及可塑性，促進壓力容器使用的安全性。

4.3 關于壓力容器設計材料變更的防范策略

設計人員結合工藝或者業主提出的壓力容器變更要求，切忌單純考慮材料減少增加的安全風險，還必須把材料增加帶來的安全風險考慮充分。比如，管板和筒體連接結構中，由于厚度增加所導致的焊接部分應力變化的情況；封頭和筒體連接處，由于封頭加厚，對封頭進行削邊處理的情況；鋼板加厚導致需用應力下降，以后代薄以后強度計算不合格需要重新計算設計的情況[6]。

4.4 氣密性問題的解決策略

為保證氣密性試驗的準確性，在此之前應先保證液壓試驗合格。操作人員需要選擇合適的氣體，比如空氣、氮氣等惰性氣體充入到壓力容器中，根據相關規范進行氣密性試驗。值得注意的是，如果發現泄露需要對壓力容器進行及時修補，之后再次進行氣密性試驗，直到不會產生泄露為止。

4.5 焊接接頭系數選取的解決策略

確定焊接接頭系數，一般需要充分考慮壓力容器鋼板的厚度、應力腐蝕、盛裝介質、設計溫度等要素。為提升設備使用的安全性，設計者需要嚴格按照規范對焊接接頭系數進行取值。在此基礎上，對于特殊設備，預防可能遇到的問題，并盡可能的規避焊接處理過程中的常見問題[7]。

5 結束語

綜上所述，開展壓力容器設計工作，必須高度重視設計環節常見問題，結合具體設計要求強化各方面控制工作，以此達到優化設計的目的，進而保障壓力容器使用的安全性、可靠性，從而更好的服務于現代工業生產。