压力容器设计的若干技术问题探究

摘 要：作者通过自己的设计实践，探讨了压力容器设计中的若干重要参数的选取，并对压力容器设计中与技术规范相关但又理解不准的设计技术问题，作了扼要解析，以利设计规避，供同仁参考。

关键词：压力容器 设计参数 技术问题

随着中国与世界的接轨，国内外市场更加开放，产品竞争也愈加激烈，从而对产品的设计提出了更高的要求。压力容器设计中经常会遇到一个设计参数在不同的设计规定中有不同的解释，参数选择正确与否，对节约材料、减少加工制造困难和确保安全有着重要的意义。另外，压力容器设计中的许多规定往往是从总体考虑的，规定的含义较为原则，需要设计人员在全面分析、深刻领会的基础上，针对具体条件按相应的技术规定执行，才能达到合理设计的目标，否则会陷入技术误解，出现一些不合理的设计内容。

一、重要技术参数的确定

1.腐蚀裕量

容器壁厚的腐蚀裕量，严格地说是由介质对材料的腐蚀速率和设备的预期使用年限确定的。但对于大多数工艺过程，都难以给出材料确切的腐蚀速率，而是由设备设计人员笼统地给出腐蚀裕量，这样对设备的成本及安全存在较大误差，建议由工艺专业参照标准或工程统一规定给出明确的腐蚀速率；对于接管的腐蚀裕量，目前对取值的大小尚有争议，有的以容器壳体的腐蚀裕量作为接管的腐蚀裕量，有的取容器壳体的1/2做为接管的腐蚀裕量，若以前者确定接管的腐蚀裕量，则对于薄壁接管的开孔补强明显不够。因此，对于接管的腐蚀裕量，建议取与筒体的腐蚀裕量相同，对于小直径或簿壁接管，则应采取适当的补强措施，如厚壁管或锻制管等。

2.焊接结构

球形封头与圆筒连接的焊接问题。球形封头与圆筒连接的环向接头位置的圆筒经线半径曲率产生了变化，进一步造成设计结构出现了问题。根据GB150.1～GB150.4-2011焊接接头分类方式的规定，一般将轴向承受应力的焊接接头规定为B类焊接接头，将纵向承受应力的焊接接头规定为A类焊接接头，位于圆筒之中的A类焊接接头所承受的应力相当于B类焊接接头的2倍。可是针对球形封头与圆筒连接的环向接头，规定其是A类焊接接头，在实际设计过程中假如应用此结构明显是错误的。在这样的状况下，假如使用削薄方法应当缩短半球球壳的一段，削薄封头球形在几何图形上的筒体部分，可以利用堆焊的方法对封头球形进行局部加厚。削边筒体端部方法具有较好的受力，可是这种封头球形无折边曲面具有较深的深度，增加了制造材料的成本，需要考虑综合利弊。

二、压力容器设计中常见的技术问题

压力容器作为一种特殊的设备，储存的介质绝大部分是易燃、易爆、有毒或有腐蚀性的介质，其设计需要遵照专门的设计规范，并且世界各国对它的设计、制造、检验、使用等过程都作了明确的规定。其中，设计是整个过程的初始阶段，是保证设备安全运行的首要前提。设计者必须严格遵守文件规定进行设计。

1.开孔补强问题

利用补强圈进行补强。容器上开较大孔时，假如设计压力较大时，利用同等厚度的圆筒补强圈通常无法达到在相同面积下补强方法的要求，伴随着由小变大的开孔直径，补强圈的内外径比例也会由小变大。当开孔直径比较大时，容器壳体补强范围不会变化，但是补强圈减小了外径，此时圆筒所承受的内压厚度在计算厚度中的比例较大，补强的可用面积则极小，不能达到补强同等面积的要求，这时应适当加大补强圈的厚度促使补强金属尽量接近开孔位置。换热器管箱设计的补强。当换热器管箱上的开孔需计算开孔补强时，有时会由于管箱长度不够，无法达到补强所要求的范围，而工艺限制又无法增加管箱的长度，所以即便设计了补强圈，但是其效果不能真正达到要求，假如没有根据比例画图，就非常容易忽视这个问题。

2.耐压试验的免除问题

压力试验的免除仅仅针对那些不可能进行压力试验的现场组焊的大型压力容器，如：催化裂化装置中的有隔热层的大型反应器和再生器以及那些基础不能承受液压试验时水的重量的压力容器等等。也就是说，压力试验之所以免除，是因为这些容器或者不具备做压力试验的条件，或者根本就不允许做压力试验。总之，免除意味着不能做而不是不去做，因此不能作为一般在制造厂内生产的压力容器不进行压力试验的依据。需要说明的是，这里的压力试验系指耐压试验。压力试验免除的后果是减少了压力容器制造过程中的一个检验环节，当然需要采取相应的补救措施以保证压力容器的质量和安全。所采取的措施取决于使用者和设计者对容器的要求，一般性的措施如下：提高对压力容器材料的要求：即提高其化学成分、力学性能和检验的要求；提高结构设计的要求：即尽量采用全焊透接头、避免出现严重的几何不连续现象；提高无损检测的比例和级别； 提高容器的超压泄放的能力。压力试验是设计者需要重点考虑的问题，是否可以免除以及免除后应采取哪些措施也是设计者需要重点考虑的问题。设计者不能也不应该轻易提出免除压力试验的要求，更不应该在设计阶段忽略了免除压力试验所应该采取的措施，而在制造完成后提出免除压力试验的要求。

3.管壳程压力问题

当管壳式换热器管程压力高于壳程压力时，大部分设计人员都知道提高壳程试验压力与管程相等，然后需要校核圆筒在试验水压状况下的周向应力。管法兰都具有压力等级，试验壳程水压的压力提升以后，假如依然根据正常操作情况选择壳程管法兰具有的等级压力，将会对以后的正常运行产生不利的影响。应当根据对应的规定标准，试验水压的压力只需小于规定温度情况下无工作冲击压力的1.5倍就行。同时管板，应校核其强度。试验壳程压力提升至试验管程压力的等级，为了保证可靠安全性。校核过程中，将设计管程压力作为壳程的压力，并且设计管程压力数值为零，在没有温差的状况下，模型的计算可以根据不带法兰的固定管板实行。

4.换热器的结构问题

固定管板式换热器拉杆固定端的设置。设计过程中应当充分考虑组装管束、振动管束、挡板结构防冲以及固定方式等系列问题。当换热器具有比较小的直径时，焊接壳体与防冲板，可利用明穿工艺。设置的拉杆固定端应当在离壳程介质进口较远的另一端管板上；当换热器具有较大的直径时，焊接壳体与防冲板，允许管束使用暗穿工艺，设计的拉杆固定端应当在离壳程介质进口较近的一端管板上；当在管束上固定防冲板或者利用导流筒结构时，设置的拉杆固定端应当在离壳程介质进口较近的一段管板上；当布置立式换热器时，在符合组装要求的基础上，拉杆的固定端最好设置在上管板上。由于计算模型将换热管作为压杆，连接管板与换热器的位置被看作是折流板固支端发挥支撑作用的铰支端，就是根据压杆材料力学的相关理论进行计算。应当严格根据规定的计算方法，才有可能确保计算管板结果的准确性以及设备的可靠性。

三、结束语

技术法规和设计标准只是保证压力容器安全质量的最基本要求，因此压力容器的设计和制造应当结合实际情况，重新对压力容器设计内容或者规范提出不同的质量要求。同时产品设计者务必认真研究压力容器设计标准以及法规的技术及管理规定，不断提高解决压力容器设计问题的能力，保障设计出来的压力容器产品可靠安全。

参考文献

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[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.压力容器 （ GB150.1～GB150.4-2011） [S]，2011.

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[4] 王非.化工压力容器设计——方法、问题和要点[M] ，北京：化学工业出版社，2009.

[5] 李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M] ，北京：新华出版社，2005.

作者简介：王秀文（1983.9-）， 男（汉族）， 山西晋中人，助理工程师， 学士学位， 从事化工设备设计工作。