压力容器设计中有关问题的讨论

【摘要】本文笔者结合自己的研究和实际的工作经验，对于压力容器设计的技术要求，压力容器设计的特点以及压力容器设计的相关技术问题进行分析探讨。

【关键字】压力容器设计，特点，问题

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

通过对压力容器设计的特点以及技术要求的分析，同时还结合自己的研究，对现阶段压力容器设计的相关的问题进行分析研究，可以不断的提高我国在压力容器设计上的水平，促进我国压力容器设计的整体发展。

二、压力容器的设计要求

1.确保工艺生产的顺利完成

有些压力容器应用于工能够业生产中时是要承担完成相应的工艺过程，例如石油化工生产中，整个工艺过程要在压力容器中进行，这就要求压力容器要满足整个工艺要求达到的压力、温度以及各种工艺完成所需的其他规格标准。

2.确保安全可靠的运行

一些应用于化工生产的物料多数具有强烈的腐蚀性和易燃性，甚至是毒性，很容易在生产过程中引发火灾甚至是恶性的爆炸事故，使得压力容器内部储存的能量瞬间释放，具有极大的摧毁力。因此在进行容器设计时一定要保证容器能够安全可靠地进行运行。

3.满足预定的使用寿命

化工生产材料会对压力容器进行腐蚀，使得压力容器器壁变薄甚至烂穿，造成生产安全隐患。因此，在进行压力容器设计时一定要选择合理的材质，并且经过科学计算确保压力容器在使用寿命周期内的结构性能的完好性。

4.经济性

压力容器在进行设计时，在保证安全使用的前提下，尽量结构简单、方便制造，尽量节约贵重材料的使用降低制造成本和维修的成本。尽量提高压力容器的性价比。

三、压力容器的特点

所谓的压力容器具体是指盛装液体或气体并能承载一定压力的密闭设备，较为常见的压力容器有反映容器、贮运容器、分离容器等等。无论何种类型的压力容器基本都具有以下特点：

其一，产品设计专业性加强。压力容器的设计与一般机械类产品的设计有所不同，设计人员在应用各种软件进行产品设计时，既要求其熟练掌握计算机技术，还要具备化工设备的相关知识，这样设计出来的产品才更符合使用要求；

其二，制造工艺多样性。由于压力容器的适用范围较广，在很多行业中均有所应用，如制药、饮食、化工、冶炼、石油等等，这就造成了压力容器品种繁多的现象，即便在相同类型的产品中，有时也会因特殊原因或客户需求导致产品上存在一定差异，而产品结构的不同，引起制造工艺的多样性；

其三，产品综合性较强。压力容器产品在设计制造过程中，需要涉及机械加工技术、冶金技术、无损检测技术、安全防护技术、防腐蚀技术等等，是一种涉及诸多学科的产品，这就导致了产品在设计制造过程中必须由多方协作来共同完成，以确保产品质量。

四、压力容器设计的相关问题分析

1．预防应力腐蚀破裂的对策问题

应力腐蚀常出现于不同的腐蚀系统,但不论何种,均由于金属材质在固定腐蚀环境下合并承受持久高温的拉应力作用而形成的晶界或者穿晶裂纹,当裂纹的体积逐渐演变成一定数值时,即便应力尚未达到材质的承载极限,也会引发空前绝后的破裂。较为常见的应力腐蚀系统有:无水液氨、碳钢、奥氏体不锈钢、湿H2S和低合金钢等。由应力腐蚀而产生的持久高温拉应力,通常出现在容器操作时的热应力、容器内压导致的常规应力以及容器焊接时的残余应力等,其中由于容器焊接时而产生的残余应力占多数。腐蚀系统的不同,其形成的应力腐蚀指标、环境条件也有所差异,但只要达到各自相应的数值,便会出现相同的腐蚀形状、危险程度、破坏特点。对于这一问题,在实际设计中,通常采用预防应力腐蚀破裂的基本对策,例如,改善应力的腐蚀环境、改进容器的结构设计、降低其的设计应力、提升制造的精确度等,这些方面对各种应力腐蚀系统均能适用。由于湿H2S系统的应力腐蚀常伴有酸性的腐蚀,因此,对其的设计,应更加仔细及严格,切忌误认为这种预防方法的效果和适用性有所差别。

2.压力容器的寿命设计问题

由于设计人员在操作压力容器时未能很好确定其的操作参数,进而难以精确估计整个容器的使用寿命。若压力容器的运行时间超出其所设计的使用寿命时,缺少相关的法规政策规定检修人员如何处理压力容器的故障,从而造成不必要的安全事故。对此,压力容器的寿命设计问题始终是国内设计单位及人员极其避及的问题之一。然而,在现实生活中,设计人员难免会遇到有关压力容器的寿命设计问题,具体原因主要包括以下几个方面:第一,材料的力学性能方面,比如高温断裂、蠕变等对时间的依存性较大。第二,载荷方面的因素,比如周期性的载荷。第三,受到腐蚀的因素制约,进一步影响了容器的使用寿命等。

依据GB150—1998《钢制压力容器》的规定要求,设计人员在设计压力容器的使用寿命中,应根据预计的容器介质及寿命加以计算金属材质的腐蚀速度,进而确定其的腐蚀裕量。容器的腐蚀速度主要包括两个方面,即介质本身的腐蚀与介质流动对压力容器材料的磨蚀。《压力容器安全技术监察规程》中的相关规则规定:“为预防及避免容器操作时超过其预计寿命而发生相应的安全事故,通常情况下,设计单位应在容器的设计图纸上标注其的使用寿命”。另外,在其他的法规政策中也有所规定。

压力容器的预计使用寿命并非等于其的实际寿命,其仅是设计人员为使后续的操作依次进行而做出的估算。在设计图纸上标注预计寿命,目的是为了给容器的操作及使用者引以为戒,当容器的实际使用寿命超出预计的寿命时,能及时采取相应的解救对策,从而避免不必要的安全事故发生。

最后,压力容器的寿命设计作为一个较为复杂的难题,包含着材料选取、结构设置以及腐蚀数据等众多的设计要素,其预计的准确与否,主要取决于设计人员的水平及经验。不论是为了满足设计的要求,还是提升设计人员的水平,均应在设计图纸上标明容器的预计寿命。

3.压力容器与安全阀之间的连接管的璧厚问题

在安全阀设计中，我们一般根据《容规》相关公式计算出安全阀最小流道直径（阀座喉径），再结合容器内介质确定安全阀的规格型号，并确定与安全阀连接管的规格型号。譬如：通过计算安全阀喉径为15.85mm根据容器介质我们选A21W-40P，公称通径DN20的安全阀可以满足要求，又通过计算与安全阀连接管所需要璧厚4.5，这时我们有些设计者即选用Φ25×5的管子，这显然是错误的，因为这时管子内径Φ15mm已小于通过计算的安全阀喉径Φ15.85mm，显然安全泄放装置已起不到应有的作用，所以我们必须严格按照《容规》第152条第2款的要求执行，即：压力容器与安全阀之间的连接管和管件的通孔，其截面积不得小于安全阀的进口截面积，选用Φ25×4.5的接管。

4.开平板的使用问题

在压力容器设计制造过程中常常有设计者这样规定：开平板不可以使用，这种规定是没有技术依据的。开平板和原平板在新修订的GB709中分别被称为单扎钢板和剪切钢板（连轧钢板）。钢板从钢厂出来的时候是成卷的，这些被机器开平后的平板就叫做“开平板”，它比平的原平板（或者叫中板）便宜。

GB150中使用的是GB3274《碳素结构钢和低合金结构钢热扎厚钢板和钢带》表中的Q235-B钢板，而GB3274中的Q235-B钢板包括开平板和原平板，故开平板也可以用在压力容器上，但其标注方式不一样，如8mm厚的钢板，单扎钢板标注为δ=8mm，开平板标注为7.x（x=1,2,3…9），但开平板偏差比单扎钢板规定还严格。

开平板的内应力较高，因此尺寸稳定性较差，但钢板出厂的划分标准一般按抗拉强度、常温屈服点及各种化学成分划分的，开平板的内应力一般不在考虑范围内。开平板可能有冷作硬化的倾向，在焊接时会有较大的焊接变形，很难调整，所以对外观质量要求较高的部件不能使用开平板，且开平板的厚度一般在6~12mm。故在压力不太高，对容器外观质量要求不太严格的压力容器上选用开平板并不违反相关规定，且较为经济。

五、结束语

总之，加强对压力容器设计的分析探讨，可以不断的提高我国在这方面的研究水平，这对于该领域的发展来说意义重大。

参考文献：

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