如何提高压力容器设计质量

摘要：压力容器已经在日常生活和油气勘探中得到了广泛应用，在石油勘探中压力容器设计质量的好坏直接影响到勘探设备的安全性、可靠性和先进性，事关国民财产和人民生命安全。在压力容器的设计期间难免会出现和设计要求不符合、理解不透等设计缺陷，导致容器在制造及使用方面存在一定的材料及工时问题，影响到整个容器的安全性能。所以，本文将针对当前压力容器设计过程中存在的问题进行分析，提出相应地解决措施，保障压力容器的设计质量。

关键词：提高 压力容器 设计质量 措施

前言

压力容器是石油、化工、化肥、冶金、轻工、能源等部门广泛应用的承压设备，多数压力容器的操作工况和使用介质常具有高温、高压、易燃、易腐蚀和中毒的特点，与人的安全休戚相关。如果设计不妥，就会造成设备质量低劣或留下安全隐患，就有产生事故的危险，甚至造成灾难性后果，危及人民生命财产的安全，影响生产的正常运行。对压力容器设计质量进行分析是十分必要的。

一、压力容器的分析

（一）压力容器的造价

压力容器的造价一般取决于设备的材质及设备的总质量。在设备总质量中壳体的质量占有比较大的比例，特别是内容积比较大的储罐，其壳体质量在设备总质量中所占比例可达80%～90%。在保证使用要求的情况下，在选材时，选择价格比较低的材料代替一些价格比较高的材料，可以降低设备的材料成本和制造成本；另外，合理地选择压力容器的结构尺寸，也可降低壳体的质量，进而降低整台设备的费用支出，从而达到降低设备造价的目的，最终达到设备的设计既经济又合理。

（二）结构与材料

在满足压力容器使用条件下，选择不同的壳体尺寸，可以得到不同的设备质量，从中选择最佳的结构尺寸组合，可使设备质量最小，从而降低设备造价。同时，如果压力容器的设计温度不大于-20℃，还需考虑是否处于低温低应力工况。若处于低温低应力工况，且其设计温度加50℃后高于-20℃，则其设计时，不必遵循低温压力容器的规定，所以选材时，不必选取价格比较昂贵的低温用钢，从而降低了设备造价，以取得最佳的经济效益。

二、压力容器设计

（一）压力容器的设计要求

石油、化学产业的生产过程非常复杂，设备生产工艺过程中任何设备出了事故都会影响产品质量，或使生产无法继续进行甚至会危及设备和人身的安全。因此石油化工用压力容器一般需要满足保证完成工艺生产；运行安全可靠；预定的使用寿命；制造、检验、交装、操作和维修方便；经济性等几个方面的要求。

（二）压力容器的设计方法

1、常规设计

常规设计的理论基础是弹性失效准则，即容器内某一最大应力点达到屈服极限，进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效。在应力分析方法上，是以材料力学及板壳薄膜理论的简化计算为基础，不考虑边缘应力、局部应力以及热应力和交变载荷引起的疲劳等问题。所有类型的应力均应采用同一的许用应力值（通常为1倍许用应力）；为了保证安全，通常采用较高的安全系数，以弥补应力分析的不足。

2、分析设计

随着压力容器参数的增高，高强钢的采用以及近代计算与试验技术的发展采用弹性失效的观点使许多问题难于解决，常规设计的结构过于保守，设计的结构尚有很大承载潜力。为了适应现代压力容器的发展，必须采用新的失效观点来解决这些问题。分析设计放弃了传统的弹性失效准则，采用了弹塑性或塑性失效准则，合理地放松了对计算应力的过严限制，适当地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性。

三、提高压力容器设计质量的措施

（一）科学选用材料

以优带劣地选择材料，在压力容器的制造中一般是有益的，性能优越的新型材料往往会在压力容器的制造和使用中体现出更好的强度、可靠性及优越的性能。但是在不同环境下，材料的性能有可能会发生巨大的变化，高性能材料也是如此。因而，如果忽略了这些材料在特殊条件下的变化，而盲目凭借其常温、常压下具有的优越性能来判断优劣是不可取的。压力容器制造材料的选用需符合国家及行业相关标准的要求，如需材料代用，必须递交书面申请，只有在取得了设计工程师及相关技术人员的认可后，方可实施材料的代换；同时在进行压力容器的制造过程中仍需要结合实际需要和设计要求对材料各方面性能进行认真检测

1、开孔补强

在使用sw6程序进行开孔补强计算时，选择接管实际外伸长度时常出现3个问题：将包括管法兰高度的长度h值作为实际外伸长度；将厚壁管的外伸总长度h2作为实际外伸长度；输入厚壁管的实际总长度为（h2+δn），即接管实际外伸总长与壳体厚度之和。接管实际外伸长度应为能等效提供补强面积的那部分接管的长度，而不是包括密封功能的法兰高度，也不能计入接管与法兰连接处的直边部分和削薄部分以及壳体厚度部分的长度。输入了错误的接管实际外伸长度，会造成表面上计算强度足够，而实际上补强面积不够，带来难以发现的错误结果和安全隐患。当使用sw6程序进行开孔补强计算时，简单又保守的取值办法是输入h1值，只要正确地输入接管有效外伸长度即可满足补强面积要求。

2、法兰的选用

目前，我国的管法兰、设备法兰标准都有系列规格，一般情况下设计人员选用标准。但从设计的合理性和经济性来看，有时选用标准并不理想，而且成本也会很大。查阅管法兰标准（hg20592、hg 20615）和设备法兰（jb/t 4700～4707）标准可以发现，同等级、同规格的法兰，螺栓孔中心圆直径管法兰比设备法兰大得多，从受力情况分析，管法兰承受的力矩比设备法兰大，导致管法兰的厚度比设备法兰厚得多，加上管法兰的外圆大得多，由此可看出，压力容器筒体上应尽可能使用设备法兰。在人手孔的标准中，法兰全部采用管法兰，虽然使用方便，但制造成本远比使用设备法兰大得多。在进行非标人手孔设计时，建议尽可能采用设备法兰，这样就可以减少制造成本。

（四）许用应力跳档的问题

高压容器的筒体、封头较厚，封头的成型存在减薄量。筒体采用热成型时也存在减薄量，有的设计者在作筒体或封头设计计算时没有考虑到减薄量。在制造时加成型减薄量，有时会存在板料厚度增加，材料许用应力反而降低，造成设计厚度不足的问题，故设计者要注意厚板许用应力跳档的问题。处理办法是用sw6程序计算时把成型减薄量加在腐蚀裕量里进行计算，即，输入c2=腐蚀裕量+成形减薄量。这样计算既不影响筒体、封头的有效厚度和筒体耐压试验的校核，也不影响后序的接管开孔补强计算。

（五）水压试验压力取值的问题

水压试验压力pt=1.25p[σ]/[σ]t，[σ]/[σ]t应取各受压元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）材料中比值最小者。高压设备一般操作温度较高，各元件材料设计温度下的许用应力较常温下低，另外有些零件不能同设备一起计算，只能单独用零件计算程序算，如人孔法兰、人孔法兰盖及其螺栓的计算。用sw6程序进行设备计算得出的水压试验压力没有考虑到人孔法兰、人孔法兰盖及其螺栓材料的[σ]/[σ]t比值，故需设计者自己手算校核水压试验压力值是否正确。

四、总结

压力容器的设计技术性很强，要求设计人人员在设计时必须遵循有现行设计规范，同时应在满足设计任务目标要求的前提下提出最佳的设计方案，使其满足功能需要，安全可靠，节约成本。对于设计中存在的问题要不断地通过分析解决，实现技术水平的提高，保障压力容器的设计质量。

参考文献

[1]浅论我国压力容器设计技术问题 高兆宽，王英丽. [j]. 科技资讯. 2012（15）

[2]浅谈如何提高压力容器设计质量 黄长明 广东省肇庆市特种设备检验所 [j]中国新技术新产品 2011-12-10