压力容器设计中如何贯彻节能降耗原则

摘要：压力容器设计中的节能降耗，是在充分保证其稳定性、强度等安全性能的基础上提高其节能降耗、提升能源效率的综合能力。压力容器设计中贯彻节能降耗原则在提高能源使用效率，提升压力容器产业社会价值及生态效益，实现国民经济的可持续发展起着非常重要的作用。基于此，本文就压力容器设计中节能降耗原则进行分析与研究。

关键词：压力容器；设计；节能降耗

中图分类号：S611文献标识码： A

引言

压力容器是一种用于储存、运输、传热、传质、反应液体及气体的特殊密封容器，属于国家特种设备，被广泛运用于能源工业、石油化工、医药、科研等多种行业。压力容器有时需要在易燃、易爆、有毒等介质条件下对液体及气体进行储存、运输、传热、传质、反应等处理及加工，这就对压力容器本身的耐腐蚀性及安全性有较高的要求，因此压力容器从设计到制造、安装、检验、运输、修理、改造等一系列过程均需要严格遵守国家及有关部门所指定的一系列法规、规定及条例。而随着《固定式压力容器安全技术监察规程》中明确提出压力容器的设计需要充分考虑节能降耗的原则以来，节能降耗成了压力容器设计乃至其制造等其他过程中需要探讨的重要问题。压力容器设计中的节能降耗，是在充分保证其稳定性、强度等安全性能的基础上提高其节能降耗、提升能源效率的综合能力，以打造压力容器产业的循环经济，寻求其再生利用，充分发挥压力容器的经济适用性，为国民经济的发展节约成本，实现国民经济的可持续发展。本文就压力容器设计中贯彻节能降耗原则提出几点建议。

一、压力容器设计概述

压力容器常规设计中抗拉强度的安全系数nb从3.0降到2.7，压力容器分析设计中nb从2.6降到2.4。对于许用应力由抗拉强度决定的压力容器用钢，安全系数调整后，可节省约10%的材料；对于屈服强度(或规定非比例延伸强度)决定材料许用应力的压力容器用钢，安全系数调整后，节省近6%的金属材料。我国压力容器用钢一年可节省400万吨钢材。运用分析设计方法可以实现压力容器的轻型化。《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG R0004-2009）的制（修）订，对材料复验、焊接试板、无损检测等合理调整，同时明确监察范围，科学划分类别，并且通过提出基本安全要求、调整安全系数、纳入风险评估技术等体现节能减排思想。对压力容器的设计首次明确提出了基本的节能降耗要求：确保其使用要求的前提下，选择尽量简单的结构形式；确保其使用年限的前提下，尽量选择低价格的耐用材料和适当的腐蚀裕量；确保其强度、刚度、稳定性的安全前提下，具有尽可能小的元件结构尺寸；确保其制造质量的前提下，尽量降低制造难度、减少检验检测环节中的过高要求。TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》(简称新容规)相比老容规，凡重叠交叉部分，无损检测比例可“就少不就多”，体现《特种压力容器安全监察条例》节能降耗要求。TOFD方法是新方法，是超声波检测方法的一种。TOFD在新容规中允许作为附加局部检测使用，也可以独立使用，体现了特种压力容器安全监察条例节能降耗的要求。正在修订的GB151《管壳式换热器》将对换热器的节能设计给出具体的规定。

二、压力容器设计中节能减排的原则

（一）材料

压力容器的材料性能对其运行的安全性有着极大的影响，且材料费用是压力容器制造总成本的40%以上，因此合理选用材料不但能保证压力容器得以安全运行，还能有效控制其制造成本。设计人员首先需要熟悉掌握常用板材、型材、管材的规格及其标准系列尺寸，尽可能地选用市场上容易购买到的标准材料，少用稀缺昂贵的材料，多用国产的材料，少用进口材料，降低制造成本。其次，需在充分查阅相关标准规范、调查研究，并做足研究试验的基础上，综合考虑钢材的化学成分、力学性能、制造工艺性能、使用条件、强度及可焊性、厚度与性能的关系、维修更新等诸多因素，选用耐蚀性能好、强度高、韧性及塑性良好、制造性能及介质相容性好的钢材。设计人员还需与时俱进，时刻关注压力容器材料发展的新变化、新动向，掌握并及时选用国家及行业推荐的新材料，使压力容器既能满足安全性能的需要，又能充分体现节能降耗的原则。

（二）设计数据

压力容器设计需要在设计数据的基础上准确分析、计算出其材料、壁厚和直径等各个参数，其设计数据包括设计温度、设计压力、介质特性等，其中设计温度指的是容器在正常的工作状态下所设定的受压元件的金属温度，其值一般大于最高工作温度，设计温度对材料的力学性能有着直接性的影响，而设计压力指的是设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值一般大于等于工作压力，介质特性指的是压力容器所装载物料的物理性质及化学性质，介质特性与设计压力两者是压力容器分类的依据之一，影响着压力容器的设计结构、无损检测、焊缝系数等。设计温度及设计压力均是由工作压力及工作温度加上安全裕量得来，设计温度的确定需综合考虑工作过程中可能遇到的工作温度和对应工作压力两者组合中各种苛刻条件下的最高（或最低）温度，根据传热计算或测试结果选取，而设计压力通常情况下取1.0～1.1倍的最高工作压力，确定其值需考虑工作过程中可能出现的最高工作压力或由最高工作温度对应的最高工作压力两者组合中最苛刻条件下的最高工作压力。在压力容器设计中，需要根据设计温度、设计压力等设计数据计算出设备所需的厚度，以满足压力容器的强度及稳定性，设计数据提得过低，压力容器的壁厚不足会造成安全隐患，而设计数据提得过高，压力容器的壁厚太厚则会形成材料上的浪费，因此需要仔细审核设计数据，使压力容器在安全的基础上最大限度得以节能降耗。

（三）旧罐利用

在实际生产中，往往是随着生产工艺的升级改变、或者是停止一种无利产品的生产而代之以新品种的生产的过程中，许多原有设备就不能适应新的生产要求，而这些设备并没有超过使用寿命。如果把旧设备统统换成新设备,不仅会造成很大的浪费,而且大大提高了运行成本。例如：一台壁厚为10mm的内压储罐，在用了两年后腐蚀掉1mm，则实际壁厚为9mm，新的条件所计算出的壁厚要求为8mm，如果填充介质特性也相同，只是开孔不同，我们就可以进行旧罐利用，重新开孔并重新进行无损检测和压力试验。另外合理的选择传热方式能提高传热效率，合理的传动结构能降低搅拌功率消耗。这些都是我们做设计时所应着重考虑的。

（四）保温、保冷措施

压力容器的正常工作状态往往达到一定的温度，为了保证物料达到这个温度，会增加传热装置对该容器进行换热。如果不对这样的压力容器进行保温或保冷措施，将会极大的浪费能源。通常的做法是在容器的外部设置保温层，减少容器与空气之间的热交换，从而减少能量的流失。保温层材料因保温而保冷要求而不同，例如保温采用硅酸铝，保冷采用聚氨酯，保温层的厚度也要满足相应的要求。

结束语

设计人员需要不断提高自身的力学、设备、机械、工艺、材料、焊接等方面的知识和经验，树立起为社会负责的强烈社会责任感，在压力容器设计中充分贯彻节能降耗的原则，提升能源使用效率，打造压力容器产业的循环经济，为提高企业的生态效益和社会价值，节约国民经济发展成本，为实现国民经济的可持续发展做出贡献。

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作者简介：王蕊（1984年生），天津人，现于天津市瀚洋金属设备有限公司从事压力容器制造工艺审核及设计工作，