陳超　王建樂

摘要：壓力容器的設(shè)計(jì)質(zhì)量不僅直接關(guān)系到容器的使用安全性和可靠性，同時(shí)也影響著容器的制造成本。本文首先分析了壓力容器設(shè)計(jì)中的常見問題，然后針對(duì)問題提出了相應(yīng)的解決對(duì)策，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器設(shè)計(jì)；問題；對(duì)策

作為化學(xué)、石油和科研等行業(yè)中的必要設(shè)備，壓力容器對(duì)于促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有重要作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模和領(lǐng)域范圍的擴(kuò)大，壓力容器的使用也越來(lái)越廣泛。然而，由于技術(shù)缺陷等原因造成的壓力容器設(shè)計(jì)問題仍經(jīng)常出現(xiàn)，其嚴(yán)重影響了壓力容器的正常使用和工業(yè)生產(chǎn)的安全。因此，加強(qiáng)有關(guān)壓力容器設(shè)計(jì)常見問題及對(duì)策的探討，對(duì)于提高壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量和安全性具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1. 壓力容器設(shè)計(jì)常見問題

壓力容器的設(shè)計(jì)步驟為：先確定客戶使用需求、分析容器適用條件，據(jù)此設(shè)定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)；然后了解分析容器結(jié)構(gòu)、選擇正確的工藝規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、選取合適的材料、計(jì)算容器強(qiáng)度和應(yīng)力范圍，以此確定容器所需要的壁厚等參數(shù)；最后繪制容器設(shè)計(jì)圖紙，并提供相應(yīng)的技術(shù)文件和計(jì)算書。壓力容器設(shè)計(jì)是容器制造的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題有：

1.1 材料的選用問題

材料是壓力容器設(shè)計(jì)中的重要組成部分，材料的選用將直接影響壓力容器的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)性能和使用壽命。材料的選用經(jīng)常會(huì)受到用戶、使用的周邊環(huán)境、用戶的特別要求、容器的外觀大小等因素的影響。由于壓力容器通常用于高壓高溫的環(huán)境中工作，其材料的選用勢(shì)必會(huì)影響到壓力容器的耐腐蝕性能和內(nèi)外部受力情況，因此通常情況下壓力容器的材料選用是有非常嚴(yán)格的規(guī)定。設(shè)計(jì)者在選用不同的材料前都需要確定材料的選用是否滿足其使用條件、力學(xué)性能、耐腐蝕性能、加工性能、材料來(lái)源及經(jīng)濟(jì)性等使用要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中當(dāng)用戶要求壓力容器的材料需要減薄時(shí)，設(shè)計(jì)者一般都會(huì)對(duì)容器的內(nèi)外部受力情況進(jìn)行重新分析，確定減薄后的耐腐蝕程度；而當(dāng)用戶要求壓力容器的材料需要增厚時(shí)，大部分設(shè)計(jì)者認(rèn)為不應(yīng)當(dāng)再重新進(jìn)行各項(xiàng)受力分析，而實(shí)際情況卻是容器變厚后會(huì)產(chǎn)生多個(gè)方向的拉應(yīng)力，容易引起平面應(yīng)變及脆性斷裂，[1] 對(duì)于這一點(diǎn)應(yīng)要十分注意和重視。

1.2 非標(biāo)準(zhǔn)法蘭設(shè)計(jì)

由于在日常的設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)壓力和設(shè)備直徑等使用條件超過法蘭標(biāo)準(zhǔn)的法蘭，所以需要確定法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度的計(jì)算。而利用SW6軟件進(jìn)行法蘭計(jì)算時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生計(jì)算的法蘭強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際制造安裝卻不符合要求的情況。如SW6軟件未設(shè)置相應(yīng)的螺母與螺栓圓中心距的匹配程序，而在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)對(duì)調(diào)整重要尺寸螺栓孔間距的問題欠考慮。當(dāng)設(shè)置了超出規(guī)定范圍的螺栓間距時(shí)，法蘭很可能出現(xiàn)變形，甚至破壞其密封性能；當(dāng)設(shè)置了小于規(guī)定范圍的螺栓間距時(shí)，會(huì)造成扳手操作空間狹小，較難擰緊螺栓。

1.3 熱處理問題

根據(jù)相關(guān)的熱處理規(guī)定表明，在多數(shù)條件下都要對(duì)鋼板冷成形受壓元件進(jìn)行熱處理，如低合金鋼及碳鋼；盛裝高毒性、高危害介質(zhì)的容器；成形后厚度減少10%以上的容器；有應(yīng)力腐蝕介質(zhì)的容器等。如果冷成形變形率不能滿足規(guī)范要求，就必須通過恰當(dāng)?shù)臒崽幚韥?lái)使材料性能完全恢復(fù)。而大部分設(shè)計(jì)者都會(huì)對(duì)壓力容器的封頭、殼體的熱處理提高重視，卻忽視了接管設(shè)計(jì)的熱處理問題。

1.4 使用壽命問題

根據(jù)最新相關(guān)技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定，為防止壓力容器使用壽命超出設(shè)計(jì)時(shí)間而帶來(lái)不必要的安全問題，設(shè)計(jì)人員要在設(shè)計(jì)圖紙中明確標(biāo)記該壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)使用壽命，這在以往的規(guī)程中是沒有的。可以發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)于壓力容器的使用壽命問題越來(lái)越重視。而在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，大部分設(shè)計(jì)單位對(duì)于容器使用壽命的問題并不重視，部分設(shè)計(jì)人員更是憑借以往的慣例或經(jīng)驗(yàn)任意設(shè)置壓力容器使用壽命，而忽視設(shè)備溫度、材料等因素的影響。同時(shí)由于操作人員的不按規(guī)定用法操作也會(huì)減短容器的使用年限。[2]

2. 壓力容器設(shè)計(jì)問題應(yīng)對(duì)策略

2.1 提高對(duì)材料選用問題的重視

一般設(shè)計(jì)者都會(huì)注意到壓力容器外殼材料由厚變薄的內(nèi)外部受力和耐腐蝕性分析，而在材料由薄變厚的過程中設(shè)計(jì)人員也應(yīng)當(dāng)注意材料變厚時(shí)的受力情況，加強(qiáng)對(duì)管道彎折和部件連接部位的分析。對(duì)于連接部位的套筒焊接或其他位置的焊接情況要充分考慮焊接所帶來(lái)的應(yīng)力變化；對(duì)于材料變厚時(shí)的主體與構(gòu)件連接位置及封頭位置要進(jìn)行邊角削平處理。

2.2 注意非標(biāo)準(zhǔn)法蘭的計(jì)算

非標(biāo)準(zhǔn)法蘭的計(jì)算應(yīng)當(dāng)考慮以下要求：（1）法蘭的直邊段長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于1.5δ；（2）應(yīng)當(dāng)根據(jù)相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)法蘭的L、Le、LA尺寸進(jìn)行恰當(dāng)確定，以確保扳手操作空間充足；由于高壓容器需用較大的螺栓，其公稱直徑DN要不小于64mm，因此應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇液壓拉伸器的空間，確保螺栓能夠擰緊；（3）通常低合金、碳鋼鍛件的許用應(yīng)力要比同材料板材強(qiáng)度低，所以應(yīng)當(dāng)使法蘭小端厚度比封頭和筒體部位多出3mm；（4）在進(jìn)行法蘭計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮腐蝕裕量，大端和小端應(yīng)當(dāng)減去腐蝕裕量計(jì)算相應(yīng)厚度，內(nèi)徑輸入值應(yīng)當(dāng)為實(shí)際內(nèi)徑加上兩倍的腐蝕裕量值。2.3 增強(qiáng)熱處理

為了節(jié)約成本，大部分壓力容器設(shè)計(jì)單位都會(huì)在滿足使用條件的前提下選用低合金鋼或碳鋼鋼板制作直徑較大的鋼管和容器。雖然低合金鋼和碳鋼鋼板在冷成形后具有的一定的強(qiáng)度和硬度，但可塑性有時(shí)難以達(dá)到使用要求，若不進(jìn)行熱處理，很容易使材料內(nèi)部細(xì)小晶粒出現(xiàn)歪扭和破損。特別是在制造鋼管時(shí)使用較厚的鋼板，那會(huì)使鋼管的直徑減小，冷成形后的內(nèi)部變化就會(huì)相當(dāng)劇烈，較高的冷加工硬化性能使其在出廠前就可能產(chǎn)生裂紋。因此采用厚鋼板進(jìn)行冷卻加工后必須進(jìn)行相應(yīng)的熱處理才能提高材料的塑性。[3]

2.4 重視使用壽命

（1）設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)材料的腐蝕速度和內(nèi)外受力情況計(jì)算容器的最大腐蝕承受度，以此確定容器的安全使用年限；（2）設(shè)計(jì)者要考慮使用者的不當(dāng)操作，在圖紙中設(shè)置相應(yīng)的安全使用提醒，并表明使用條件，做好壓力承力部件和壁厚參數(shù)的測(cè)量；（3）設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)考慮壓力容器外部工作環(huán)境，在最惡劣環(huán)境中模擬最佳使用年限。

3. 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)者要加強(qiáng)有關(guān)壓力容器常見問題的分析，總結(jié)處理經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用技術(shù)，積極拓展設(shè)計(jì)問題處理方法和應(yīng)對(duì)策略，以不斷提高壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4. 參考文獻(xiàn)：

[1]王霄霞.關(guān)于壓力容器設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題[J].技術(shù)與市場(chǎng). 2012，05（35）：57-58

[2]申長(zhǎng)吉.壓力容器設(shè)計(jì)過程中常見的問題分析[J].自動(dòng)化應(yīng)用. 2011，12（29）：62-63

[3]錢晨凌.小議如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].民營(yíng)科技. 2010，06（10）：61-62

5. 作者簡(jiǎn)介

陳超（1980-），男，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)工作，過程裝備與控制工程專業(yè)。