劉福生

（海工英派爾工程有限公司 青島 266061）

設(shè)計(jì)階段是壓力容器安全的重要保障

劉福生

（海工英派爾工程有限公司 青島 266061）

設(shè)計(jì)是生產(chǎn)壓力容器的第一階段。設(shè)計(jì)階段對(duì)于壓力容器在整個(gè)壽命期間的安全保障起著重要的作用。本文作者通過(guò)壓力容器設(shè)計(jì)階段的九個(gè)方面，闡述了壓力容器設(shè)計(jì)階段中各個(gè)方面應(yīng)該包含的內(nèi)容并舉例說(shuō)明設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段容易發(fā)生的一些錯(cuò)誤，其中失效模式以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告是按照最新的設(shè)計(jì)理念提出。

壓力容器 設(shè)計(jì) 安全

壓力容器廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)，從航天軍工到民居家庭都離不開(kāi)壓力容器。然而，由于壓力容器承受了一定的壓力有的甚至是承受高溫高壓或超高壓，是具有相當(dāng)危險(xiǎn)的容器，以至于關(guān)乎人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)保障，因此，世界大多數(shù)國(guó)家都將壓力容器的管理納入了特殊管理的范圍。在我國(guó)，早在2003年3月11日頒布中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院﹝373﹞令號(hào)《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》[1]，將壓力容器納入了特種設(shè)備的管理范圍，在2009年5月1日又實(shí)施了修改后的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》，于2014年1月1日頒布實(shí)施了《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》[2]，將特種設(shè)備的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、使用、檢驗(yàn)、檢測(cè)和特種設(shè)備安全的監(jiān)督管理納入依法管理的軌道。

設(shè)計(jì)階段是壓力容器生產(chǎn)的第一步，是壓力容器整個(gè)壽命的基礎(chǔ)，壓力容器的設(shè)計(jì)階段對(duì)壓力容器的安全保障起著重要的作用，本文僅從壓力容器設(shè)計(jì)的各個(gè)方面闡述如何在設(shè)計(jì)階段保障確保壓力容器安全。

1 壓力容器的設(shè)計(jì)條件

壓力容器設(shè)計(jì)條件的準(zhǔn)確與否對(duì)以后壓力容器壽命期間的安全保障起著重要作用。無(wú)論是處在生產(chǎn)裝置中、或者是在其他應(yīng)用中，壓力容器都是處在一定的使用環(huán)境中。因此，作為壓力容器的設(shè)計(jì)人員，首先應(yīng)該清楚所設(shè)計(jì)的壓力容器在生產(chǎn)裝置或其他應(yīng)用中的使用的情況即操作條件，清楚壓力容器操作條件的波動(dòng)情況，所操作介質(zhì)的性質(zhì)，分析各種引起壓力容器超溫、超壓的潛在因素，系統(tǒng)安全保障措施情況，還有一項(xiàng)，應(yīng)該注意壓力容器有多少工況，各個(gè)工況應(yīng)對(duì)應(yīng)，筆者就碰到過(guò)有設(shè)計(jì)人員將操作工況最大壓力與再生工況溫度組合成對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)條件的情況。

2 介質(zhì)性質(zhì)與材料選擇

明晰壓力容器所操作介質(zhì)的各種性質(zhì)與壓力容器殼體材料的選擇正確與否是密不可的。設(shè)計(jì)人員首先要清楚所操作介質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)及對(duì)不同材料的腐蝕性能，要鑒別介質(zhì)是否屬于液化氣體、介質(zhì)毒性的危害程度、介質(zhì)的可燃性能、在操作過(guò)程中介質(zhì)性質(zhì)如何變化，才能選擇合適的壓力容器材料類(lèi)型，材料選好后，仍然要進(jìn)一步分析材料對(duì)已選定材料的腐蝕作用及潛在腐蝕作用，要特別注意識(shí)別出那些能引起壓力容器在外表毫無(wú)征兆情況下引起破壞失效的情況，例如材料是碳素鋼的濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境、奧氏體不銹鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕環(huán)境、奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕、堿脆、疲勞斷裂等，從而在設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)材料、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)、使用及維護(hù)提出相應(yīng)的要求，例如，對(duì)材料是碳素鋼的濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境的壓力容器提出材料中硫磷含量的控制要求、鋼板無(wú)損檢測(cè)的要求及焊后消除應(yīng)力的要求等。

3 識(shí)別所設(shè)計(jì)的壓力容器的失效模式

壓力容器失去其應(yīng)有的使用功能或壓力容器的破壞就意味著壓力容器的失效，因此，設(shè)計(jì)人員識(shí)別出所設(shè)計(jì)的壓力容器的失效模式至關(guān)重要，否則，就會(huì)給壓力容器今后的安全留下極大的隱患，甚至導(dǎo)致壓力容器的破壞而造成嚴(yán)重的后果。壓力容器主要失效模式有：強(qiáng)度失效（包括：韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞失效及蠕變失效）、剛度失效、失穩(wěn)失效、腐蝕失效、設(shè)計(jì)壽命到期失效等。例如，干燥的氯氣對(duì)碳鋼容器沒(méi)有腐蝕性，但是如果混入水分潮氣腐蝕就會(huì)明顯加速而迅速失效破壞；法蘭密封泄漏就是法蘭剛度失效的典型案例；再例如，在風(fēng)載荷下，塔器都允許產(chǎn)生一定的彎曲，但是如果彎曲過(guò)量，塔盤(pán)上的介質(zhì)分布不均勻程度就會(huì)加大，從而達(dá)不到要求的正常工作效果，這也是剛度失效的案例；奧氏體不銹鋼在特定介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕從而導(dǎo)致腐蝕失效；焦化裝置的焦炭塔裙座殼體與塔體殼體連接部位處于高溫蠕變和疲勞失效的組合作用，在該處加保溫圈就有效地減少了溫差應(yīng)力幅度，從而有效緩和了該部位的疲勞應(yīng)力水平；還要注意的是，有的失效并不是在設(shè)備正常工作狀態(tài)時(shí)發(fā)生的，而是在開(kāi)停工時(shí)發(fā)生的，典型的如加氫裝置的加氫反應(yīng)器，操作條件為高溫氫以及高溫硫化氫，加氫反應(yīng)器殼體材質(zhì)為鉻鉬鋼內(nèi)堆焊不銹鋼，在操作狀態(tài)下，反應(yīng)器器壁中會(huì)吸藏一定量的氫，在停工的過(guò)程中，如果冷卻速度過(guò)快，使吸藏的氫來(lái)不及擴(kuò)散出來(lái)，造成過(guò)飽和氫殘留在器壁內(nèi)，就有可能引起亞臨界裂紋進(jìn)而擴(kuò)展，產(chǎn)生脆性斷裂失效，對(duì)設(shè)備的安全使用帶來(lái)威脅，因此，停工時(shí)采用合適的降溫速度就非常重要，必須使器壁所吸收的氫盡可能逸出來(lái)，此外，還應(yīng)盡量避免緊急停車(chē)；這些都是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該引起注意的。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

壓力容器的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)按照GB 150．1~4—2011[3]進(jìn)行，對(duì)于各種形式的壓力容器如塔器、臥式容器等以及各種有色金屬壓力容器GB 150．1都指定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員要做的是正確運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)給定的計(jì)算方法和計(jì)算公式。但是，筆者就碰到一些設(shè)計(jì)人員的一些習(xí)慣認(rèn)識(shí)，例如，認(rèn)為只有當(dāng)盛裝液體介質(zhì)時(shí)立式容器才考慮計(jì)入液柱壓力，但是，對(duì)于像盛裝散狀催化劑或散狀填料的立式容器的受壓元件強(qiáng)度的計(jì)算都應(yīng)考慮計(jì)入液柱靜壓力；對(duì)于帶夾套容器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常出的問(wèn)題是：用夾套設(shè)計(jì)內(nèi)壓校核內(nèi)殼的外壓穩(wěn)定性而忘記了還應(yīng)考慮以?shī)A套的試驗(yàn)壓力進(jìn)行內(nèi)殼的外壓校核；臥式容器設(shè)計(jì)計(jì)算中，有設(shè)計(jì)人員將支座墊板計(jì)入對(duì)容器殼體有加強(qiáng)作用而在圖紙中卻忘記了將實(shí)際的支座墊板寬度取值與計(jì)算所采用的一致；常常會(huì)遇到多孔開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的情況而設(shè)計(jì)人員仍然當(dāng)作單孔開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行校核；在平蓋設(shè)計(jì)計(jì)算中，有設(shè)計(jì)人員將平蓋上所有開(kāi)孔直徑加起來(lái)作為平蓋強(qiáng)度削弱的依據(jù)而忘記應(yīng)該是取過(guò)中心橫截面上的開(kāi)孔作為平蓋強(qiáng)度削弱的依據(jù)；換熱器管板強(qiáng)度校核中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常混淆什么時(shí)候用平均溫度、什么時(shí)候用最高溫度；使用計(jì)算程序計(jì)算輸入塔器裙座數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)裙座殼體頂部溫度輸入錯(cuò)誤；立式容器需要計(jì)入液柱靜壓力情況的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)所用計(jì)算壓力隨開(kāi)孔位置所在高度的不同而不同。

5 壓力容器結(jié)構(gòu)

壓力容器整體結(jié)構(gòu)一般為圓形、球形形狀。但是，壓力容器對(duì)外要有連接、有內(nèi)件要支撐、殼體上設(shè)有人孔便于安裝內(nèi)件及進(jìn)行內(nèi)部檢查檢驗(yàn)。壓力容器的結(jié)構(gòu)不連續(xù)就會(huì)造成在一次薄膜應(yīng)力之上產(chǎn)生局部應(yīng)力和峰值應(yīng)力，而且結(jié)構(gòu)的不合理會(huì)導(dǎo)致容器局部區(qū)域的腐蝕加劇甚至?xí)?dǎo)致腐蝕形式的改變而超出預(yù)計(jì)的失效模式，那是很危險(xiǎn)的。

例如，要盡量將焊縫布置得遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)突變處以免焊縫受力惡劣與應(yīng)力疊加，將接管與殼體相連接焊縫由角接焊縫改為對(duì)接或圓滑過(guò)渡，這都是為了緩和與改善容器結(jié)構(gòu)突變處的應(yīng)力；將焊縫設(shè)計(jì)成連續(xù)焊縫并圓滑過(guò)渡以防止縫隙腐蝕[4]，盡量避免死角結(jié)構(gòu)以防止局部區(qū)域腐蝕介質(zhì)濃度差異而產(chǎn)生相應(yīng)的腐蝕加劇；還要防止因溫度變化產(chǎn)生的附加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。

6 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)條件

技術(shù)條件是壓力容器設(shè)計(jì)文件的一個(gè)重要組成部分，設(shè)計(jì)中所引用材料標(biāo)準(zhǔn)、制造、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的要求為一般通用性的最低要求，對(duì)于操作特殊介質(zhì)以及高的設(shè)計(jì)參數(shù)的壓力容器，只有這些要求是不夠的，因此就要對(duì)壓力容器材料、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收提出更高的要求，這些就應(yīng)體現(xiàn)在壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)條件中。例如，對(duì)于處在濕硫化氫腐蝕環(huán)境壓力容器的設(shè)計(jì)技術(shù)條件大約包括以下幾個(gè)方面：材料交貨狀態(tài)的要求、材料化學(xué)成分尤其是硫、磷含量的要求、材料腐蝕試驗(yàn)的要求、材料碳當(dāng)量的要求、材料無(wú)損檢測(cè)的要求、容器焊后消除應(yīng)力熱處理的要求、容器焊接接頭硬度的要求等；還有其他需包含在設(shè)計(jì)技術(shù)條件內(nèi)的如墊板、內(nèi)件支撐等熱處理前預(yù)先焊接的要求等。

7 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告的內(nèi)容貫穿壓力容器從設(shè)計(jì)到使用管理以及事故處置的全過(guò)程，它反映了設(shè)計(jì)人員對(duì)于壓力容器在相應(yīng)設(shè)計(jì)條件下及其所處環(huán)境下的各種失效模式和破壞形式的識(shí)別，說(shuō)明應(yīng)采取的安全防護(hù)措施和依據(jù)，對(duì)于可能發(fā)生的失效模式和破壞形式，給出制定事故應(yīng)急預(yù)案所需要的信息。

8 專(zhuān)業(yè)會(huì)簽

專(zhuān)業(yè)會(huì)簽是設(shè)計(jì)文件付之出版的最后一道關(guān)口。由于各種原因，很多設(shè)計(jì)人員往往對(duì)專(zhuān)業(yè)會(huì)簽重視不夠，引起以后的返工。例如，筆者就經(jīng)歷過(guò)制造廠已經(jīng)做好的換熱器拉到現(xiàn)場(chǎng)才發(fā)現(xiàn)土建基礎(chǔ)的活動(dòng)端與固定端做反了，引起現(xiàn)場(chǎng)重新修改基礎(chǔ)，造成耽誤工期，這就是會(huì)簽專(zhuān)業(yè)人員會(huì)簽時(shí)疏忽土建活動(dòng)端的方向造成的。

9 其他

其他如重大維修、改變用途、閑置啟用等都需要由有相應(yīng)設(shè)計(jì)資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位重新計(jì)算、提出相應(yīng)的檢驗(yàn)、修改等意見(jiàn)，這些新設(shè)計(jì)壓力容器要求不完全相同，設(shè)計(jì)人員需要掌握更多的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，而且對(duì)壓力容器整個(gè)壽命全過(guò)程有全面的知識(shí)。

10 結(jié)論

從航天航空到民用，壓力容器廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，由于壓力容器要承受一定的壓力和溫度（高溫和低溫），而且所盛裝的介質(zhì)大多具有程度不同的毒性，有的介質(zhì)易燃易爆。因此，要保證壓力容器整個(gè)使用壽命期間的安全是絕對(duì)必要的，它反映在壓力容器從生產(chǎn)到經(jīng)營(yíng)、使用、監(jiān)督及事故應(yīng)急全過(guò)程。壓力容器的設(shè)計(jì)就是壓力容器生產(chǎn)的第一步，也是壓力容器誕生的第一步，而且從以上對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程的闡述可以看出壓力容器的設(shè)計(jì)對(duì)于壓力容器整個(gè)壽命期間的安全起著關(guān)鍵的作用。

[1] 特種設(shè)備安全監(jiān)察條例（中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令﹝373﹞號(hào)）[S]．

[2] 中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法（中華人民共和國(guó)主席令 第四號(hào)）[S]．

[3] GB 150．1～4—2011 壓力容器 [S]

[4] 陳鳳棉．壓力容器安全技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

Designing is an Important Guarantee of Pressure Vessel Security

Liu Fusheng
(Cooec-Enpal Engineering Co., Ltd. Qingdao 266101)

Designing is the first stage of the pressure vessel’s production. The designing stage plays an important role for the whole life of pressure vessels’ security. In this paper, through nine aspects, the author expounds the various aspects that the pressure vessel designing stage should contains, and the author illustrates errors that the designers are prone to make in the pressure vessel designing stage. Among these, failure modes and risk assessment is put forward according to the latest design concept.

Pressure vessel Designing Security

X933．4

B

1673-257X(2016)12-0049-03

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．011

劉福生(1959～)，男，本科，高級(jí)工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。

2016-04-29）