董富榮（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅省 蘭州市 730060）

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淺析壓力容器分析設(shè)計(jì)的塑性措施

董富榮（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅省 蘭州市 730060）

在國(guó)家整體經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的今天，作為科技含量相當(dāng)高的特種裝備，壓力容器逐步地在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛使用，而且在現(xiàn)實(shí)使用中，由于使用環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)于壓力容器的要求就相對(duì)較高。在此背景下，相關(guān)工藝領(lǐng)域的研究者就被賦予提高其設(shè)計(jì)工藝與制造水平的重任。本文便是基于對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)中遇到的問題，需要的工藝等方面進(jìn)行簡(jiǎn)介，并在綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益與安全性的前提下，對(duì)容器的材料、制造工藝、塑性設(shè)計(jì)措施等方面進(jìn)行分析論述，希冀有所貢獻(xiàn)。

壓力容器；設(shè)計(jì)制造；塑性措施

引言

壓力容器作為一種工業(yè)上常使用的特種設(shè)備，作用是安放危險(xiǎn)的物質(zhì)，比如有毒、或者易燃。由于所安置的物質(zhì)具有極大破壞性，所以壓力容器的保護(hù)性作用十分突出。為了使得其更加安全，更加可靠，設(shè)計(jì)者需要不斷應(yīng)用新技術(shù)、新材料，新設(shè)計(jì)，使得壓力容器在各種環(huán)境下都能經(jīng)受住考驗(yàn)，不會(huì)出現(xiàn)損壞、爆炸現(xiàn)象危害運(yùn)輸者、使用者的生命安全。

1　壓力容器設(shè)計(jì)涉及到的幾個(gè)問題

1.1 國(guó)內(nèi)壓力容器的使用壽命設(shè)計(jì)不明確

由于壓力容器生產(chǎn)線國(guó)內(nèi)引進(jìn)時(shí)間較短，所以并沒有形成完整的管理方案，相關(guān)工作人員也欠缺專業(yè)技術(shù)，或者對(duì)壓力容器的重要性地位意識(shí)不足，所以國(guó)產(chǎn)的壓力容器，使用壽命一直飽受詬病。在國(guó)際通用的情況下，設(shè)計(jì)者必須得在所生產(chǎn)的壓力容器的外殼上標(biāo)注明確的使用年限，以確保其使用安全。

1.2 影響使用壽命的因素

一般來說，壓力容器使用時(shí)長(zhǎng)受以下幾點(diǎn)因素制約，可以歸納為：①使用的生產(chǎn)材料，其力學(xué)性能隨時(shí)間的衰變周期；②承載物質(zhì)對(duì)容器的腐蝕隨時(shí)間的變化周期，不同裝載物質(zhì)的腐蝕程度不同，影響年限不同；③不同環(huán)境下，比如高溫環(huán)境、高壓環(huán)境、高寒環(huán)境的影響；④設(shè)計(jì)圖在生產(chǎn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)化程度是否足夠，是否出現(xiàn)違規(guī)操作或偷工減料。所以說，設(shè)計(jì)者如果想明確壓力容器的使用壽命以及做好設(shè)計(jì)方案，必須要綜合考慮以上四點(diǎn)，合理選材，明確生產(chǎn)線的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，明確設(shè)計(jì)面對(duì)的環(huán)境與承載的物質(zhì)腐蝕強(qiáng)度。我國(guó)已經(jīng)出臺(tái)了相關(guān)國(guó)標(biāo)，對(duì)于設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)所要承擔(dān)的責(zé)任，也明確指出，設(shè)計(jì)壽命只是作為參考的值，給予使用者以提醒，并不能盲目相信，在現(xiàn)實(shí)使用壓力容器時(shí)，當(dāng)接近使用期限時(shí)，就需要重視是否可能出現(xiàn)泄漏，測(cè)量壓力容器的厚度，經(jīng)常性檢查其安全性。

所以，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)設(shè)計(jì)單位與設(shè)計(jì)師，對(duì)于其所設(shè)計(jì)的壓力容器的使用壽命，會(huì)有一個(gè)較為負(fù)責(zé)任的估計(jì)，并且通過結(jié)構(gòu)測(cè)試、材料試驗(yàn)等方式，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上標(biāo)定壽命，做到對(duì)使用者的安全負(fù)責(zé)和對(duì)特種設(shè)備可靠性的重視。

1.3 壓力試驗(yàn)的免除問題

顧名思義，對(duì)于壓力容器制造過程中，免除壓力試驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)常性的提高生產(chǎn)率的措施，但是這也相應(yīng)地減少了檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，使得壓力容器的安全性得不到保障。但是，為了彌補(bǔ)免除試驗(yàn)所帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)單位會(huì)通過相應(yīng)的措施做補(bǔ)償。一般來說，會(huì)根據(jù)使用者對(duì)于容器的要求，在前端工序中，提高材料化學(xué)上的抗腐蝕性能，提高其力學(xué)抗壓性；或者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，盡可能地優(yōu)化設(shè)計(jì)；在生產(chǎn)線工藝上，采用先進(jìn)的全焊透接頭以保證壓力容器的一體性；提高其他檢測(cè)的級(jí)別，比如無損檢測(cè)，由于其檢測(cè)相對(duì)壓力試驗(yàn)免除較為容易，可以多次檢測(cè)，并且盡可能提高壓力容器的其他性能。

作為直接影響到容器選材、級(jí)別定檔與制造工藝的參考指標(biāo)，設(shè)計(jì)壓力十分重要，一般既考慮容器內(nèi)各分部腔體，又考慮各元件的最大抗壓性。這對(duì)于容器的使用性能有著至關(guān)重要的影響，所以通常被設(shè)計(jì)者強(qiáng)調(diào)，這就會(huì)產(chǎn)生是否免除壓力試驗(yàn)的爭(zhēng)論。而在實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域，除非是大型壓力容器，不能或者不便于進(jìn)行壓力試驗(yàn)，其他壓力容器都會(huì)做這一實(shí)驗(yàn)。所以說，免除試驗(yàn)的真正含義是不能做，而不是不去做。

1.4 壓力容器的定期檢驗(yàn)問題

定期檢驗(yàn)是國(guó)家強(qiáng)制要求的，所有特種設(shè)備與器材，都要在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)做定期檢驗(yàn)。在定期檢驗(yàn)的期限到來前，使用者需要停機(jī)并對(duì)壓力容器的外壁厚度等指標(biāo)進(jìn)行安全性確定，檢驗(yàn)其性質(zhì)是否有變化等。在時(shí)間界定上，一般在使用后的第三年做首檢，首檢定級(jí)。一級(jí)與二級(jí)安全狀況的壓力容器，可以在六年期限后進(jìn)行復(fù)檢；定級(jí)為三級(jí)安全級(jí)別的話，就要在三到六年間進(jìn)行檢測(cè)；在四級(jí)定級(jí)下，需要進(jìn)行短期、循環(huán)性安全檢測(cè)，要有專業(yè)安全人員。在檢驗(yàn)中，可能會(huì)出現(xiàn)有安全隱患的時(shí)候，那時(shí)就必須要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

2　設(shè)計(jì)壓力容器的基本步驟

2.1 確定容器類別

設(shè)計(jì)者對(duì)于壓力容器的設(shè)計(jì)是基于其級(jí)別與種類的。類別劃分已經(jīng)在國(guó)家質(zhì)監(jiān)督局頒發(fā)的相應(yīng)文件中有明確規(guī)定。通常劃分依據(jù)為承載介質(zhì)的種類與特性，設(shè)計(jì)者可以按照文件內(nèi)容以及設(shè)計(jì)壓力指數(shù)，確定壓力容器類別。

2.2 確定設(shè)計(jì)壓力

確定等級(jí)后，就要計(jì)算其可能出現(xiàn)的壓力峰值，根據(jù)最高值來設(shè)計(jì)壓力指數(shù)，并預(yù)留0.05～0.10的壓力空間，至于是留多還是留少，就要考慮承載物質(zhì)的危害性大小，以及設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，有無安全裝置。在低危害或有安全閥時(shí)，留低檔次預(yù)留壓力，反之預(yù)留更多。

2.3 確定設(shè)計(jì)溫度

在用戶給出所工作的工作環(huán)境以及環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)情況下，考慮設(shè)計(jì)溫度指數(shù)。一般是在用戶提供的工作溫度的基礎(chǔ)上，再考慮容器環(huán)境溫度而得。

2.4 確定幾何容積、腐蝕率等參數(shù)

對(duì)于壓力容器，要通過計(jì)算得出其具體容積，以便使用者合理地灌裝體量。要用戶使用時(shí)注意其按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后的實(shí)際容積填寫即可。確定腐蝕裕量。由于材質(zhì)、介質(zhì)、元件承載力等問題，腐蝕裕量也是有區(qū)別的，對(duì)于使用期限有著明顯影響。焊縫系數(shù)也是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，要保證焊接的無縫性，以保證安全。

3　塑性設(shè)計(jì)措施

3.1 塑性失效設(shè)計(jì)

這一設(shè)計(jì)的原理基于彈塑性理論，是根據(jù)壓力與應(yīng)力在允許變形的程度內(nèi)，壓力容器可以正常發(fā)揮作用，不影響安全性。

3.2 疲勞設(shè)計(jì)

材料的塑性變形一般是由于容器在長(zhǎng)期的負(fù)載下，受到腐蝕等因素影響導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)遭到破壞。壓力容器由于承受應(yīng)力，常常出現(xiàn)材料疲勞現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)者要考慮材料的疲勞與塑性變形。

3.3 概率設(shè)計(jì)

這一設(shè)計(jì)是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對(duì)于設(shè)計(jì)的合理性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，以精確的數(shù)據(jù)表達(dá)來展現(xiàn)在客戶面前，使之量化、具化。

4　壓力容器制造技術(shù)的發(fā)展方向

4.1 壓力容器向大型化發(fā)展

這是由于大體積的壓力容器，可以有效地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。而且不影響正常使用，是十分經(jīng)濟(jì)的選擇。

4.2 壓力容器用鋼的發(fā)展

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，以及大型化發(fā)展背景下對(duì)于生產(chǎn)工藝的更高要求，壓力容器對(duì)于鋼材的選用愈發(fā)挑剔，對(duì)于其抗裂性、韌性、抗壓性、抗腐蝕性都有更高要求。

4.3 壓力容器制造方法的發(fā)展

隨著科技發(fā)展以及科學(xué)交流的進(jìn)行，我國(guó)已經(jīng)成功引進(jìn)德國(guó)先進(jìn)的多絲埋弧焊法，代替老舊的鍛造法等方式制作壓力容器，這一技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于成形完整而且焊接簡(jiǎn)便快速，對(duì)于制造速度有著顯著提升，而且對(duì)于制作成品的合格率也有明顯提高。

5　案例分析

這里引用九二年××工廠的壓力容器事故為例，佐證以上論述。此工廠，主要生產(chǎn)某酸性物質(zhì)，而盛放此類物質(zhì)的壓力容器發(fā)生爆炸導(dǎo)致整個(gè)工廠倒塌，造成多人死亡，受傷，以及重大經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)查實(shí)，爆炸的兩臺(tái)壓力容器作為一級(jí)壓力容器，有安全閥，也安置壓力表，投產(chǎn)第四年也進(jìn)行了外部檢查。但是在曾經(jīng)發(fā)生泄漏事故后并沒有申報(bào)給有資質(zhì)的部門進(jìn)行檢修，二是自行補(bǔ)漏，使得容器整體性遭受破壞，最后發(fā)生爆炸事故。

6　結(jié)語

從以上論述可以看出，壓力容器的塑性設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要的設(shè)計(jì)方向，對(duì)于其性能的影響也十分重大，而為了使得壓力容器的質(zhì)量與設(shè)計(jì)滿足不斷發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，需要設(shè)計(jì)者以塑性設(shè)計(jì)為理念，綜合其他設(shè)計(jì)想法，對(duì)壓力容器進(jìn)行實(shí)事求是的改良與發(fā)展，朝著機(jī)械化、精細(xì)化、高水平方向發(fā)展。

［1］段哲軍.應(yīng)力分類和壓力容器設(shè)計(jì)的發(fā)展.中國(guó)氯堿，2015.

［2］余國(guó)琮.化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）［R］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013，4.

［3］固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［M］.北京新華出版社，2013.

2016-2-12

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2095-2066（2016）07-0218-02