李 亮

(陽煤集團(tuán)壽陽化工有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400)

化工設(shè)計(jì)

化工壓力容器設(shè)計(jì)中的選材和補(bǔ)強(qiáng)

李 亮

(陽煤集團(tuán)壽陽化工有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400)

在壓力容器設(shè)計(jì)過程中，選擇合適的材料和滿足強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)對(duì)壓力容器的安全、平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)壓力容器主要受壓元件如何選材進(jìn)行了介紹，對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)技術(shù)的要領(lǐng)進(jìn)行了探討，提出了有針對(duì)性的設(shè)計(jì)建議。

選材；補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；化工壓力容器

引 言

壓力容器作為化工行業(yè)主要生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)也是特種設(shè)備的一類，在使用過程中，它的安全運(yùn)行意義重大。壓力容器主要受壓元件的選材必須要符合相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)，還要滿足其使用性能。在生產(chǎn)和使用過程中，由于受實(shí)際條件的限制，材料代用常有發(fā)生，增加了壓力容器合理用材的復(fù)雜性，在容器設(shè)計(jì)、制造、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)技術(shù)人員提出了更高要求。

壓力容器為了正常的使用操作，會(huì)在筒體和封頭等受壓元件上開孔，以便安裝物料進(jìn)出、儀表檢測(cè)、檢修人孔等工藝管口。開孔會(huì)削弱容器本體材料的承載能力，同時(shí)，由于接管和筒體的結(jié)構(gòu)連接不連續(xù)，會(huì)在開孔處造成局部應(yīng)力集中[1]。如何選擇合適的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法和補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。

1 材料的選用

1.1 主體材料的選用

壓力容器主體材料的選用對(duì)其安全性能起決定性的作用。在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，主體受壓元件選樣除了能要滿足相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的硬性規(guī)定外，還要選擇能滿足設(shè)備的力學(xué)性能、物理性能、工藝性能和介質(zhì)相容性的材料，確保材料有優(yōu)良的可加工性、足夠的強(qiáng)度、耐蝕性等。

1) 必須根據(jù)介質(zhì)特點(diǎn)和工作條件選出合適的鋼材種類，進(jìn)而確定用材牌號(hào)。所用鋼材要抗容器介質(zhì)腐蝕，確保使用壽命；其許用應(yīng)力還要在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度和壓力下能滿足容器的強(qiáng)度要求。一些特殊介質(zhì)可選用復(fù)合材料，基層用來滿足力學(xué)性能，與介質(zhì)接觸的復(fù)層用來抗介質(zhì)腐蝕，從而提高鋼材的合理利用。例如，在高硫壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，要限制材料中C、S、P、Ni、Mn等元素的含量，優(yōu)先選用Q245R等碳素鋼材[2]。

2) 壓力容器選材要充分考慮到設(shè)備的制造性能，要有較好的焊接性能、成型性，高韌性以及較大塑性[3]。

3) 壓力容器用材要避免不必要的浪費(fèi)，提高其經(jīng)濟(jì)性，要避免“越厚越安全”、“性能越高越好”等直觀誤區(qū)。例如，鋼材厚度的增加會(huì)增加設(shè)備抗壓能力，但是同時(shí)也增加了設(shè)備自重，對(duì)設(shè)備支撐元件(鞍座、裙座等)提高設(shè)計(jì)要求，還存在失穩(wěn)等重大隱患，并且，也造成了材料的大量浪費(fèi)。

4) 近年來，隨著我國裝備制造向國外輸出以及國際上優(yōu)于國內(nèi)鋼材的使用，境外牌號(hào)的材料和新型材料越來越多地出現(xiàn)在國內(nèi)壓力容器用材上。針對(duì)境外牌號(hào)鋼材的使用，首先，要有相似工作條件的使用實(shí)例。其次，材料性能、化學(xué)成分、相關(guān)質(zhì)量證明文件等都要滿足我國法規(guī)要求。再者，壓力容器設(shè)計(jì)、制造等單位要掌握材料的加工性能和使用性能；新材料的使用要按照TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求通過技術(shù)評(píng)審。

5) 壓力容器選用材料應(yīng)該購買具有相應(yīng)資質(zhì)的企業(yè)所生產(chǎn)的鋼材?；毫θ萜髯鳛樘胤N設(shè)備，如果一旦有事故發(fā)生，所造成的危害巨大。所以，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)行嚴(yán)格監(jiān)管，以確保壓力容器安全運(yùn)行。

1.2 壓力容器設(shè)計(jì)中補(bǔ)強(qiáng)材料的選用

補(bǔ)強(qiáng)材料的選擇要綜合考慮到其理化性能、力學(xué)性能、焊接性能和經(jīng)濟(jì)性。補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)選用與主體材質(zhì)牌號(hào)一致或相近的材料，若補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力小于殼體材料的許用應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)按殼體材料和補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力之比增加，若補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力大于殼體材料的許用應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)面積不得減少?？梢姡粞a(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料不同會(huì)增大補(bǔ)強(qiáng)面積，降低設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。

1.3 壓力容器選材設(shè)計(jì)的實(shí)例分析

某一企業(yè)需要進(jìn)行壓力容器的設(shè)計(jì)，溫度為470 ℃，利用16MnR代替15CrMoR。從設(shè)計(jì)手冊(cè)中查閱得到相關(guān)的強(qiáng)度，如表1所示。鋼材替換后，在350 ℃內(nèi)，與替換前鋼材相比，指標(biāo)都高，若溫度>425 ℃，前者的強(qiáng)度指標(biāo)就要比后者高[4]。所以，在一定的溫度下，材料之間不能隨便進(jìn)行替代。在425 ℃的條件下，如果長時(shí)間使用碳素鋼和碳錳鋼，對(duì)于碳化物石墨的傾向應(yīng)該進(jìn)行考慮。在高溫下，兩種鋼中的滲碳會(huì)逐漸進(jìn)行分解，致使16MnR鋼內(nèi)珠光體逐漸消失，造成材料的強(qiáng)度及塑性降低，沖擊值也明顯下降，加大了生產(chǎn)的危險(xiǎn)。

表1 多種溫度下兩種材料的應(yīng)力

2 壓力容器補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析

2.1 壓力容器補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法分析

目前，開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算方法常用的是等面積補(bǔ)強(qiáng)法，在大開孔情況下一般用壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法，還有一種由美國壓力容器研究委員會(huì)在圓筒和球殼上裝有單根圓形徑向接管研究得出的彈塑性失效補(bǔ)強(qiáng)法。

1) 等面積補(bǔ)強(qiáng)法

等面積補(bǔ)強(qiáng)法是目前運(yùn)用最為廣泛、使用經(jīng)驗(yàn)最多的計(jì)算方法，它認(rèn)為在殼體上由于開孔而削弱的承載面積，應(yīng)當(dāng)由殼體、接管、兩者焊縫在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)除承載壓力之外多余的截面積來補(bǔ)償。這種以開孔中心截面上的投影面積來衡量補(bǔ)強(qiáng)的方法沒有考慮開孔處應(yīng)力集中和開孔系數(shù)的影響[1]，因此，在開孔直徑和殼體直徑比值較小時(shí)，等面積補(bǔ)強(qiáng)法既可靠又簡便，設(shè)計(jì)者使用較廣，但在開孔直徑和殼體直徑比值較大時(shí)，此方法就偏冒進(jìn)，不太可靠。

2) 壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法

當(dāng)開孔直徑超出了等面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍，孔周圍就會(huì)出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力，尤其是在薄壁容器中的大開孔。壓力面積法是以壓力載荷在殼體受壓面積上與有效補(bǔ)強(qiáng)范圍的殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)材料的承載壓力面積相平衡為基礎(chǔ)的。有效補(bǔ)強(qiáng)范圍就是孔邊高應(yīng)力存在范圍，即，以殼體在端部均布力作用時(shí)，殼體局部環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減范圍考慮。這種方法適用的開孔率可以達(dá)到0.8[4]。

目前，GB 150-2011《壓力容器》中對(duì)于開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)并沒有將壓力面積法作為設(shè)計(jì)依據(jù)，壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法作為大開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法出現(xiàn)在HG/T 20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》，但此行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目前也處于“無人監(jiān)管”狀態(tài)。針對(duì)超出等面積補(bǔ)強(qiáng)法適用范圍的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，設(shè)計(jì)者應(yīng)該采用應(yīng)力分析法。

3) 彈塑性失效補(bǔ)強(qiáng)法

此方法從應(yīng)力分類中的安定性概念出發(fā)，利用金屬的延展性和形變硬化性能，將峰值應(yīng)力限定在材料的2倍屈服極限[5]，則開孔邊緣并不會(huì)出現(xiàn)大面積塑性流動(dòng)，開孔周圍的不連續(xù)應(yīng)力和一次薄膜應(yīng)力疊加后小于3倍許用應(yīng)力來計(jì)算所需的殼體和接管加厚量。采用此方法必須選用整體補(bǔ)強(qiáng)元件，并于殼體全焊透，相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸要嚴(yán)格按照J(rèn)B 4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》圖10-2來執(zhí)行。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析

1) 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)

補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)是一種較為常見的補(bǔ)強(qiáng)方式，利用開補(bǔ)強(qiáng)板的厚度來增加開孔周邊容器殼體的補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)度。其結(jié)構(gòu)比較簡單，加工制造簡便，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到補(bǔ)強(qiáng)圈、接管、殼體三者焊接的合理結(jié)構(gòu)，便于制造[6]。

這種補(bǔ)強(qiáng)因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)圈沒有與接管和殼體形成整體，因此，抗疲勞性比較差，通常用于常溫和靜壓下的中低壓容器。

2) 厚壁管補(bǔ)強(qiáng)

厚壁管補(bǔ)強(qiáng)能使補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域集中于應(yīng)力集中區(qū)，比起補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。其結(jié)構(gòu)也較補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)簡單，不需要疊加焊縫。在使用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，超出補(bǔ)強(qiáng)范圍的接管部分可以利用減小壁厚到滿足承壓強(qiáng)度即可，這樣可以節(jié)省部分材料。

3) 整鍛件補(bǔ)強(qiáng)

采用整鍛件的補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，能夠有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)，鍛件強(qiáng)度優(yōu)于管材和板材，且整體鍛件和殼體焊接采用對(duì)接接頭，可以保證焊接的質(zhì)量，使熱影響區(qū)和焊縫離開應(yīng)力點(diǎn)的最大位置，抗疲勞性能比較好。常用于高溫、高壓、有毒有害介質(zhì)的容器。

使用整體鍛件，應(yīng)考慮到鍛件的加工周期較長、成本高等不利因素，以免耽誤設(shè)備的制造周期。

3 總結(jié)

壓力容器作為特種設(shè)備的一類，在設(shè)計(jì)過程中不單要滿足其使用性能，更要考慮到其安全性。壓力容器主要受壓元件的選材關(guān)系到其使用過程中的安全、平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟(jì)等性能。開孔補(bǔ)強(qiáng)作為壓力容器局部設(shè)計(jì)的重要部分，設(shè)計(jì)者要根據(jù)不同工況選擇合適的補(bǔ)強(qiáng)方法，來保證容器整體設(shè)計(jì)正確、可靠。

[1] 李穎.壓力容器開孔管選材及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)分析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2011(11):132，183.

[2] 王宏，陸焱洪，張青松，等.川東北高含硫氣田壓力容器設(shè)計(jì)[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2012(2):29.

[3] 高嘉楠.關(guān)于化工壓力容器設(shè)計(jì)相關(guān)問題的分析[J].山東工業(yè)技術(shù),2015(10):5.

[4] 陳燕.壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)分析及各種補(bǔ)強(qiáng)方法的比較[J].廣州化工，2012，40(1)：105.

[5] 丁伯民，黃正林.化工容器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012:192-193.

[6] 馬濤.壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析[J].學(xué)術(shù)爭鳴，2016(23):268.

《山西化工》歡迎刊登廣告

Materialselectionandreinforcementinchemicalpressurevesseldesign

LILiang

(ShouyangChemicalCo.,Ltd.,YangquanCoalGroup,ShouyangShanxi045400,China)

In the design process of pressure vessel, it is very important for the safe and smooth operation of pressure vessel to choose appropriate material and reinforcement design satisfying the strength. The material selection for main pressure parts of pressure vesselare introduced, technical points of opening reinforcement design are discussed, and targeted design recommendations are put forward.

material selection; reinforcement design; chemical pressure vessel

2017-03-06

李 亮，男，1988年出生，2011年畢業(yè)于湖南工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，助理工程師，從事化工設(shè)備管理工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.28

TQ052.4

A

1004-7050(2017)03-0084-03