張佳駿

摘要：壓力容器作為工業(yè)生產(chǎn)制造中的重要設(shè)備，同時也是特種設(shè)備的一類，其在設(shè)計過程中涉及的內(nèi)容較多，而且壓力容器使用環(huán)境十分復(fù)雜，這也就需要在具體設(shè)計時注意材料的選擇，并嚴(yán)格要求以提高壓力容器的安全系數(shù)，有效保障壓力容器使用效果。本文簡單分析了壓力容器的設(shè)計方法，并探討了壓力容器設(shè)計存在問題及相關(guān)對策。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計；問題；對策

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中，壓力容器設(shè)計是非常重要的一個環(huán)節(jié)。壓力容器相對比較特殊，若有設(shè)計問題，便會滋生各種嚴(yán)重的爆炸事故，對群眾的生命安全帶來巨大的威脅。所以，有關(guān)部門或是企業(yè)應(yīng)當(dāng)對壓力容器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改善容器品質(zhì)和相關(guān)性能。在壓力容器設(shè)計時，需要針對不同的部位來選擇最適宜的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)型式、焊接方法，確保壓力容器質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)。壓力容器設(shè)計過程中涉及的層面較多，這也使整個設(shè)計過程中更具復(fù)雜性，因此在具體設(shè)計過程中，要對工業(yè)生產(chǎn)中的各項質(zhì)量要求認(rèn)真分析，從而制定出科學(xué)的設(shè)計方案，對材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、焊接技術(shù)等方面內(nèi)容進(jìn)行明確，確保壓力容器設(shè)計的質(zhì)量，為壓力容器使用過程中的安全奠定良好的基礎(chǔ)。

1壓力容器設(shè)計方法

1.1常規(guī)設(shè)計

常規(guī)設(shè)計原理是彈性失效準(zhǔn)則，容器內(nèi)某一最大應(yīng)力點達(dá)到屈服極限，進(jìn)入塑性，喪失純彈性狀態(tài)即為失效。在應(yīng)力分析方法上，是以材料力學(xué)及板殼薄膜理論的簡化計算為基礎(chǔ)，不考慮邊緣應(yīng)力、局部應(yīng)力以及熱應(yīng)力等，也不考慮交變載荷引起的疲勞問題。所有類型的應(yīng)力均應(yīng)采用同一的許用應(yīng)力值，例如1倍許用應(yīng)力；為了保證安全，通常采用較高的安全系數(shù)，以彌補應(yīng)力分析的不足。

1.2分析設(shè)計

為了適應(yīng)現(xiàn)代壓力容器的發(fā)展，分析設(shè)計放棄了傳統(tǒng)的彈性失效準(zhǔn)則，采用了彈塑性或塑性失效準(zhǔn)則，合理地放松了對計算應(yīng)力的過嚴(yán)限制，適當(dāng)?shù)靥岣吡嗽S用應(yīng)力值，但又嚴(yán)格地保證了結(jié)構(gòu)的安全性。我國的分析設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)為《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，是以第三強度理論即最大剪應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大剪應(yīng)力達(dá)到材料屈服時的最大剪應(yīng)力值，材料就發(fā)生屈服破壞。

2壓力容器設(shè)計存在問題

2.1材料選擇問題

壓力容器所使用的材料對其質(zhì)量、性能和安全性都具有直接的影響。在實際設(shè)計時，設(shè)計人員往往對材料涉及的相關(guān)因素考慮不全面，這必然會影響設(shè)計的質(zhì)量，也不利于壓力容器使用的安全性。另外，壓力容器材料選擇時還要考慮其經(jīng)濟(jì)性，但在具體設(shè)計時，設(shè)計人員往往更注意性能，而對經(jīng)濟(jì)性考慮有所欠缺。

2.2法蘭設(shè)計問題

在當(dāng)前壓力容器設(shè)計工作中，法蘭設(shè)計環(huán)節(jié)所存在的問題是比較突出和明顯的，尤其是尺寸和強度方面，經(jīng)常出現(xiàn)不滿足實際設(shè)計需求現(xiàn)象，降低了壓力容器設(shè)計的安全系數(shù)，在使用過程中存在較大的安全隱患。造成這種問題的根本原因，是在進(jìn)行法蘭設(shè)計時，出現(xiàn)較大計算誤差，導(dǎo)致法蘭設(shè)計匹配度角度，其尺寸和強度都不合理。

2.3使用壽命問題

一般對任何一個產(chǎn)品的壽命均有要求，特別是像對壓力容器這類特種設(shè)備的使用壽命有著更高的要求，壽命太短會直接增加生產(chǎn)成本，一般對容器壽命的規(guī)定中，在初步設(shè)計時，將有關(guān)單位標(biāo)明好，并標(biāo)注預(yù)計使用的年限，而對于使用過的器具同樣要做好標(biāo)注，這一點往往很容易遭到忽視。

2.4溫度處理問題

在壓力容器設(shè)計過程中，需要根據(jù)各種不同材質(zhì)拼合后選擇適當(dāng)?shù)臅r間給予適當(dāng)?shù)臏囟?，確保各種金屬成本性能都能達(dá)到最佳狀態(tài)，這才能有效保證設(shè)計的質(zhì)量。但在實際設(shè)計過程中，對于鑄造和冷卻環(huán)節(jié)的溫度調(diào)試較為忽視，盡管不會對整體效果帶來不利影響，但一些細(xì)節(jié)部位如接口和底座等還會存在一些安全隱患。

3壓力容器設(shè)計對策

3.1合理選擇材料

在壓力容器設(shè)計時，需要對壓力容器材料的溫度、壓力、材料焊接屬性及不同溫度下的加工性能等多方面進(jìn)行綜合考慮，同時，設(shè)計人員還要通過對設(shè)計工藝優(yōu)化來有效地降低材料成本。在設(shè)計壓力容器時，主體受壓元件必須根據(jù)介質(zhì)特點和工作條件選出合適的鋼材種類，進(jìn)而確定用材牌號。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)計溫度和壓力下能滿足容器的強度要求。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)計時，要限制材料中C、S、P、Ni等元素的含量，優(yōu)先選用Q245R等碳素鋼材。

3.2準(zhǔn)確計算法蘭值

法蘭設(shè)計是壓力容器設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計效果會直接影響到整體設(shè)計質(zhì)量，加強對法蘭設(shè)計的控制，對提高壓力容器設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量意義重大。國際上較為通行的壓力容器法蘭設(shè)計方法為Waters法。法蘭的應(yīng)力由三部分組成：法蘭力矩產(chǎn)生的應(yīng)力；由壓力直接作用于法蘭本體（包括法蘭環(huán)、錐頸和直邊段三部分）上引起的軸向和環(huán)向應(yīng)力（法蘭環(huán)上可忽略）；由組成法蘭的三個部分間由于壓力作用下變形協(xié)調(diào)引起的邊界力產(chǎn)生的應(yīng)力。在實際操作過程中，應(yīng)對壓力容器法蘭設(shè)計進(jìn)行準(zhǔn)確計算，從法蘭結(jié)構(gòu)連接方式、受力特性、所用材料性能等幾方面進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)壓力容器設(shè)計及使用要求，得到較為精準(zhǔn)的法蘭設(shè)計參數(shù)，包括法蘭設(shè)計尺寸、強度、厚度等，確保法蘭設(shè)計的科學(xué)性及合理性，以提高壓力容器設(shè)計的安全系數(shù)。

3.3增長使用壽命

設(shè)計人員應(yīng)提高對壓力容器使用壽命問題的重視力度，明確其具體壽命數(shù)值，在生產(chǎn)制造時應(yīng)以此作為標(biāo)準(zhǔn)，保證壓力容器質(zhì)量及性能的良好性，另外，壓力容器的維護(hù)與更新也需要參照該壽命數(shù)值進(jìn)行。對于設(shè)備使用年限的考慮，一般采用預(yù)計使用年限的做法，對使用年限做到一個把控，將影響設(shè)備使用年限的因素考慮在內(nèi)，比如哪一種優(yōu)質(zhì)材料能有效延長壓力容器的使用壽命，比較同一材質(zhì)下，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計壓力容器底部是否會更加堅固，計算公式為：容器底部受到的壓強P=P1+P2=ρ液gh+mg/S，并且不一樣的設(shè)計方案對容器的質(zhì)量也具有一定的影響，設(shè)計者要給予足夠的重視。

3.4科學(xué)控制設(shè)計溫度

壓力容器設(shè)計涉及到的一個重要技術(shù)就是熱處理技術(shù)，主要包括加熱、保溫和冷卻三個程序。這其中溫度調(diào)試是一個難點問題，也直接關(guān)系到壓力容器的質(zhì)量。在進(jìn)行熱處理時，主要是在冷成型、溫成型的壓力容器元件方面，設(shè)計人員在開展設(shè)計時，要對設(shè)備開展的主題做到心里有數(shù)，重視細(xì)節(jié)設(shè)計問題。在對壓力容器進(jìn)行熱處理時，應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程和操作方式，在設(shè)計圖紙中清楚、詳細(xì)的標(biāo)注出來，并嚴(yán)格圖紙標(biāo)注內(nèi)容進(jìn)行，提高熱處理的規(guī)范化和程序化程度，實現(xiàn)更加理想的熱處理效果。此外，還應(yīng)該做好包括封頭、殼體、接管等各個部件的熱處理工藝，嚴(yán)格把控每一個部件的熱處理工藝，提升整體設(shè)計效果。

結(jié)束語

總而言之，壓力容器的設(shè)計必須遵循行業(yè)設(shè)計規(guī)范，設(shè)計人員務(wù)必認(rèn)真研究壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)以及法規(guī)的技術(shù)及管理規(guī)定，不斷提高解決壓力容器設(shè)計問題的能力，在滿足設(shè)計任務(wù)目標(biāo)要求的前提下提出最佳的設(shè)計方案，使其滿足功能需要的同時實現(xiàn)安全可靠、節(jié)約成本的效果，確保壓力容器的使用質(zhì)量，提高相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)效益。

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