＊李彬楠

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

引言

化工行業(yè)中，壓力容器需要在一定壓力作用下，對(duì)流體介質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)存，通常以密閉狀態(tài)存在，為化工產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)建了良好的條件。企業(yè)若想創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)收益，保證安全生產(chǎn)，在實(shí)際工作中要把握好安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)系。故此，化工企業(yè)壓力容器在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該充分考慮到各種不良因素與外界環(huán)境的影響，綜合考量可能出現(xiàn)的種種突發(fā)情況與嚴(yán)重后果，保證該設(shè)備的實(shí)用價(jià)值，各項(xiàng)流程符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，壓力容器要加強(qiáng)維修與管理，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的壓力容器，技術(shù)工作部門(mén)應(yīng)該從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)入手，科學(xué)設(shè)計(jì)化工壓力容器的密閉性、運(yùn)動(dòng)能力，為促進(jìn)化工行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1.化工設(shè)備中壓力容器設(shè)計(jì)的基本原理

化工設(shè)備壓力容器設(shè)計(jì)程序復(fù)雜，需要注意多項(xiàng)事宜，首先，技術(shù)部門(mén)要以最大化主應(yīng)力基本強(qiáng)度理論作為依據(jù)，遵循彈性失效的原則。當(dāng)一個(gè)壓力容器在某個(gè)應(yīng)力條件下處于屈服狀態(tài)或材料發(fā)生了塑性流動(dòng)時(shí)，它就不能再保持原來(lái)的彈性基態(tài)，而是處于破壞的狀態(tài)。在應(yīng)力方法中，采用常規(guī)性設(shè)計(jì)，綜合考慮單一的最大載荷工況，一次施加靜載，忽略交變載荷，區(qū)分短期、永久載荷和疲勞壽命，采用簡(jiǎn)化材料力學(xué)公式、板殼理論中的無(wú)矩理論公式。壓力容器所有的應(yīng)力采用統(tǒng)一許用應(yīng)力值，為了提高其安全性能，可以選擇安全系數(shù)較高的應(yīng)力值，從而有效地解決了應(yīng)力點(diǎn)分析中存在的不足問(wèn)題[1]。

面對(duì)新形勢(shì)，壓力容器參數(shù)隨著外界因素影響產(chǎn)生新變化?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)介入后，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的彈性失效基本原則無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的需求。常規(guī)式設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)需求，對(duì)于這一問(wèn)題應(yīng)與新的失敗理念相結(jié)合進(jìn)行處理。采用解析式設(shè)計(jì)，以最大剪切應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，以彈性應(yīng)力分析及塑性破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，進(jìn)行試驗(yàn)研究。在實(shí)際分析中需要綜合考量各種載荷條件的組合問(wèn)題，突破過(guò)去應(yīng)力計(jì)算工作的局限性，提升應(yīng)力值。在保證壓力容器穩(wěn)定性和安全性能的情況下，開(kāi)展相關(guān)工作，在破壞準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，合理應(yīng)用各種基本原則，增加彈性破壞、彈塑性破壞、爆炸破壞準(zhǔn)則等，確保化工設(shè)備的安全穩(wěn)定。

2.化工設(shè)備壓力容器規(guī)范設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

(1)合理選擇材料

由于化學(xué)工業(yè)的特殊性質(zhì)，在實(shí)際操作過(guò)程中，若與化學(xué)工業(yè)的劣質(zhì)產(chǎn)品相接觸，很容易發(fā)生腐蝕、易燃、易爆等事故，甚至?xí)a(chǎn)生有毒物質(zhì)。如果沒(méi)有得到及時(shí)處理，很有可能引起火災(zāi)和爆炸，或者毒氣泄露，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。因此，有關(guān)部門(mén)應(yīng)對(duì)化學(xué)裝置中壓力容器的設(shè)計(jì)給予足夠的重視，明確規(guī)定和要求。通常情況下，化工企業(yè)可以應(yīng)用不同類型的材料，滿足設(shè)計(jì)要求，避免由于材料的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)壓力容器的品質(zhì)有很大的影響。在化工企業(yè)中，可以選擇最優(yōu)的材料和施工工藝，確保不同的施工流程順利推進(jìn)[2]。

由于不同的設(shè)備材料在使用性能、防腐性能等方面存在著不同的要求，在應(yīng)用這類材料時(shí)極易影響容器的質(zhì)量。為此，技術(shù)人員應(yīng)該提前明確不同材料的性能與屬性，確定好功能價(jià)值，以確保所設(shè)計(jì)的容器材質(zhì)達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)實(shí)現(xiàn)壓力容器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化

在選擇壓力容器結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)以簡(jiǎn)單易行為原則。由于壓力容器的質(zhì)量相對(duì)較輕，為了節(jié)約設(shè)計(jì)材料，減少制作成本和保養(yǎng)費(fèi)用，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該做到如下幾點(diǎn)：

一是在選擇鋼材時(shí)側(cè)重鋼種的型號(hào)，注重分析鋼材壓力與溫度。對(duì)不同的材料和介質(zhì)的特點(diǎn)進(jìn)行全面考慮，對(duì)焊接時(shí)的接頭強(qiáng)度和生產(chǎn)成本等有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，避免盲目地進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)。若壓強(qiáng)太大，則不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這是因?yàn)?，如果壓?qiáng)太大，就會(huì)造成壓力容器的尺寸變得太大，從而加大了它本身的重量，對(duì)最終的實(shí)際運(yùn)輸生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成了影響，從而造成了成本的上升，嚴(yán)重?fù)p害企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

二是設(shè)計(jì)密閉組織結(jié)構(gòu)。對(duì)于某些有部分頂蓋需要拆除的壓力容器，在實(shí)踐中可采用快拆式密封組織結(jié)構(gòu)，從而避免采用大主螺栓連接。對(duì)于某些需要進(jìn)行清潔和電梯維修的壓力容器來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以選擇最好的位置來(lái)進(jìn)行人孔和手孔的處理，這樣不僅可以節(jié)省材料，還可以縮短清理的時(shí)間，還可以降低壓力容器的維修和生產(chǎn)成本，如圖1所示。

圖1 壓力容器規(guī)范涉及關(guān)鍵技術(shù)

(3)壓力容器設(shè)計(jì)中其他注意事項(xiàng)

①開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的有效設(shè)計(jì)

在低形式下的壓力值中，壓力容器在設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)模式時(shí)，可以運(yùn)用補(bǔ)墻圈方式，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、使用經(jīng)驗(yàn)豐富、適用范圍廣泛，且可采用與外殼厚度等效的補(bǔ)強(qiáng)環(huán)，方便外殼卷板部位余料加工補(bǔ)強(qiáng)環(huán)[4]。

在某些中、高壓情況下，進(jìn)行壓力容器的加固設(shè)計(jì)時(shí)，由于后壁接管的補(bǔ)強(qiáng)方式相對(duì)較好，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊縫較少，極易檢測(cè)出焊接質(zhì)量，補(bǔ)墻效果良好，可以降低設(shè)計(jì)應(yīng)力的管理系數(shù)。在開(kāi)展補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)該明確接管厚度合理計(jì)算，及時(shí)改善接管端部處的內(nèi)壁位置。通常情況下，采取倒角處理，減少倒圓角補(bǔ)墻面積，避免出現(xiàn)實(shí)際補(bǔ)缺面積小于所需補(bǔ)墻面積的情況。

②采用氣密性測(cè)試對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)

壓力容器比較重要的一個(gè)功能就是氣密性，如果沒(méi)有足夠的氣密性，將會(huì)出現(xiàn)泄露的情況，無(wú)法確保壓力容器設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)阻礙化工企業(yè)的安全生產(chǎn)問(wèn)題。對(duì)于一些不可微量泄漏的危險(xiǎn)介質(zhì)來(lái)說(shuō)，化工技術(shù)人員應(yīng)該結(jié)合具體的內(nèi)容和要求開(kāi)展氣密性試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作，確保配件安裝的安全性與完整性。對(duì)超壓釋放裝置的壓力進(jìn)行科學(xué)控制，并對(duì)最高容許壓力下的壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[5]。

3.分析壓力容器規(guī)范設(shè)置中幾種常見(jiàn)技術(shù)

(1)儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)技術(shù)

在壓力容器設(shè)備設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)氣罐作為關(guān)鍵的零購(gòu)件之一，這一部分的設(shè)計(jì)需要選擇高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的材料，技術(shù)人員在選擇鋼材時(shí)應(yīng)該保證強(qiáng)度較高，充分滿足儲(chǔ)氣罐的抗壓許可要求。另外，還應(yīng)該事先明確儲(chǔ)氣罐的實(shí)際使用需求，例如，在常溫儲(chǔ)氣設(shè)備的儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員要按照需求與具體溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合周圍環(huán)境對(duì)于溫度的不利影響，調(diào)整好后期的參數(shù)細(xì)節(jié)。

(2)科學(xué)設(shè)計(jì)管法蘭壓力等級(jí)

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，要把握管法蘭的壓力等級(jí)，包括對(duì)耐壓測(cè)試壓力、溫度等不利因素的影響。從一個(gè)角度來(lái)講，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)不同的溫度、環(huán)境，來(lái)測(cè)試管法蘭在不同情況下的最大工作壓力值，尤其是在一些溫度參數(shù)比較高的環(huán)境下，要明確管法蘭壓力等級(jí)的臨界點(diǎn)，從而提升壓力容器的整體工作能力。

如果忽視了溫度額定值，就會(huì)對(duì)管法蘭的壓力等級(jí)造成影響，很難有效地滿足化工設(shè)備壓力容器的工作要求，可能存在安全隱患，在以后的使用過(guò)程中，可能會(huì)引起各種安全事故等。

另一方面，技術(shù)員應(yīng)正確地進(jìn)行設(shè)備的水力測(cè)試。對(duì)管道法蘭耐壓水平的試驗(yàn)，規(guī)定了水壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，并在試驗(yàn)期間對(duì)裝置的水壓力進(jìn)行了控制。

(3)設(shè)計(jì)分氣缸

在設(shè)計(jì)分氣缸的環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員要明確壓力容器中分氣缸的出汽口與近汽口距離，通過(guò)對(duì)間距參數(shù)的合理控制，確保了分缸的工作穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)具體的工藝參數(shù)，確定出汽口與近汽口的距離，并嚴(yán)格控制環(huán)焊縫與分氣缸開(kāi)口的距離，避免在焊接周邊部位出現(xiàn)開(kāi)口，降低局部應(yīng)力的影響度，確保分氣缸的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖2所示[6]。

圖2 壓力容器分氣缸

4.化工設(shè)備壓力容器規(guī)范設(shè)計(jì)的發(fā)展前景

(1)設(shè)計(jì)技術(shù)持續(xù)更新?lián)Q代

經(jīng)濟(jì)技術(shù)不斷發(fā)展，化工設(shè)備壓力容器的設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷引進(jìn)新方式方法，比如一些學(xué)者通過(guò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等相應(yīng)的分析軟件得出管殼式換熱器管板公式。經(jīng)過(guò)大量的研究數(shù)據(jù)結(jié)果表明，學(xué)者研究出的公式充分符合結(jié)構(gòu)受力的實(shí)際情況，同時(shí)所提出的理論知識(shí)內(nèi)容也相對(duì)完善健全。與過(guò)去的傳統(tǒng)計(jì)算公式相比，當(dāng)前我國(guó)學(xué)者總結(jié)出的計(jì)算公式更便捷，普適性更強(qiáng)，可以切實(shí)提升壓力容器的安全性能與科學(xué)性能，降低設(shè)計(jì)厚度與直徑，減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)費(fèi)用，提高產(chǎn)品的安全性能，推動(dòng)化工裝置壓力容器的發(fā)展。

可以說(shuō)，我國(guó)在研究壓力容器設(shè)計(jì)公式時(shí)占據(jù)許多的優(yōu)勢(shì)：一方面，交換熱器作為多種元件構(gòu)成的彈性體系，可以采取應(yīng)用力學(xué)理論進(jìn)行科學(xué)分析，并且對(duì)于一些軟件在現(xiàn)實(shí)工作中不斷實(shí)驗(yàn)，充分考慮管板實(shí)際應(yīng)用和荷載情況。另一方面，在計(jì)算量板削弱系數(shù)時(shí)，管板單元包含邊界為六角形的孔板，同時(shí)包括管孔的圓柱殼，以及接連二者的圓環(huán)等，進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展。

(2)運(yùn)用材料選擇多元化

壓力容器需要應(yīng)用在越來(lái)越復(fù)雜的環(huán)境，因此在制作時(shí)需要不斷更新技術(shù)和材料。比如，當(dāng)前納米材料作為生產(chǎn)壓力容器最為歡迎、最為先進(jìn)的一種微觀材料，其本身具有有韌性好、耐熱度、高質(zhì)地、輕薄的特征，是一種新興技術(shù)材料。在制作壓力容器中，具有重要的功能作用。經(jīng)過(guò)最新的研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前壓力容器生產(chǎn)中正在研究一種新型智能材料，可以自動(dòng)對(duì)列焊縫、磨損等部位進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，并且可以在一段時(shí)間以后應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)工作當(dāng)中。

5.結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，助推了化工行業(yè)的迅速進(jìn)步。壓力容器是化工行業(yè)的重要設(shè)備，為化工生產(chǎn)提供保障，是擺在化工企業(yè)面前的重點(diǎn)難題?；て髽I(yè)應(yīng)該加強(qiáng)壓力容器的設(shè)計(jì)，遵循制度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此，必須對(duì)壓力容器進(jìn)行全面改進(jìn)，以確保其在化工生產(chǎn)中的穩(wěn)定運(yùn)行。在對(duì)化工設(shè)備壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)應(yīng)用材料和應(yīng)用結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面考慮，以保證其操作能力，提高其質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)、分氣缸、儲(chǔ)氣罐、氣密性測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，以確保其安全運(yùn)行，推動(dòng)其標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。