探析壓力容器的安全設(shè)計及運行控制

江帆

【摘 要】鑒于壓力容器設(shè)備具有易發(fā)生爆炸或泄漏、造成人身傷害、環(huán)境污染、設(shè)備建筑物毀壞事故的危險性，因此從壓力容器的安全設(shè)計、安全管理等方面，制定有效的預(yù)防和控制措施，確保壓力容器的安全運行和系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；安全設(shè)計；安全管理

1.壓力容器安全設(shè)計

壓力容器的設(shè)計是否安全可靠，主要取決于設(shè)計過程的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和容器壁厚確定是否合理。另外還要考慮適應(yīng)生產(chǎn)能力，保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性、密封性，以及制造、運行、安裝、檢修的方便性和總體設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性。

壓力容器的安全設(shè)計主要包括以下三個方面：

（1）合理選用材料。合理選用材料，是保證壓力容器安全運行的一個重要措施，如果材料選擇不當(dāng)，即使具有較大的強(qiáng)度裕度，也可能在運行中發(fā)生破壞事故。選擇壓力容器用鋼材，不僅要從操作條件和使用環(huán)境方面來考慮，即要求材料對工作介質(zhì)、壓力、溫度、載荷特性等操作條件和氣溫、濕度等使用環(huán)境具有必需的適應(yīng)能力；還要從壓力容器的制造方面來考慮，即要求所選用的材料容易加工成形，在工藝加工過程中不易產(chǎn)生缺陷。因此，在壓力容器的選材上，應(yīng)充分考慮材料的力學(xué)性能（強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度）、物理性能、耐腐蝕性、制造工藝性能（可焊性、可鍛性、切削加工性以及研磨性、沖壓性、熱處理性等）。壓力容器選材的一般原則是：在保證塑性指標(biāo)和其它性能指標(biāo)的要求下，盡量選用強(qiáng)度指標(biāo)較高的材料。

（2）選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。在壓力容器的破壞事故中，有相當(dāng)一部分是由于結(jié)構(gòu)不合理引起的，結(jié)構(gòu)不合理，往往使得壓力容器在制造和使用過程中容易產(chǎn)生缺陷。因此首先要求結(jié)構(gòu)便于制造，以利于保證制造質(zhì)量和避免、減少制造缺陷；其次是要求結(jié)構(gòu)便于無損檢驗，使制造和使用中產(chǎn)生的缺陷能及時、準(zhǔn)確地檢查出來；第三是結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮盡量降低局部附加應(yīng)力和應(yīng)力集中。

（3）滿足強(qiáng)度的要求。為保證壓力容器安全運行，其承壓部件必須具有足夠的強(qiáng)度，即具有適當(dāng)?shù)谋诤褚缘挚雇饧虞d荷的作用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中除了結(jié)構(gòu)特殊、使用條件復(fù)雜或特別重要的壓力容器需要以應(yīng)力分析進(jìn)行設(shè)計外，一般的是以薄膜應(yīng)力來確定所需的壁厚。至于壓力容器結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的附加應(yīng)力和應(yīng)力集中，則從結(jié)構(gòu)形式或尺寸上加以限制。

壓力容器的結(jié)構(gòu)比較簡單，基本上都是由筒體、封頭、接管、法蘭、支座等零部件組成。壓力的機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該遵循以下基本原則：

①結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)該平滑過渡。受壓器件在幾何結(jié)構(gòu)突變和不連續(xù)過渡區(qū)域會產(chǎn)生較高的不連續(xù)應(yīng)力，并可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，致使壓力容器的疲勞破壞，因此應(yīng)該避免這種情況的出現(xiàn)。

②引起應(yīng)力集中或削弱強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)應(yīng)相互錯開，避免高應(yīng)力的疊加。

③避免采用剛性過大的焊接結(jié)構(gòu)。剛性大的焊接結(jié)構(gòu)不僅使焊接構(gòu)件因施焊時的膨脹和收縮受到約束而產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，而且使殼體在操作條件波動時的變形受到約束而產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力。

④受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。受熱部件的熱膨脹如果受到外部或自身的限制，在部件內(nèi)部就會產(chǎn)生熱效應(yīng)。

壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要應(yīng)包括容器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計（焊縫結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計、容器各部位開孔設(shè)計等），應(yīng)符合以下技術(shù)要求：

①各受壓部件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，并裝有可靠的安全保護(hù)設(shè)施，防止超壓。

②受壓元件、部件結(jié)構(gòu)的形式、開孔和焊縫的布置應(yīng)盡量避免或減小復(fù)合應(yīng)力和集中應(yīng)力。

③承重結(jié)構(gòu)在承受設(shè)計荷載時應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及防腐蝕性。

④容器的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)便于安裝、檢修和清洗。

用常規(guī)的方法進(jìn)行壓力容器設(shè)計時，總是把各種有關(guān)參數(shù)，如材料的強(qiáng)度指標(biāo)，零部件的尺寸，所造成的荷載看成是確定量，忽略了由于各種條件的變化而使這些參數(shù)發(fā)生變化的隨機(jī)因素，因而所設(shè)計的壓力容器及零部件結(jié)構(gòu)尺寸就不能準(zhǔn)確適應(yīng)實際工作的要求。此外，由于對設(shè)計參數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律缺乏了解，在確定材料系數(shù)時，為了“保險”起見，總是取值偏大，使所設(shè)計的壓力容器及零部件的結(jié)構(gòu)尺寸偏大，引起不必要的浪費。運用可靠性設(shè)計，是在設(shè)計中，考慮到各種隨機(jī)因素的影響，將全部或部分設(shè)計參數(shù)作為隨即變量處理，對其進(jìn)行統(tǒng)計并建立統(tǒng)計模型，運用概率統(tǒng)計方法進(jìn)行計算，能夠全面的描述設(shè)計對象。所得的結(jié)果更符合實際情況。壓力容器的可靠性設(shè)計可以分為兩個方面進(jìn)行：第一，根據(jù)事先給定的可靠度要求，計算壓力容器及零部件的有關(guān)尺寸或應(yīng)力；第二，根據(jù)已有的容器或零部件校核其可靠性。

2.壓力容器的制造管理

為了確保壓力容器的安全使用，制造過程應(yīng)嚴(yán)格控制制造工藝質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。如焊工考核、材料可焊性鑒定、焊接工藝評定、材料標(biāo)記及標(biāo)記移植材料、復(fù)驗、零部件冷熱加工成型、焊接試板、筒節(jié)施焊、焊縫外觀及無損檢測、焊接返修、容器組裝、容器整體或局部熱處理、強(qiáng)度試驗、氣密性試驗、包裝等工作質(zhì)量及產(chǎn)品質(zhì)量控制等。

3.壓力容器的安全運行

壓力容器的安全運行管理的目的是為了達(dá)到正常，滿負(fù)荷開車，生產(chǎn)合格產(chǎn)品，是壓力容器的工藝參數(shù)、生產(chǎn)負(fù)荷、操作周期、檢修、安全等方面具有良好的技術(shù)性能，促使壓力容器處于最佳工作狀態(tài)。壓力容器的運行首先要求其安全可靠，合理使用和嚴(yán)格管理是提高壓力容器的安全可靠性，保證其安全運行的重要條件。

壓力容器的安全使用包括正確的操作，維護(hù)保養(yǎng)和定期檢修等方面。在具體的操作過程中，應(yīng)做到以下幾點：

①平穩(wěn)操作：在操作過程中盡量保持壓力容器的操作條件（如工作壓力和工作溫度）相對穩(wěn)定。

②防止過載：防止壓力容器過載主要是防止超壓。

③發(fā)現(xiàn)故障，立即停車：壓力容器在運行過程中如果發(fā)生故障，嚴(yán)重威脅設(shè)備及人身安全時，操作人員應(yīng)該馬上采取緊急措施，停止容器運行，并報告上級主管部門。

④制定合理的安全操作規(guī)程：為保證壓力容器的安全運行，切實避免盲目或誤操作引起事故，容器使用單位應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝需求和容器的技術(shù)性能制定各種容器的安全操作規(guī)程，并對操作人員進(jìn)行教育培訓(xùn)。

⑤嚴(yán)格實行崗位責(zé)任制。

4.壓力容器的定期檢驗

壓力容器在運行和使用過程中，要受到反復(fù)升壓、卸壓等疲勞荷載的影響，又經(jīng)常受到外部環(huán)境的影響，還要受到有腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，或在高溫深冷等工藝條件下工作，其力學(xué)性能會隨之發(fā)生變化，容器制造過程中的小缺陷也會隨之?dāng)U展增大，對壓力容器進(jìn)行定期的全面地技術(shù)檢驗，是及早發(fā)現(xiàn)容器存在的缺陷，消除隱患，從而保證壓力容器安全運行，避免發(fā)生事故的一項行之有效的措施。

壓力容器的定期檢驗的主要檢驗項目應(yīng)包括：材質(zhì)檢驗（材質(zhì)不符、材質(zhì)劣化）、結(jié)構(gòu)檢驗、缺陷檢驗。檢驗的方法主要有：宏觀檢查、測厚檢查、壁溫檢查、腐蝕介質(zhì)含量測定、表面探傷、射線探傷、超聲波探傷、硬度測定、金相檢驗、應(yīng)力測定、聲發(fā)射檢測、耐壓試驗、氣密性試驗、強(qiáng)度校核、化學(xué)分析、光譜分析。

壓力容器經(jīng)過定期檢驗以后，應(yīng)根據(jù)檢驗結(jié)果對其安全狀況進(jìn)行評定，并以安全等級形式反映出來。對安全等級級別較低的、缺陷嚴(yán)重、難于或無法修復(fù)的壓力容器設(shè)備應(yīng)堅決予以報廢。

【參考文獻(xiàn)】

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