探討解決壓力容器的設(shè)計(jì)中質(zhì)量問(wèn)題

徐州工業(yè)鍋爐有限公司 221116

摘要：隨著社會(huì)的和諧發(fā)展，壓力容器應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)階層，壓力容器廣泛用于在一定壓力、溫度的條件下對(duì)一定的物質(zhì)進(jìn)行處理的特種設(shè)備，本文就其設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計(jì)質(zhì)量；設(shè)計(jì)方法

1壓力容器的造價(jià)

壓力容器的造價(jià)一般取決于設(shè)備的材質(zhì)及設(shè)備的總質(zhì)量。在設(shè)備總質(zhì)量中殼體的質(zhì)量占有比較大的比例，特別是內(nèi)容積比較大的儲(chǔ)罐，其殼體質(zhì)量在設(shè)備總質(zhì)量中所占比例可達(dá)80%～90%。在保證使用要求的情況下，在選材時(shí)，選擇價(jià)格比較低的材料代替一些價(jià)格比較高的材料，可以降低設(shè)備的材料成本和制造成本；另外，合理地選擇壓力容器的結(jié)構(gòu)尺寸，也可降低殼體的質(zhì)量，進(jìn)而降低整臺(tái)設(shè)備的費(fèi)用支出，從而達(dá)到降低設(shè)備造價(jià)的目的，最終達(dá)到設(shè)備的設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又合理。

2結(jié)構(gòu)與材料

在滿足壓力容器使用條件下，選擇不同的殼體尺寸，可以得到不同的設(shè)備質(zhì)量，從中選擇最佳的結(jié)構(gòu)尺寸組合，可使設(shè)備質(zhì)量最小，從而降低設(shè)備造價(jià)。

同時(shí)，如果壓力容器的設(shè)計(jì)溫度不大于-20℃，還需考慮是否處于低溫低應(yīng)力工況。若處于低溫低應(yīng)力工況，且其設(shè)計(jì)溫度加50℃后高于-20℃，則其設(shè)計(jì)時(shí)，不必遵循低溫壓力容器的規(guī)定，所以選材時(shí)，不必選取價(jià)格比較昂貴的低溫用鋼，從而降低了設(shè)備造價(jià)，以取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

3開孔補(bǔ)強(qiáng)

在使用SW6程序進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，選擇接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度時(shí)常出現(xiàn)3個(gè)問(wèn)題（容器接管局部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）：將包括管法蘭高度的長(zhǎng)度H值作為實(shí)際外伸長(zhǎng)度；將厚壁管的外伸總長(zhǎng)度h2作為實(shí)際外伸長(zhǎng)度；輸入厚壁管的實(shí)際總長(zhǎng)度為（h2+δn），即接管實(shí)際外伸總長(zhǎng)與殼體厚度之和。

圖1容器接管局部結(jié)構(gòu)

接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度應(yīng)為能等效提供補(bǔ)強(qiáng)面積的那部分接管的長(zhǎng)度，而不是包括密封功能的法蘭高度，也不能計(jì)入接管與法蘭連接處的直邊部分和削薄部分以及殼體厚度部分的長(zhǎng)度。輸入了錯(cuò)誤的接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度，會(huì)造成表面上計(jì)算強(qiáng)度足夠，而實(shí)際上補(bǔ)強(qiáng)面積不夠，帶來(lái)難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤結(jié)果和安全隱患。

當(dāng)使用SW6程序進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，簡(jiǎn)單又保守的取值辦法是輸入h1值，只要正確地輸入接管有效外伸長(zhǎng)度即可滿足補(bǔ)強(qiáng)面積要求，h1值的量取見(jiàn)圖1。

4非標(biāo)準(zhǔn)法蘭設(shè)計(jì)

JB/T4700～4707-2000《壓力容器法蘭》標(biāo)準(zhǔn)適用于公稱壓力PN≤6.4MPa，相應(yīng)公稱直徑DN≤800mm；HG/T20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》標(biāo)準(zhǔn)中大直徑管法蘭適用公稱壓力PN≤16MPa，相應(yīng)公稱直徑DN≤2000mm。然而，在實(shí)際中經(jīng)常遇到設(shè)備直徑或設(shè)計(jì)壓力超出上述范圍的法蘭，這就需要設(shè)計(jì)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸，并通過(guò)計(jì)算滿足強(qiáng)度要求。選用SW6軟件計(jì)算法蘭時(shí)往往出現(xiàn)法蘭強(qiáng)度計(jì)算通過(guò)了，但實(shí)際制造、安裝時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理，甚至無(wú)法滿足使用要求。

比如：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中忽視了重要尺寸LA、Le、L的調(diào)整，SW6軟件計(jì)算中LA、Le、L值不合理，程序并不提示螺母放不下，螺栓間距過(guò)小，扳手操作空間不足，難以上緊螺栓，螺栓間距過(guò)大，法蘭容易產(chǎn)生微變形，嚴(yán)重地影響法蘭密封性能。因此非標(biāo)準(zhǔn)法蘭計(jì)算時(shí)必須要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定法蘭的LA、Le、L尺寸，保證扳手操作空間；高壓容器用螺栓較大，公稱直徑DN≥64mm時(shí)，應(yīng)根據(jù)HG/T21573-95標(biāo)準(zhǔn)考慮液壓拉伸器的空間，以保證上緊螺栓。

（2）法蘭計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮腐蝕裕量，即法蘭內(nèi)徑輸入值應(yīng)為法蘭實(shí)際內(nèi)徑加2倍的腐蝕裕量，大端、小端厚度應(yīng)分別減腐蝕裕量。

（3）法蘭（實(shí)際結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2）直邊段長(zhǎng)度不小于1.5δ。

（4）由于碳鋼、低合金鋼鍛件的許用應(yīng)力一般較同種材料的板材許用應(yīng)力低，故法蘭小端厚度應(yīng)比與法蘭連接的筒體、封頭（板材）厚2～3mm。

圖2法蘭的實(shí)際結(jié)構(gòu)

5壓容器螺栓的設(shè)計(jì)

高壓螺栓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是無(wú)螺紋部分的直徑尺寸小于螺栓螺紋部分的根徑尺寸，而SW6計(jì)算程序里給出的是螺栓螺紋部分的根徑尺寸較大，如M64×4的高壓螺栓，程序里給出的螺栓根徑是Φ59.67，而實(shí)際高壓螺栓無(wú)螺紋部分的直徑尺寸（光桿部分）是Φ56.00；M80×4的高壓螺栓，程序里給出的螺栓根徑是Φ75.67，而實(shí)際高壓螺栓無(wú)螺紋部分的直徑尺寸（光桿部分）是Φ72.00。

該尺寸的錯(cuò)誤輸入，會(huì)造成計(jì)算中螺栓實(shí)際面積大于所需螺栓面積的假象，誤導(dǎo)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為螺栓面積合格，而實(shí)際螺栓面積并不一定合格。鑒于上述情況，設(shè)計(jì)者在作高壓螺栓計(jì)算時(shí)應(yīng)正確輸入螺栓根徑尺寸，即人為用手輸入，更改程序中原有尺寸。

故用SW6程序計(jì)算高壓螺栓時(shí)，設(shè)計(jì)者不應(yīng)完全依靠軟件，而應(yīng)根據(jù)HG/T21573.2-95標(biāo)準(zhǔn)查得實(shí)際的無(wú)螺紋部分的最小直徑輸入程序中，以得到真實(shí)的實(shí)際螺栓面積。

6水壓試驗(yàn)壓力取值的問(wèn)題

水壓試驗(yàn)壓力PT=1.25P[σ][/σ]t，[σ][/σ]t應(yīng)取各受壓元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等）材料中比值最小者。高壓設(shè)備一般操作溫度較高，各元件材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力較常溫下低，另外有些零件不能同設(shè)備一起計(jì)算，只能單獨(dú)用零件計(jì)算程序算，如人孔法蘭、人孔法蘭蓋及其螺栓的計(jì)算。用SW6程序進(jìn)行設(shè)備計(jì)算得出的水壓試驗(yàn)壓力沒(méi)有考慮到人孔法蘭、人孔法蘭蓋及其螺栓材料的[σ][/σ]t比值，故需設(shè)計(jì)者自己手算校核水壓試驗(yàn)壓力值是否正確。

7許用應(yīng)力跳檔的問(wèn)題

高壓容器的筒體、封頭較厚，封頭的成型存在減薄量。筒體采用熱成型時(shí)也存在減薄量，有的設(shè)計(jì)者在作筒體或封頭設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮到減薄量。在制造時(shí)加成型減薄量，有時(shí)會(huì)存在板料厚度增加，材料許用應(yīng)力反而降低，造成設(shè)計(jì)厚度不足的問(wèn)題，故設(shè)計(jì)者要注意厚板許用應(yīng)力跳檔的問(wèn)題。

處理辦法：用SW6程序計(jì)算時(shí)把成型減薄量加在腐蝕裕量里進(jìn)行計(jì)算，即，輸入C2=腐蝕裕量+成形減薄量。這樣計(jì)算既不影響筒體、封頭的有效厚度和筒體耐壓試驗(yàn)的校核，也不影響后序的接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

8結(jié)論

總而言之，壓力容器的設(shè)計(jì)是一門技術(shù)性很強(qiáng)的工作，要求設(shè)計(jì)人員必須非常熟悉SW6程序計(jì)算，正確判斷設(shè)計(jì)輸出的結(jié)果是否正確，以及結(jié)構(gòu)是否合理，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí)，壓力容器的設(shè)計(jì)必須遵循有現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)設(shè)計(jì)者應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)要求的前提下提出最佳的設(shè)計(jì)，使其滿足功能需要，安全可靠，節(jié)約成本。

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