淺談化工壓力容器設(shè)計(jì)選材問(wèn)題

周新房

（中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250101）

化工壓力容器的設(shè)計(jì)選材是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的內(nèi)容，對(duì)于設(shè)計(jì)工作者來(lái)講，務(wù)必強(qiáng)化技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的交流，并且真正地遵循應(yīng)有的設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)，從而提高設(shè)計(jì)水平。

1 化工壓力容器的選材原則和根據(jù)分析

（1）化工壓力容器選材的根據(jù)是：在相同的工程設(shè)計(jì)當(dāng)中使用統(tǒng)一性的材料；材料的來(lái)源和價(jià)格；材料的加工性能，像是冷熱加工成型性能以及可焊性能等；材料的耐腐蝕性能，像是腐蝕裕量、防腐蝕襯里、防腐蝕結(jié)構(gòu)、選材等；材料的力學(xué)特性；容器的應(yīng)用條件。

（2）基于性能上的思考，壓力容器用鋼，特別是承壓元件需要使用焊接性能好、成型性能好、高韌性、較大塑性?xún)?chǔ)備的鋼材料。

（3）基于經(jīng)濟(jì)上的思考，需要堅(jiān)持下面的原則：①倘若設(shè)計(jì)的普通碳素鋼壓力容器以強(qiáng)度作為主導(dǎo)，在等于或者是大于8mm板厚的時(shí)候，使用Q345R等較為普通的低合金鋼；②倘若裝置的設(shè)計(jì)以強(qiáng)度作為主導(dǎo)，那么需要結(jié)合介質(zhì)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力等的應(yīng)用限制，分別使用的鋼材料型號(hào)是Q235R、Q245R、Q235C，以及Q235—B，結(jié)合GB150.2—2011中4.1.13以及GB150.1～150.4《壓力容器》的相關(guān)要求；③倘若裝置的設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)與鋼度作為主導(dǎo)，那么使用普通的碳素鋼充當(dāng)受壓殼體；④而設(shè)計(jì)溫度超過(guò)500℃的耐熱用鋼或者是防鐵離子污染以及介質(zhì)腐蝕性比較強(qiáng)的時(shí)候，應(yīng)用不銹鋼是非常合適的；⑤在設(shè)計(jì)溫度超過(guò)250℃高壓高溫抗氫用鋼或者是設(shè)計(jì)溫度是350℃～550℃壓力容器耐熱鋼的時(shí)候，鉻鉬低合金鋼是非常適宜的。

2 化工壓力容器的設(shè)計(jì)分析

2.1 化工壓力容器的設(shè)計(jì)需要

化學(xué)、石油生產(chǎn)行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程十分得復(fù)雜化，在裝置生產(chǎn)工藝過(guò)程中任意的設(shè)施出現(xiàn)了事故，就會(huì)對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生影響，要么是中斷生產(chǎn)，要么是危害人身安全與損壞設(shè)施，為此，化工壓力容器的設(shè)計(jì)通常要求實(shí)現(xiàn)下面的一些需要：

第一，確保生產(chǎn)工藝的完成?；毫θ萜鲃?wù)必具備生產(chǎn)工藝所需要的結(jié)構(gòu)（密封、開(kāi)孔接管）與規(guī)格（容積、厚度、直徑），整體結(jié)構(gòu)能滿足工藝流程的性能要求，內(nèi)件結(jié)構(gòu)等要合理。

第二，經(jīng)濟(jì)性。壓力容器設(shè)計(jì)，應(yīng)可能地減少制造成本與維修費(fèi)用。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在有腐蝕環(huán)境下適當(dāng)使用襯里結(jié)構(gòu)，使用復(fù)合板作為主要受壓元件，節(jié)省貴重材料的使用等，將會(huì)使設(shè)計(jì)變得更加經(jīng)濟(jì)，從而使得壓力容器的制造費(fèi)用大大地減少。

第三，便于維修、操作、交裝、檢驗(yàn)，制造。這種需要的提出一是為了安全性，越是容易探傷與制造，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的裝置，就越容易保障它的質(zhì)量，即使面臨著這樣那樣的不足之處，也可以準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)，從而方便消除；二是為了實(shí)現(xiàn)一系列獨(dú)特的應(yīng)用需要，像是針對(duì)要求經(jīng)常裝拆頂蓋的壓力容器，應(yīng)當(dāng)盡可能地應(yīng)用快拆的密封構(gòu)造，防止笨重主螺栓連接的應(yīng)用；再比如，針對(duì)要求維修與清洗內(nèi)件的壓力容器，應(yīng)該設(shè)計(jì)一些手孔或者人孔，以便于操作。

第四，運(yùn)行穩(wěn)定安全。用于化工生產(chǎn)的物料常常有著較強(qiáng)的毒性、腐蝕性，會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的出現(xiàn)，要么是出現(xiàn)爆炸等事故，壓力容器儲(chǔ)存著相應(yīng)的能力，倘若出現(xiàn)破壞，那么在比較短的時(shí)間就會(huì)釋放容器里面的能量，會(huì)產(chǎn)生比較大的破壞性。

第五，預(yù)期的使用年限?；の锪蠒?huì)腐蝕殼體結(jié)構(gòu)，這是影響壓力容器使用年限的重要因素，并且它能夠減薄甚至是爛穿壓力容器壁，為此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，務(wù)必根據(jù)容器的工作環(huán)境和業(yè)主要求考慮厚度附加量，從而確保容器能夠達(dá)到預(yù)期的使用壽命。

2.2 化工壓力容器的設(shè)計(jì)方法

作為一種特殊的裝置，壓力容器跟人們的安全與實(shí)際生活緊密相關(guān)，這就需要使得它的設(shè)計(jì)以及制造跟我國(guó)規(guī)定的一些要求相符合。當(dāng)前，經(jīng)常使用的壓力容器設(shè)計(jì)方法一是根據(jù)要求實(shí)施設(shè)計(jì)的常規(guī)設(shè)計(jì)，二是根據(jù)應(yīng)力分析進(jìn)行設(shè)計(jì)的分析設(shè)計(jì)。針對(duì)這兩種不一樣的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)工作者需要一切從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合核算與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選用適合的設(shè)計(jì)方法。

當(dāng)前經(jīng)常應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法就是所謂的常規(guī)設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)方法非常簡(jiǎn)單，容易實(shí)施，跟經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相符合。彈性失效準(zhǔn)則是其理論基礎(chǔ)，提出了化工壓力容器中某個(gè)最大應(yīng)力點(diǎn)到達(dá)屈服極限進(jìn)入塑性，失去了純彈性狀態(tài)，也就是所謂的失效。在應(yīng)力分析方法的基礎(chǔ)上，常規(guī)設(shè)計(jì)的前提條件是板殼薄膜和材料力學(xué)理論的簡(jiǎn)單計(jì)算，僅僅兼顧單一性最大載荷，根據(jù)一次性施加的靜力載荷處理，不兼顧熱應(yīng)力、局部應(yīng)力、邊緣應(yīng)力，也不兼顧交變載荷牽涉到的容器疲勞壽命等情況。為了確保安全性，一般應(yīng)用比較高的安全系數(shù)，為此，任何種類(lèi)的應(yīng)力都實(shí)施相同的應(yīng)力值，從而對(duì)應(yīng)力分析的缺陷加以彌補(bǔ)。

除薄膜應(yīng)力之外，壓力容器也具有溫差應(yīng)力與局部應(yīng)力等等。在局部應(yīng)力到達(dá)材料屈服極限的時(shí)候，絕大部分的容器范圍依舊處在彈性的情況下，這個(gè)時(shí)候，業(yè)已屈服的局部范圍受到附件彈性區(qū)域的制約，它的變形量也不會(huì)增長(zhǎng)，為此，不能夠?qū)е聣毫θ萜鞯氖?。根?jù)這種情況，常規(guī)設(shè)計(jì)常常是不能夠發(fā)揮作用，在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的影響下，一系列功能的軟件不斷地推廣，因此分析設(shè)計(jì)這種壓力容器的設(shè)計(jì)方法得以出現(xiàn)，為了跟現(xiàn)代化壓力容器的發(fā)展相適應(yīng)，一定要通過(guò)新的失效觀點(diǎn)對(duì)這種問(wèn)題進(jìn)行解決。

分析設(shè)計(jì)使得傳統(tǒng)意義上的彈性失效準(zhǔn)則放棄，它的理論基礎(chǔ)是彈塑性失效準(zhǔn)則、塑性失效準(zhǔn)則，以及彈性應(yīng)力分析，對(duì)壓力容器的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算且給出控制與分類(lèi)，盡管這樣的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜和花費(fèi)比較多的時(shí)間，可是設(shè)計(jì)方法合理安全。在不斷增高的壓力容器參數(shù)的影響下，應(yīng)用高強(qiáng)鋼以及現(xiàn)代化的試驗(yàn)和計(jì)算技術(shù)，通過(guò)彈性失效的觀點(diǎn)解決了一系列的問(wèn)題，常規(guī)設(shè)計(jì)的結(jié)果比較保守，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)依舊存在比較大的承載潛力，可是分析設(shè)計(jì)不禁止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性范圍，有效地放松了對(duì)計(jì)算應(yīng)力太嚴(yán)格的要求，有效地提升了許用應(yīng)力的值，并且大大地保障了結(jié)構(gòu)的安全。

當(dāng)前形勢(shì)下，我國(guó)有關(guān)的分析設(shè)計(jì)規(guī)范和要求基礎(chǔ)是最大剪應(yīng)力理論，指明了不管材料處在怎樣的應(yīng)力情況下，只要最大剪應(yīng)力能夠?qū)崿F(xiàn)材料屈服最大剪應(yīng)力值，屈服破壞就會(huì)出現(xiàn)在材料上。其中，分析設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵是對(duì)壓力容器的一系列應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi)，分清楚主次，結(jié)合不相同的應(yīng)力對(duì)壓力容器安全的制約性要求不相同的安全系數(shù)，確保產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性以及安全性。分析設(shè)計(jì)方法的發(fā)展得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、板殼理論、彈塑性理論，以及數(shù)值分析方法的廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，化工壓力容器的選材和設(shè)計(jì)務(wù)必按照固有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，與此同時(shí)，設(shè)計(jì)工作者需要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)、任務(wù)的基礎(chǔ)上實(shí)施最為理想的設(shè)計(jì)方案，讓它實(shí)現(xiàn)確保穩(wěn)定性與安全性功能的要求，同時(shí)減少費(fèi)用。在設(shè)計(jì)壓力容器的時(shí)候，往往會(huì)由于對(duì)一部分有關(guān)壓力容器規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、要求、法規(guī)等理解不全面，從而做出錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)。為此，我們需要不斷地學(xué)習(xí)、總結(jié)、歸納和分析；同時(shí)，加強(qiáng)行業(yè)之間的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)交流，進(jìn)而更加熟知一系列的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。只有如此，才可以大大地減少錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)，持續(xù)地提高我們自身的業(yè)務(wù)技能。

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