壓力容器設(shè)計(jì)中的問題及設(shè)計(jì)優(yōu)化策略研究

王仲舉

摘要：改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)取得了驚人的成績(jī)，特別是在工業(yè)方面發(fā)展速度極快。其中壓力容器設(shè)計(jì)同樣也在這最近的幾十年里取得了巨大的成績(jī)。不過由于壓力容器設(shè)計(jì)涉及到的層面非常多，我國在這方面的研究起步也相對(duì)較晚，所以至今在設(shè)計(jì)方面依然存在著一定缺陷。本文研究重點(diǎn)則是通過對(duì)設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出解決這些缺陷的主要措施。

關(guān)鍵詞：壓力容器;設(shè)計(jì);優(yōu)化策略

壓力容器在工業(yè)制造領(lǐng)域?qū)儆诜浅ｊP(guān)鍵性的零部件，特別是在石油化工領(lǐng)域更是如此。然而我國研究起步較晚，在設(shè)計(jì)方面還存在著一定的問題。加強(qiáng)設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化，對(duì)于提升壓力容器的安全和質(zhì)量水平將具有非常重要的作用。

1.壓力容器設(shè)計(jì)的基本要求

1.1?工藝要求

壓力容器涉及到的工藝要求非常嚴(yán)格，比如壁厚、容積以及直徑大小。使用溫度需求、密封圈結(jié)構(gòu)和開口孔設(shè)計(jì)等同樣具有嚴(yán)格要求，滿足石油化工領(lǐng)域的相關(guān)規(guī)范。

1.2?使用壽命的保障

壓力容器的使用環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，會(huì)受到不同物質(zhì)的腐蝕或者侵蝕，另外壓力容器本身的制造材料也會(huì)因?yàn)檠趸霈F(xiàn)老化問題。對(duì)此設(shè)計(jì)人員往往要通過更加嚴(yán)格的設(shè)計(jì)提升壓力容器的安全系數(shù)，從而達(dá)到提升壓力容器生命周期的目的。

1.3?確保使用安全

一般來說，壓力容器中所存放的物質(zhì)都具有一定的腐蝕性或者侵蝕性，而且還具有易燃性，如果使用不當(dāng)就極容易引起火災(zāi)。隨著存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)于壓力容器的侵蝕效果就會(huì)越加明顯，同時(shí)能量也會(huì)不斷聚集，一旦壓力容器質(zhì)量不好，就出現(xiàn)能量的劇烈釋放，從而容易形成巨大的破壞力和摧毀力。

1.4?提升使用便利性

壓力容器設(shè)計(jì)工藝要求很高，但是在使用要求方面卻需要壓力容器具有良好的便利性。那么為了達(dá)到這個(gè)便利性要求，就需要降低壓力容器使用的危險(xiǎn)系數(shù)，提升壓力容器的安全屬性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，不僅能夠提升制造和質(zhì)檢的便利性，同時(shí)也有助于提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量，對(duì)于降低使用成本，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)還具有一定的效果。

2.壓力容器設(shè)計(jì)主要問題分析

2.1?經(jīng)濟(jì)性問題

材料對(duì)壓力容器的質(zhì)量和性能以及安全性會(huì)產(chǎn)生最為直接的影響。選擇制造壓力容器的材料需要綜合考慮溫度、壓力、材料自身的焊接屬性以及不同溫度環(huán)境下的加工性能等。還需要考慮材料的經(jīng)濟(jì)性。材料以及材料質(zhì)量所占?jí)毫θ萜鞯目傮w成本的比例最大。容積較大的容器，壓力容器的殼體質(zhì)量基本上總設(shè)備質(zhì)量的8成至9成。壓力容器的材料選擇就需要遵循價(jià)格和性能的綜合性，另外可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝，盡可能的減少高性能高價(jià)格材料的使用，從而達(dá)到降低成本的目的。

2.2?材料許用應(yīng)力跳檔

由于壓力容器對(duì)于壓力要求較高，因此封頭部位厚度相對(duì)較厚。對(duì)此就需要在成形時(shí)通過減薄量來進(jìn)行優(yōu)化。而且壓力容器的筒體部位在成型時(shí)也會(huì)產(chǎn)生減薄量，對(duì)此一些設(shè)計(jì)人員往往考慮的不夠全面，沒有在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮這些筒體和封頭的減薄量，而是在生產(chǎn)制造時(shí)引入成形減薄量，導(dǎo)致整個(gè)板料的厚度偏厚，那么相應(yīng)的許用應(yīng)力就會(huì)降低。為了解決這個(gè)問題，就需要設(shè)計(jì)人員在容器設(shè)計(jì)時(shí)，注重厚板類材料的許用應(yīng)力跳檔等問題。

2.3?非標(biāo)法蘭的設(shè)計(jì)問題

目前頒布的《壓力容器法蘭》主要的適用范圍為公稱壓力≤6.4MPA，且對(duì)應(yīng)的公稱直徑要大于等于800mm。另外國家頒布的《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于較大直徑的法拉公稱壓力和公稱直徑也有著明確的要求?？墒沁@些標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際執(zhí)行過程中往往會(huì)超出上述標(biāo)準(zhǔn)，從而影響到壓力容器的性能。對(duì)此就需要在設(shè)計(jì)法蘭時(shí)，要對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，從而滿足強(qiáng)度需求。

3.壓力容器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1?選用好材料

材料性能高低對(duì)于壓力容器的性能產(chǎn)生最為直接的影響，所以通過對(duì)材料的優(yōu)選，選擇能夠滿足承壓、溫度以及焊接性能等要求的設(shè)備材料，與此同時(shí)還需要通過良好的設(shè)計(jì)來提升這些材料的經(jīng)濟(jì)性以及安全性。

3.2?區(qū)別對(duì)待

在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，必須要針對(duì)具體的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)。應(yīng)力不同其失效模式也會(huì)不一致。而且就算是一個(gè)應(yīng)力，那么不同的部位也會(huì)產(chǎn)生不同的失效效果。壓力容器涉及到的負(fù)荷眾多，比如容器的內(nèi)部和外部的壓力、自重以及溫度差形成的盈利等。這些不同的應(yīng)力一般體現(xiàn)為三種，第一種是初次應(yīng)力;第二種就是二次應(yīng)力;第三種就是融合力初次應(yīng)力和二次應(yīng)力的綜合應(yīng)力。對(duì)此在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，需要結(jié)合不同的應(yīng)力模式來進(jìn)行區(qū)分設(shè)計(jì)，從而提升壓力容器的安全和質(zhì)量。

3.3?優(yōu)先強(qiáng)度屬性

如果壓力容器需要承受力高，且體積大，壁厚，在這種要求性就不能夠采用Q245R等傳統(tǒng)碳素鋼材料。這會(huì)導(dǎo)致壁厚增加，影響體積。因此需要選擇一些低合金鋼等新型材料。如果壓力容器對(duì)壓力需求不高，而且本身壁厚不厚，此時(shí)就可以采用Q245R等傳統(tǒng)碳素鋼，這能夠有效降低成本。區(qū)別材料的選擇條件往往以壁厚為8毫米為界。

3.4?設(shè)計(jì)要注重細(xì)節(jié)

熱處理工藝主要是在加工容器組件的過程中使用，需要采用熱成型或者冷成型時(shí)就需要通過熱處理進(jìn)行應(yīng)力處理。對(duì)此需要對(duì)設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝編排，從而依次進(jìn)行加工。但是由于涉及到的元部件較多，往往會(huì)對(duì)封頭以及接管部位的熱處理欠考慮，導(dǎo)致容器設(shè)計(jì)出現(xiàn)短板，最終影響到設(shè)備的安全性和使用壽命，所以在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)細(xì)節(jié)優(yōu)化才能夠規(guī)避這些問題。

總之壓力容器設(shè)備對(duì)制造工藝要求極高，而且自身性能要求特殊，應(yīng)用環(huán)境也相對(duì)特殊，所以設(shè)計(jì)人員需要遵循安全和質(zhì)量第一的原則進(jìn)行。只有這樣才能夠保障壓力容器的安全和質(zhì)量，確保人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)不受損失。

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