化工壓力容器設(shè)計(jì)不安全因素分析

楊雷　陳清剛

摘 要 在化工生產(chǎn)中隨處可見壓力容器，在很多領(lǐng)域壓力容器的設(shè)備占有率非常大，保障著化工行業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。壓力容器設(shè)計(jì)過程中需要遵循設(shè)計(jì)要求、符合相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，由此才能保證壓力容器使用過程中的安全性和可靠性，提升化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文對化工壓力容器設(shè)計(jì)的不安全因素進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改善措施，以期能為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供借鑒，從而促進(jìn)化工壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。

關(guān)鍵詞 化工壓力容器 熱處理技術(shù) 容器設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）03-0100-03

在設(shè)計(jì)過程中對壓力容器的壓力和溫度進(jìn)行控制是最重要的內(nèi)容，需要根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范合理把控化工壓力容器的溫度以及壓力，才能把控壓力容器的質(zhì)量，讓其能夠在惡劣的環(huán)境中更加可靠和安全，所以必須要加強(qiáng)對壓力容器設(shè)計(jì)工作的研究，不斷提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，并根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，不斷明確設(shè)計(jì)中的不安全因素，并排除相關(guān)的隱患，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，才能讓壓力容器發(fā)揮其應(yīng)有的作用，推動(dòng)化工行業(yè)的長久穩(wěn)定發(fā)展。[1]

1 化工壓力容器的分類

化工壓力容器分類可以按照容器的承壓強(qiáng)度進(jìn)行分類，所以可分為超高壓型、高壓型、中壓型和低壓型這四類，也可以按照其中承載的物質(zhì)進(jìn)行分類，可分為有毒型、無毒型和劇毒型，對于分類和使用需求不同的壓力容器，在設(shè)計(jì)工作開展的過程中也是存在區(qū)別的，需要使用到不同的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，但是在設(shè)計(jì)過程中常常會(huì)產(chǎn)生一些問題，盡管對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了區(qū)分，同樣也會(huì)發(fā)生一些問題讓壓力容器無法正常使用，給化工企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，影響其生產(chǎn)效率。

2 壓力容器設(shè)計(jì)的概述

在規(guī)則設(shè)計(jì)方法當(dāng)中壓力容器的抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)在2.7左右，而如果應(yīng)用分析設(shè)計(jì)方法，那么壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)就會(huì)有所下降?；と萜髟谠O(shè)計(jì)之前一定要充分了解用戶對壓力容器的使用用途、應(yīng)用環(huán)境以及用戶對安全系數(shù)的要求，這樣才能保證壓力容器的性能和質(zhì)量符合使用要求，為化工企業(yè)的正常生產(chǎn)提供保障。

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，我國壓力容器的設(shè)計(jì)質(zhì)量也在增加，性能不斷優(yōu)化，降低了規(guī)范安全系數(shù)讓壓力容器變得更加方便，制造中使用更少的原材料，實(shí)現(xiàn)了綠色設(shè)計(jì)，為企業(yè)節(jié)約更多的成本提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)為了讓壓力容器的安全性更高，也對壓力容器的焊接方法做出調(diào)整，對焊接過程中使用的原材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，這樣有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。壓力容器在設(shè)計(jì)過程中，必須要注意其綠色設(shè)計(jì)以及節(jié)能減排效果，在能夠滿足壓力容器的使用需求時(shí)，盡量先使用尺寸比較小的零部件，不斷降低壓力容器制造的難度，這樣還能夠?qū)崿F(xiàn)材料的節(jié)約，并且更能夠符合當(dāng)前化工企業(yè)的發(fā)展要求，這就需要不斷對設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，確保壓力容器的質(zhì)量不斷提高。[2]

3 對容器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)

壓力容器設(shè)計(jì)是否合理不僅直接關(guān)系到壓力容器能否正常使用，還關(guān)系到壓力容器的生產(chǎn)成本以及其價(jià)值。工藝結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是息息相關(guān)的，要確保工藝條件的經(jīng)濟(jì)合理性才能更好地保證壓力容器的結(jié)構(gòu)是合理的，同時(shí)能夠滿足用戶的使用需求。化工容器的外形需要在工藝條件允許的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇科學(xué)的長徑比，同時(shí)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)系列直徑及采用標(biāo)準(zhǔn)封頭以及法蘭。設(shè)計(jì)中還要充分考慮在整體結(jié)構(gòu)在制造時(shí)的簡便性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝也一定要合理，且在制造完成之后能夠滿足檢驗(yàn)要求，運(yùn)輸起來也非常方便。設(shè)計(jì)時(shí)還要選取適宜的零部件，在滿足使用要求的同時(shí)又要注重其經(jīng)濟(jì)效益，比如說容器法蘭，如果可以使用平焊法蘭就能滿足設(shè)計(jì)的要求，就不需要選擇使用成本較高的長頸對焊法蘭，這樣既能保證容器制造的合理性，同時(shí)還降低了生產(chǎn)成本。[3]

3.2 補(bǔ)強(qiáng)接管的設(shè)計(jì)

壓力容器的接管與殼體連接處是壓力容器出現(xiàn)安全問題比較多的部位，在生產(chǎn)制造過程中經(jīng)常會(huì)在壓力容器上開孔，由于接管和殼體連接處的盈利比較復(fù)雜，所以其焊接的質(zhì)量很難保證，在使用過程中容易受到破壞。補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算過程中，盡量不要采用整體增加筒體厚度補(bǔ)強(qiáng)，而是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況使用其他的補(bǔ)強(qiáng)方法，確保壓力容器的輕便性，同時(shí)提高其經(jīng)濟(jì)效益。比如說可以采用補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)、厚壁管結(jié)構(gòu)等，不同的方式其成本也不同，一般設(shè)計(jì)中會(huì)首先考慮補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠湟话闱闆r下都能滿足設(shè)計(jì)要求且成本比較低，再就是厚壁管結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)。

3.3 技術(shù)要求的經(jīng)濟(jì)合理性

技術(shù)要求是壓力容器質(zhì)量的根本保證，這也直接關(guān)系到壓力容器在使用中的安全性。對壓力容器提出更高的技術(shù)要求，就會(huì)讓設(shè)計(jì)要求更高，成本也就變得更高，所以對于技術(shù)設(shè)計(jì)的每條要求都要進(jìn)行慎重考慮，比如說檢驗(yàn)、焊材選取、無損檢測等，其中無損檢測和熱處理是需要重點(diǎn)考慮的，因?yàn)闊o損檢測和熱處理的使用會(huì)大大提高制造成本，有些壓力容器在制造過程中本來是不需要進(jìn)行這兩項(xiàng)操作的，但是由于設(shè)計(jì)人員的誤判，導(dǎo)致最終需要進(jìn)行該二項(xiàng)操作，大大提高了壓力容器生產(chǎn)制造的成本，這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)謹(jǐn)慎考慮，綜合多方面因素之后再下定論。

4 壓力容器設(shè)計(jì)不安全因素分析

化工壓力容器的使用環(huán)境是相當(dāng)惡劣的，所以在設(shè)計(jì)要對其安全問題進(jìn)行充分的考慮，當(dāng)前很多化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中只注重成本但是忽略了壓力容器的質(zhì)量，這樣在生產(chǎn)過程中就會(huì)導(dǎo)致壓力容器的應(yīng)用極不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)安全事故，且由于材料質(zhì)量不佳，在承載腐蝕性、有毒有害介質(zhì)時(shí)會(huì)受到腐蝕，使用壽命非常低下，下述幾點(diǎn)是壓力容器設(shè)計(jì)中常見的不安全因素。

4.1 容器使用年限因素

壓力容器的年限問題需要設(shè)計(jì)人員格外重視，提高壓力容器的使用年限，能夠有效避免因?yàn)槌鍪褂媚晗拊斐傻陌踩珕栴}。但是企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，不注重壓力容器的壽命，很多壓力容器在達(dá)到使用年限后仍在繼續(xù)使用，其中的組件已經(jīng)出現(xiàn)各種各樣的問題，這樣會(huì)給生產(chǎn)過程帶來極大的安全隱患。超出使用年限之后壓力容器設(shè)備的工作效率和性能都會(huì)下降，再加上在日常生產(chǎn)時(shí)，只重視對于壓力容器的使用，就算深知壓力容器的年限問題，也不注重日常的維修和保養(yǎng)。很多企業(yè)只要壓力容器不出現(xiàn)安全事故，就不會(huì)進(jìn)行更換，更不會(huì)進(jìn)行檢修，認(rèn)為這樣能夠有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，但是一旦出現(xiàn)安全事故帶來的損失將是無法挽回的，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)給工作人員的生命安全造成威脅。

4.2 材料選擇不合理因素

材料的質(zhì)量和選擇合理性直接影響到化工壓力容器的質(zhì)量，在選擇材料時(shí)應(yīng)要確保材料能夠符合使用需求，且要保證材料應(yīng)用的合理性，還要考慮其經(jīng)濟(jì)因素，這樣不僅能保證壓力容器的質(zhì)量，還能保證化工企業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。在設(shè)計(jì)過程中要充分考慮用戶的使用環(huán)境、安全系數(shù)等因素，再進(jìn)行材料的選擇，保證壓力容器的材料能夠承受高溫、高壓且耐腐蝕，不要為了降低成本而壓縮材料的預(yù)算，應(yīng)該重視材料的質(zhì)量問題。[4]

4.3 熱處理技術(shù)問題

在壓力材料的設(shè)計(jì)雖然非常重視對容器的外殼和結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，但是忽略了對彎曲管道進(jìn)行熱處理，會(huì)導(dǎo)致彎曲管道的性能不佳，使用中安全性得不到保障。相關(guān)規(guī)范中規(guī)定需要對鋼板冷成型或者變形量超標(biāo)的鋼板進(jìn)行預(yù)處理，在使用過程中壓力容器的鋼板會(huì)由于受到介質(zhì)的腐蝕從而發(fā)生變形，這時(shí)就需要進(jìn)行熱處理保證其性能和形狀恢復(fù)，設(shè)計(jì)人員一般對這項(xiàng)工作非常重視，但是對于彎曲管道來說設(shè)計(jì)人員容易忽略，就會(huì)導(dǎo)致彎曲管道出現(xiàn)變形、性能下降等問題出現(xiàn)。[5]

4.4 壓力容器制造變形問題

壓力容器在制造時(shí)會(huì)經(jīng)過多道工藝，如在進(jìn)行壓力容器的冷加工和焊接工序時(shí)，就有可能導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)形變，其使用性能受到影響。焊接期間溫度非常高，也會(huì)使壓力容器的罐體出現(xiàn)形變。在使用過程中由于使用方法上存在問題，也有可能導(dǎo)致壓力容器變形，甚至是出現(xiàn)裂縫。在制造期間加工工藝或者一些人為因素也可能會(huì)導(dǎo)致壓力容器變形，所以壓力容器的變形問題在各個(gè)階段都需要重視。[6]

4.5 壓力容器焊接問題

焊接工藝也是壓力容器設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的一個(gè)問題，由于焊接工藝導(dǎo)致的壓力容器質(zhì)量問題層出不強(qiáng)，像未焊透、未熔合、咬邊等問題都是在焊接中需要特別重視的，也會(huì)給壓力容器的質(zhì)量造成很大的影響，導(dǎo)致壓力容器無法承壓，在使用時(shí)存在很大的安全隱患。

5 壓力容器設(shè)計(jì)的有效措施

5.1 使用年限設(shè)計(jì)

壓力容器設(shè)計(jì)過程中，需要對壓力容器的使用年限進(jìn)行確定，使用年限需要綜合考慮壓力容器的制造材料、壓力容器的使用環(huán)境以及壓力容器中的介質(zhì)等，然后確定一個(gè)明確的使用年限，確保壓力容器在使用過程中的安全性，降低安全事故發(fā)生的概率。設(shè)計(jì)人員需要對壓力容器的使用過程進(jìn)行模擬，其中需要考慮到一些不確定的因素，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全方面的分析和優(yōu)化?；て髽I(yè)在使用化工壓力容器時(shí)，一定要重視其使用年限，并且注重對壓力容器的維修和保護(hù)，嚴(yán)格參照設(shè)計(jì)圖紙上標(biāo)注的可能對使用年限造成影響的因素進(jìn)行整改，超出使用年限的壓力容器一定要及時(shí)進(jìn)行更換。

5.2 重視設(shè)計(jì)材料應(yīng)用的合理性和質(zhì)量

設(shè)計(jì)過程中一定要重視材料選擇的合理性以及對材料質(zhì)量的控制，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要綜合多方面因素考慮之后選擇適宜的材料，并且對材料的名稱、型號(hào)等進(jìn)行標(biāo)注。設(shè)計(jì)人員一定要結(jié)合用戶的實(shí)際要求進(jìn)行材料的選擇，并且確保材料的質(zhì)量能夠符合要求，讓制造過程更加的順利，確保設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性以及合理性。有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)需要變更設(shè)計(jì)的情況，這就需要根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際需求重新進(jìn)行材料的選擇。當(dāng)前壓力容器設(shè)計(jì)過程中選用多層包扎式氨合成塔筒體材料比較多，該材料具有成本低廉、使用效果好的優(yōu)勢。

5.3 熱處理技術(shù)問題

設(shè)計(jì)過程中一定要重視熱處理技術(shù)的應(yīng)用，合理考慮熱處理技術(shù)應(yīng)用的地方。如果該使用熱處理技術(shù)的部分沒有使用，可能會(huì)導(dǎo)致其安全性降低，使用性能達(dá)不到要求。但是如果在不需要的地方使用了熱處理技術(shù)，就會(huì)導(dǎo)致制造成本的大大提高。如果壓力容器的鋁合金板和碳素鋼板的成型器件沒有接受熱處理就會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，無法滿足使用需求。對于熱處理技術(shù)中容易忽略的彎曲管道，需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員提起重視，確保不會(huì)出現(xiàn)壓力容器不穩(wěn)定的情況，讓壓力容器的安全性和可靠性得到有效的保障。[7]

5.4 制作形變問題的處理

由于每個(gè)過程的操作不當(dāng)都有可能造成壓力容器的形變，所以在各項(xiàng)技術(shù)使用、制造和應(yīng)用過程中，要注意形變問題給壓力容器質(zhì)量造成的影響，減少壓力容器的形變情況。

5.5 對焊接過程進(jìn)行控制

焊接過程中的高溫很容易造成壓力容器出現(xiàn)形變，所以需要對焊接工作進(jìn)行設(shè)計(jì)。焊接工藝進(jìn)行時(shí)，首先要進(jìn)行整體的定位組裝，對所有零件的組裝過程進(jìn)行模擬，之后再進(jìn)行焊接。且在焊接過程中為了保證壓力容器受力均勻，需要對函接受縮量的數(shù)值進(jìn)行控制。焊接過程中非常容易導(dǎo)致壓力容器的形變，反向預(yù)變形可以很好地避免這一問題。如果壓力容器還是出現(xiàn)了變形，就需要使用熱處理技術(shù)對壓力容器的變形位置進(jìn)行處理。一般溫度過高就會(huì)出現(xiàn)焊接內(nèi)應(yīng)力，此時(shí)設(shè)計(jì)人員還需考慮是否需要在焊接之前進(jìn)行熱處理，讓區(qū)域能夠達(dá)到焊接溫度并且減少形變。焊接是制造過程中的重要工藝，所以設(shè)計(jì)人員一定要對其進(jìn)行妥善的考慮和設(shè)計(jì)，保證壓力容器的質(zhì)量，避免在焊接過程中出現(xiàn)形變。

6 結(jié)語

綜上所述，壓力容器的質(zhì)量對于化工企業(yè)生產(chǎn)的安全性意義重大，當(dāng)前化工行業(yè)中很多領(lǐng)域都用到了壓力容器，這也對壓力容器的設(shè)計(jì)工作提出了更高的要求。設(shè)計(jì)人員一定要嚴(yán)格對其中容易出現(xiàn)的不安全因素進(jìn)行把關(guān)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)圖紙，加大對于壓力容器設(shè)計(jì)的研究力度，為化工企業(yè)的生產(chǎn)安全性提供有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張平.化工壓力容器設(shè)計(jì)及不安全因素分析[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2020，02（05）：70-71.

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[5] 盧麗霞.化工壓力容器設(shè)計(jì)及不安全因素分析[J].中國機(jī)械，2019（17）：149，151.

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