化工壓力容器的選材及補強設計

洪佳新

化工壓力容器的選材及補強設計

洪佳新

（肇慶市惠喜機械制造有限公司，廣東肇慶 526200）

在化工壓力容器設計過程中，材料的選擇和補強設計非常重要。采用高性能的材料和高技術的補強設計能夠保證化工壓力容器有良好的質(zhì)量。介紹了化工壓力容器在材料選擇中的主要方法，探討了補強設計的技術設計要領，分析了應力變化的原因并有針對性的提出相應的核算設計建議，根據(jù)不同溫度條件下材料的變化，和結(jié)果分析選用材料組成成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，希望具有借鑒意義。

化工壓力容易；選材；補強設計；探析

在化工操作中，化工壓力容器整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用，在對筒體材料的選擇上，必須按照相應的標準操作。實際過程中，設計及制造單位容易對化工壓力容器的壓力標準存在理解錯誤，因此必須針對其試用過程中存在的問題采用材料替換并進行補強設計，來完成對化工壓力容器的維護工作。

1　針對主體材料的選用

1.1如何選用壓力容器設計主體材料

壓力容器主體材料能夠決定壓力容器的安全，在壓力容器設計中，必須嚴格按照相關規(guī)程選用材料，重視介質(zhì)特征對材料的影響。在選材中要考慮溫度、工作介質(zhì)、設計壓力及壽命的影響。例如，在硫濃度環(huán)境中不能采用低合金鋼，而要采用碳素鋼，充分利用氧化膜的保護特點，并考慮到氯離子過多或者高溫氫腐蝕中選材的禁忌，重視壽命、易燃易爆程度和毒性程度對選材的影響。壓力容器主體材料選用不但要考慮容器壓力、溫度，還要考慮介質(zhì)特性是否會影響到材料腐蝕等化學性能。另外，采用符合物理化學性質(zhì)的新型代用材料能夠減少投入成本。

1.2如何選用壓力容器補強材料

補強材料要求強度較低，考慮補墻面面積及焊接存在的負面反應。厚壁接管不僅可以直接鍛煉加工，還可以采用無縫鋼管。如果補強所需壁厚較薄且設計壓力較小，可以采用無縫接管。反之，則可以采用鍛件加工制造。補強圈、筒體、厚壁接管材料最好強度相同，才能保證經(jīng)濟性，總之要考慮到材料強度、焊接情況及經(jīng)濟性等多種因素。

2　壓力容器補強設計的方法和影響

補強設計方法是壓力容器結(jié)構(gòu)設計的重點，而接管開口處設計在整個設計中最難，因此在補強設計中需要注意。首先，對接管補強結(jié)構(gòu)尺寸精確設計。其次，重視接管結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力。再次，對接管開孔焊接結(jié)構(gòu)面積著重控制防止偏差。最后，分別處理各種補強結(jié)構(gòu)設計。3種補強方式之中，整體加厚殼體補強通過增加筒體或封頭壁厚，從而降低開孔應力，如果筒體排孔或封頭開設較多可以應用這種方式。補強圈補強雖然效果不佳，之后應力集中系數(shù)大，但是制造方便，結(jié)構(gòu)簡單。因為其較低的抗疲勞性，所以常在常溫、靜壓的低壓容器中應用。整鍛件補強，其補強效果好，但是制作困難，成本較高，所以在重要設備中應用。補強圈厚度按照設計要求和壓力容器結(jié)構(gòu)特點確定，根據(jù)與殼體厚度的大小關系可分為3種情況，如果殼體和補強圈厚度相等，選擇狀態(tài)最佳。它能充分利用材料從而減少浪費，并且能方便備料。如果筒體直徑低于300mm，補強圈若符合補強面積，厚度可以低于筒體。有時補強圈設計中補強面積達不到補強效果，可以采用3種方式，即增加筒體厚度、增加補強圈或者接管的厚度、增加補強圈寬度或者開孔處局部筒體厚度。

3　針對壓力容器選材設計的具體分析

3.1壓力容器設計選材和壁厚變化影響因素

某化工企業(yè)需要設計一臺壓力容器，要求以丙烷液化石油氣作為介質(zhì)，用常溫設計溫度，二類容器。因為制造單位該鋼材材料庫存等問題，申請設計單位用抗拉強度更高的某鋼材替代。然而制造單位沒有對相關標準加以理解，導致了材料代用后，容器的類別出現(xiàn)了變化。除此之外，焊接工藝、材料等都發(fā)生變化，不再不接原來的設計風格。當存在壓力容器設計材料代用情況，不能一味采用更高強度鋼材代用。因為，高合金鋼強度比碳素鋼和低合金鋼好，但是它冷加工和焊接性能相對較差。鋼制壓力容器設計雖然看似重視材料的強度，其實鋼材的韌性度和塑性最重要。另外，將厚度較高的鋼材代替厚度低的鋼材也不行，因為只增加厚度難以從根本上對容器殼體受力問題進行解決。

3.2壓力容器溫度變化影響

某企業(yè)需要設計制造壓力容器，溫度是470℃。要采用16MnR來對15CrMoR進行替代。查閱設計手冊后得到的相關強度如表1所示。替換后的鋼材在350℃內(nèi)強度指標都比替換前的鋼材要高，如果溫度高于425℃，那么前者強度指標就會高于后者。因此在一定溫度條件下不能隨意代替。如果在425℃條件下長時間使用碳錳鋼和碳素鋼，應該考慮到碳化物會的石墨化傾向。因為兩種鋼在高溫下，鋼中滲碳逐漸分解，從而讓16MnR鋼內(nèi)的珠光體逐漸消失，導致材料塑性和強度降低，沖擊值也顯著下降，從而給生產(chǎn)帶來加大的危險。

表1　多種溫度下兩種材料的應力

4　結(jié)束語

化工壓力容器在設計和制造過程中容易因為壓力標準理解失誤導致壓力容器出現(xiàn)材料代用問題，材料選擇和補強設計都應該考慮到對壓力容器的安全運行加以維護。不能一味的以厚代薄或者以優(yōu)代劣，防止對材料和壓力容器的性能帶來影響，從而增加危險的發(fā)生概率。

［1］ 柳秀梅，袁興海.化工壓力容器選材與補強設計分析［J］.化工管理，2015，（3）：113.

［2］ 李穎.壓力容器開孔管選材及補強設計分析［J］.中國石油和化工標準與質(zhì)量，2011，31（11）：132；183.

Pressure Vessels for Chemical Analysis of Material Selection and Reinforcement Design

Hong Jia-xin

In the chemical industry pressure vessel design process for the selection and design of reinforcement material is very important.High-performance reinforcement materials and high-tech design to ensure chemical pressure likely to have good quality. Chemical analysis of the pressure vessel in the main method of material selection，discussed the reinforcement design of technical design essentials，analyzes the causes of stress and targeted design recommendations propose appropriate accounting impact conditions and results for the material at different temperatures analysis of selected material composition，structure and properties of factors，hoping to be learned.

chemical pressure vessel；selection Reinforcement Design；Analysis

TH49

B

1003-6490（2016）06-0043-02

2016-06-15

洪佳新（1974—），男，廣東豐順人，助理工程師，主要從事化工設備、壓力容器設計工作。