強化化工壓力容器選材和補強設(shè)計的策略

摘 要：文章主要討論壓力容器選材和補強設(shè)計的基本思路，并針對不同的應(yīng)力變化提供合適的建議。文章在對化工壓力容器材料對不同溫度的影響因素及分析的基礎(chǔ)上，論述了選材過程中需要考慮的地方，并結(jié)合其性能和組成結(jié)構(gòu)進行論述。

關(guān)鍵詞：化工壓力容器；選材；補強設(shè)計

化工壓力容器設(shè)計中最重要的一部分就是容器材料的選擇與補強設(shè)計，材料性能的好壞和補強設(shè)計的技術(shù)對化工壓力容器的質(zhì)量會產(chǎn)生很大的影響。一般情況下，如果化工壓力容器材料選擇或補強設(shè)計出現(xiàn)問題，將給后續(xù)的生產(chǎn)帶來一系列問題。材料的選擇對容器的質(zhì)量有著很大影響，另外因化工壓力容器的用途各不相同，有著各式各樣的開口，這就使容器的結(jié)構(gòu)連續(xù)性發(fā)生改變，因此化工材料需要進行補強設(shè)計。

1 化工壓力容器主體材料的選用

1.1 化工壓力容器主體設(shè)計時的材料選用方法原則

化工壓力容器整體材料的選用類型非常重要，選用類型影響到壓力容器的安全運行質(zhì)量。在材料替換與壓力容器設(shè)計的過程中，技術(shù)人員必須嚴(yán)格參照GB150與《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相關(guān)條例，此外，技術(shù)人員還應(yīng)參考化工機械基質(zhì)材料的特征、材料使用壽命、壓力容器材料、設(shè)計壓力、工作環(huán)境溫度等因素。硫濃度大的工作環(huán)境中禁止使用低合金鋼，在充斥毒性、易燃易爆等具有腐蝕性與破壞性的工作環(huán)境中，技術(shù)人員需要進行材料的表面處理工作。

化工壓力容器一旦發(fā)生事故，會造成十分嚴(yán)重的后果。因此，設(shè)計單位必須有化工壓力容器設(shè)計單位批準(zhǔn)證書，單位應(yīng)建立健全的化工壓力容器設(shè)計體系，工作人員才能參照具體要求設(shè)計規(guī)范的圖紙。同時，單位還應(yīng)考慮到制造技術(shù)條件、試驗、參數(shù)選擇、檢驗要求等因素。設(shè)計資格證缺乏的單位無法保障化工壓力容器的質(zhì)量。單位必須對設(shè)計人員的技術(shù)進行考核，壓力容器的設(shè)計人員必須定期接受培訓(xùn)。學(xué)習(xí)壓力容器的新理念、新知識、新法律法規(guī)。另外，安全監(jiān)察機構(gòu)必須對工作認真負責(zé)，嚴(yán)格審批化工壓力容器的設(shè)計單位、技術(shù)人員。單位在設(shè)計計算書的過程中，設(shè)計圖紙及說明書應(yīng)該符合相關(guān)規(guī)定，文件必須有設(shè)計人員、審批人員及校對人員的簽字。另外，負責(zé)技術(shù)的工作人員需要在總圖上簽字，并注明《壓力容器設(shè)計單位批準(zhǔn)書》的具體日期及編號。

為了保障化工壓力容器的質(zhì)量，安全監(jiān)察局必須嚴(yán)格審核、監(jiān)督化工壓力容器的制造商。保障化工壓力容器圖樣的質(zhì)量水平，從而利于化工壓力容器的生產(chǎn)。監(jiān)察局還應(yīng)該檢查圖紙數(shù)據(jù)能否達到業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。在圖樣審核工作結(jié)束后，外聯(lián)人員先進行初步審查，隨后由相關(guān)工作人員進行嚴(yán)密審核，最后由負責(zé)人遞交審查意見書?；毫θ萜髦圃焐瘫仨氈匾曉牧系牟少徟c使用環(huán)節(jié)，另外，焊接加工環(huán)節(jié)也非常重要，制造商必須按照業(yè)內(nèi)規(guī)定完成焊接加工，且上交工藝評定報告。

1.2 化工壓力容器補強材料的選擇

通常情況下，化工壓力容器的補強材料宜選擇強度較低的材料，同時，技術(shù)人員應(yīng)該考慮焊接時易出現(xiàn)的補墻面的面積大小與負面反應(yīng)。在厚壁接管的過程中，技術(shù)人員可以考慮無縫鋼管或者鍛件加工制造。設(shè)計壓力較小且壁厚不大時，無縫鋼管的選擇更為科學(xué)。當(dāng)補強要求所需的壁厚較大且設(shè)計壓力較高時，技術(shù)人員可以選擇鍛件。另外，技術(shù)人員在選擇補強材料時，應(yīng)該參考多項因素，例如焊接狀況、材料的經(jīng)濟性、材料的強度。

2 化工壓力容器補強設(shè)計思路方法及其影響的分析

2.1 補強設(shè)計方法的分析

補強設(shè)計方法作為化工壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)中的核心技術(shù)方法，對化工壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。其中，化工壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重難點部分為化工壓力容器接管開口處的設(shè)備設(shè)計，因此技術(shù)人員在補強設(shè)計過程中必須重視的事項包括：化工壓力容器補強設(shè)計中加強接管結(jié)構(gòu)的抗腐蝕設(shè)計；降低接管開孔處焊接結(jié)構(gòu)面積的偏差；分別處理各種補強結(jié)構(gòu)的設(shè)計；接管補強結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計進行精確計算?；毫θ萜餮a強的主要設(shè)計方法包括：整體加厚殼體補強、補強圈補強、整鍛件補強等。

2.2 開孔補強設(shè)計簡述

局部補強結(jié)構(gòu)的處理內(nèi)容在壓力容器補強結(jié)構(gòu)中較為常見，主要包括后壁接管補強、整體鍛件補強、補強圈搭焊結(jié)構(gòu)補強。后壁接管補強是將后壁接管在壓力容器焊接處應(yīng)用，同時將它們連接起來，接管的放置形式有很多，常見的包括內(nèi)深插入式、平齊插入式及平置式。后壁接管補強方法的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、焊縫不多、焊接質(zhì)量高，因此補強效果好。整體鍛件補強方法是將補強的部分、部分殼體及接管通過加工形成一個整體鍛件，然后把接管焊與殼體連接。整體鍛件補強方法可以降低應(yīng)力的集中程度，因此，補強后的抗疲勞性得到提升。但是整體鍛件補強方法存在缺點，缺點是制造鍛件的成本很高，使用次數(shù)少，只有在要求很高的壓力容器補強中得到應(yīng)用。補強圈補強的理論基礎(chǔ)是為無限大平板開小孔，在操作溫度不高的中低型壓力容器使用中較為廣泛，通過在焊壁上焊接其他的補強板，可以增大開孔邊緣處的金屬強度。開孔挖去金屬的質(zhì)量在一定程度上決定了補回的金屬數(shù)量。為了保障小直徑的開孔安全有效，可以使用這樣的操作方法。這樣的操作方法存在一些缺點，例如：補強圈及外殼體不容易成為一個整體，當(dāng)補強完成后，抗疲勞性降低。

2.3 化工壓力容器開孔補強結(jié)構(gòu)的設(shè)計

化工壓力容器開孔補強設(shè)計中的重點內(nèi)容是補強圈的設(shè)計，通常情況下，設(shè)計人員應(yīng)參考補強圈的標(biāo)準(zhǔn)范圍進行設(shè)計。技術(shù)人員可以通過三種情況，選擇補強圈厚度。第一種情況是補強圈小于殼體厚度，第二種情況是等于殼體厚度，第三種情況是大于殼體厚度。其中，最佳選擇是等于殼體厚度，這種設(shè)計的優(yōu)勢是可以充分利用材料與備料，減少材料浪費。設(shè)計人員還需重視的是，補強圈厚度還應(yīng)結(jié)合壓力容器的設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)特點。參照傳統(tǒng)的操作方法，以下三種措施具有可操作性：增大補強圈的寬度或者加大開孔處局部筒體厚度；加大接管的厚度或者補強圈的厚度；加大整個筒體的厚度。

2.4 開孔補強應(yīng)力分析

壓力容器開孔后有三種應(yīng)力，主要包括峰值應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及薄膜應(yīng)力。通常情況下，壓力容器會被均勻的薄膜應(yīng)力所影響。開孔后，開孔邊緣處會被應(yīng)力集中作用，但是與孔相距較遠的地方應(yīng)力沒有變化，總體薄膜應(yīng)力小于其應(yīng)力水平。為了保障壓力容器的正常運行，可以將其視作一次應(yīng)力。開孔后在孔邊緣與接管連接處產(chǎn)生的范圍分布小，數(shù)值容易升高，出現(xiàn)峰值應(yīng)力現(xiàn)象。彎曲應(yīng)力屬于一次應(yīng)力，彎曲應(yīng)力可以協(xié)調(diào)殼體與接管的連接性能，同時產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，正常情況下，壓力容器的結(jié)構(gòu)不會受到損壞。

3 化工壓力容器材料選擇設(shè)計分析

3.1 壓力容器設(shè)計材料選擇的變化與影響因素

技術(shù)人員在設(shè)計傳統(tǒng)壓力容器材料代用的過程中，不能用高強度材料替換低強度材料，這樣的替換方式不科學(xué)。在鋼制壓力容器的設(shè)計內(nèi)容中，材料力學(xué)性能具有重要意義，其中，設(shè)計人員應(yīng)重視材料力學(xué)性能的韌性與可塑性。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是“以厚代薄”，這樣的設(shè)計方法存在缺陷，增加厚度不能從本質(zhì)上解決壓力容器殼體的受力問題。

3.2 壓力容器使用溫度對設(shè)計材料選擇的影響

當(dāng)壓力容器使用溫度過高時，碳素鋼與碳錳鋼容易出現(xiàn)問題，技術(shù)人員必須重視鋼中碳化物的石墨化問題。碳素鋼與碳錳鋼在高溫環(huán)境下使用時，鋼材會變脆，鋼中的滲碳體會被分解，材料的可塑性與材料的強度會受到影響，由此可見，高溫環(huán)境下禁止替換碳素鋼與碳錳鋼可以有效保障設(shè)計材料的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，合理的代用材料選擇與科學(xué)的補強設(shè)計方法對化工壓力容器正常運行發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的材料替代方法未能滿足當(dāng)代化工壓力容器的發(fā)展，文章通過圍繞化工壓力容器材料與補強設(shè)計進行分析，希望給設(shè)計人員借鑒意義。

參考文獻

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