淺析壓力容器的選材及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

王錫東

（大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

壓力容器的整體結(jié)構(gòu)在化工生產(chǎn)中起著重要作用，鋼瓶材料的選擇必須按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，設(shè)計(jì)制造單位容易對(duì)化工壓力容器的壓力標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生誤解，因此必須針對(duì)試用過程中存在的問題，采取材料更換和加固設(shè)計(jì)，完成化工壓力容器的維修。

1 壓力容器的選材

在壓力容器的設(shè)計(jì)中，除了要滿足有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的剛性要求外，主要壓力元件的選擇還必須選擇能夠滿足設(shè)備的機(jī)械、物理、工藝和介質(zhì)相容性的材料，保證材料具有良好的可加工性、足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性等。（1）按照介質(zhì)的性能特性和工作條件，選擇適當(dāng)?shù)匿摲N，確定使用的鋼種。所采用的鋼材均應(yīng)能夠抵抗容器內(nèi)部的介質(zhì)銹蝕，以確保其使用壽命，容許的應(yīng)力量均宜在適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)溫度和壓力下，以滿足對(duì)容器內(nèi)部的強(qiáng)度要求[1]?？梢钥紤]選擇一些特殊的介質(zhì)作為復(fù)合材料，可以通過使用基層的結(jié)構(gòu)來滿足熱力學(xué)性能，與介質(zhì)接觸的涂層也可以被廣泛地用來抵御介質(zhì)的侵害，從而改善鋼的合理使用。例如，在濕硫化氫應(yīng)力受到腐蝕的環(huán)境中，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，應(yīng)限制 c，s，p和ni等元素含量，應(yīng)盡量選用q245r等碳鋼；（2）對(duì)于壓力容器材料的選擇，它們應(yīng)當(dāng)充分考慮到裝置制造和工藝的性能，應(yīng)當(dāng)具備良好的焊接、成形、強(qiáng)韌性以及很大的熱塑性；（3）對(duì)于各種壓力容器的原件和材料，我們都應(yīng)盡可能地避免不必要的資源和人力浪費(fèi)，提高它們的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，避免“越厚越安全”、“性能越好”等視覺誤區(qū)。例如，鋼板厚度的增長會(huì)極大地增加了設(shè)備抗壓性能，但同時(shí)會(huì)極大地增加了設(shè)備的自重，增加了對(duì)于設(shè)備的支撐零部件（如鞍座、裙坐等）的設(shè)計(jì)要求，并會(huì)使其出現(xiàn)不穩(wěn)定等嚴(yán)重的安全隱患，同時(shí)會(huì)給設(shè)備造成大量材料的浪費(fèi)；（4）各種壓力容器均應(yīng)當(dāng)從國家或者具有規(guī)定相應(yīng)資格的企業(yè)所需要生產(chǎn)的鋼材中進(jìn)行選擇?；毫θ萜鞅旧碜鳛橐环N專門的設(shè)備，如果使用中發(fā)生事故，其危害可能性是巨大的。因此，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局嚴(yán)格監(jiān)督各類壓力容器的研發(fā)、制造、安裝和使用，確保壓力容器的安全運(yùn)行。

2 壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在壓力容器局部加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)特別注意局部加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即強(qiáng)搭接焊加固、整體鍛造加固和后壁連接管。后墻節(jié)點(diǎn)加固技術(shù)在設(shè)計(jì)上具備了焊接質(zhì)量良好、結(jié)構(gòu)簡單、焊縫少等特征，保證了節(jié)點(diǎn)的加固。采用了整體鍛件的補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，即將噴嘴、補(bǔ)強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和殼體零件組成部分都進(jìn)行了加工，使其發(fā)展成為一個(gè)完整的鍛件，然后將噴嘴與殼體經(jīng)焊接相互作用，這樣就可以大大降低了應(yīng)力的集中度，從而促使經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)的塑料具備較高的耐腐蝕和抗疲勞性能。但是在整體壓力容器的強(qiáng)化工作技術(shù)中卻存在著使用頻率較低、造價(jià)相當(dāng)昂貴的問題，在化工壓力容器的強(qiáng)化作業(yè)中普遍存在。此外，加強(qiáng)環(huán)技術(shù)通常用于低溫低壓容器，其工作原理是在無限大板上開一個(gè)小孔。將加強(qiáng)板材料焊接在焊接壁上，可以提高孔邊金屬的強(qiáng)度。開口處金屬去除的質(zhì)量直接關(guān)系到可回收金屬的數(shù)量。

2.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力論述

化學(xué)壓力容器穿孔后產(chǎn)生三種應(yīng)力，即膜應(yīng)力、峰值應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。一般而言，壓力容器可能直接受到均勻膜上的應(yīng)力限制。開孔后，孔邊應(yīng)力集中，影響程度受孔和孔之間距離的影響，但總膜應(yīng)力不大于孔邊應(yīng)力水平。當(dāng)壓力容器穿孔后，壓力容器和連接部件的范圍內(nèi)應(yīng)力分布變化相對(duì)減少，造成峰值應(yīng)力的發(fā)生和值增加。將各種壓力容器彎曲應(yīng)力均勻地分解成為主應(yīng)力，以協(xié)調(diào)殼體和連接管之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，同時(shí)也產(chǎn)生了相應(yīng)的彎曲應(yīng)力，使得壓力容器在正常工作中難以受到破壞。

2.3 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析

（1）環(huán)形加固。補(bǔ)強(qiáng)環(huán)法就是一種很常見的補(bǔ)強(qiáng)方法。板厚是指用來提高氣密材料在空腔周圍的容器外殼上所承受的強(qiáng)度。本實(shí)用新型專利技術(shù)框架結(jié)構(gòu)簡單，加工和制造簡易，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，我們應(yīng)該要充分考慮到補(bǔ)強(qiáng)環(huán)、噴嘴及殼體之間的合理焊縫結(jié)構(gòu)，以便于生產(chǎn)。由于這種加強(qiáng)環(huán)沒有與噴嘴和外殼體相互集成，抗疲勞和耐腐蝕性能也比較差，通常適用在普遍的常溫、靜壓下的中高壓容器；（2）鋼筋厚壁管。厚壁管可以集中應(yīng)力集中區(qū)域，比加強(qiáng)環(huán)更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)也比加強(qiáng)環(huán)簡單，不需要疊加焊接。在使用厚壁管配筋時(shí)，在配筋范圍外可采用減小壁厚以滿足抗壓強(qiáng)度可降低的方法，這樣可以節(jié)省一些材料。

3 結(jié)語

壓力容器是化工生產(chǎn)中的重要設(shè)備，其安全性直接關(guān)系到化工生產(chǎn)活動(dòng)，因此科學(xué)選擇壓力容器，優(yōu)化增強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在材料的選擇過程中，必須遵守相關(guān)要求，使材料的質(zhì)量滿足實(shí)際需要，而加固設(shè)計(jì)工作需要考慮到施工成本、技術(shù)和安全，以維持化工壓力容器的正常運(yùn)行。