試論化工設備壓力容器規(guī)范設計及發(fā)展

＊李彬楠

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

引言

化工行業(yè)中，壓力容器需要在一定壓力作用下，對流體介質(zhì)進行儲存，通常以密閉狀態(tài)存在，為化工產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)建了良好的條件。企業(yè)若想創(chuàng)造更高的經(jīng)濟收益，保證安全生產(chǎn)，在實際工作中要把握好安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益之間的關系。故此，化工企業(yè)壓力容器在實際設計過程中應該充分考慮到各種不良因素與外界環(huán)境的影響，綜合考量可能出現(xiàn)的種種突發(fā)情況與嚴重后果，保證該設備的實用價值，各項流程符合設計標準。同時，壓力容器要加強維修與管理，設計出高質(zhì)量的壓力容器，技術(shù)工作部門應該從設計環(huán)節(jié)入手，科學設計化工壓力容器的密閉性、運動能力，為促進化工行業(yè)發(fā)展貢獻力量。

1.化工設備中壓力容器設計的基本原理

化工設備壓力容器設計程序復雜，需要注意多項事宜，首先，技術(shù)部門要以最大化主應力基本強度理論作為依據(jù)，遵循彈性失效的原則。當一個壓力容器在某個應力條件下處于屈服狀態(tài)或材料發(fā)生了塑性流動時，它就不能再保持原來的彈性基態(tài)，而是處于破壞的狀態(tài)。在應力方法中，采用常規(guī)性設計，綜合考慮單一的最大載荷工況，一次施加靜載，忽略交變載荷，區(qū)分短期、永久載荷和疲勞壽命，采用簡化材料力學公式、板殼理論中的無矩理論公式。壓力容器所有的應力采用統(tǒng)一許用應力值，為了提高其安全性能，可以選擇安全系數(shù)較高的應力值，從而有效地解決了應力點分析中存在的不足問題[1]。

面對新形勢，壓力容器參數(shù)隨著外界因素影響產(chǎn)生新變化。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)介入后，傳統(tǒng)設計中存在的彈性失效基本原則無法滿足設計的需求。常規(guī)式設計方法無法滿足現(xiàn)實需求，對于這一問題應與新的失敗理念相結(jié)合進行處理。采用解析式設計，以最大剪切應力理論為基礎，以彈性應力分析及塑性破壞準則為基礎，進行試驗研究。在實際分析中需要綜合考量各種載荷條件的組合問題，突破過去應力計算工作的局限性，提升應力值。在保證壓力容器穩(wěn)定性和安全性能的情況下，開展相關工作，在破壞準則的基礎上，合理應用各種基本原則，增加彈性破壞、彈塑性破壞、爆炸破壞準則等，確保化工設備的安全穩(wěn)定。

2.化工設備壓力容器規(guī)范設計的注意事項

(1)合理選擇材料

由于化學工業(yè)的特殊性質(zhì)，在實際操作過程中，若與化學工業(yè)的劣質(zhì)產(chǎn)品相接觸，很容易發(fā)生腐蝕、易燃、易爆等事故，甚至會產(chǎn)生有毒物質(zhì)。如果沒有得到及時處理，很有可能引起火災和爆炸，或者毒氣泄露，甚至會造成人員傷亡。因此，有關部門應對化學裝置中壓力容器的設計給予足夠的重視，明確規(guī)定和要求。通常情況下，化工企業(yè)可以應用不同類型的材料，滿足設計要求，避免由于材料的選擇和設計對壓力容器的品質(zhì)有很大的影響。在化工企業(yè)中，可以選擇最優(yōu)的材料和施工工藝，確保不同的施工流程順利推進[2]。

由于不同的設備材料在使用性能、防腐性能等方面存在著不同的要求，在應用這類材料時極易影響容器的質(zhì)量。為此，技術(shù)人員應該提前明確不同材料的性能與屬性，確定好功能價值，以確保所設計的容器材質(zhì)達到有關標準。

(2)實現(xiàn)壓力容器設計結(jié)構(gòu)的科學化、標準化

在選擇壓力容器結(jié)構(gòu)時，應以簡單易行為原則。由于壓力容器的質(zhì)量相對較輕，為了節(jié)約設計材料，減少制作成本和保養(yǎng)費用，在設計過程中應該做到如下幾點：

一是在選擇鋼材時側(cè)重鋼種的型號，注重分析鋼材壓力與溫度。對不同的材料和介質(zhì)的特點進行全面考慮，對焊接時的接頭強度和生產(chǎn)成本等有關問題進行分析，避免盲目地進行設計生產(chǎn)。若壓強太大，則不能達到設計要求。這是因為，如果壓強太大，就會造成壓力容器的尺寸變得太大，從而加大了它本身的重量，對最終的實際運輸生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成了影響，從而造成了成本的上升，嚴重損害企業(yè)的經(jīng)濟效益[3]。

二是設計密閉組織結(jié)構(gòu)。對于某些有部分頂蓋需要拆除的壓力容器，在實踐中可采用快拆式密封組織結(jié)構(gòu)，從而避免采用大主螺栓連接。對于某些需要進行清潔和電梯維修的壓力容器來說，在設計的時候，可以選擇最好的位置來進行人孔和手孔的處理，這樣不僅可以節(jié)省材料，還可以縮短清理的時間，還可以降低壓力容器的維修和生產(chǎn)成本，如圖1所示。

圖1 壓力容器規(guī)范涉及關鍵技術(shù)

(3)壓力容器設計中其他注意事項

①開孔補強的有效設計

在低形式下的壓力值中，壓力容器在設計補強模式時，可以運用補墻圈方式，該方法結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用經(jīng)驗豐富、適用范圍廣泛，且可采用與外殼厚度等效的補強環(huán)，方便外殼卷板部位余料加工補強環(huán)[4]。

在某些中、高壓情況下，進行壓力容器的加固設計時，由于后壁接管的補強方式相對較好，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，焊縫較少，極易檢測出焊接質(zhì)量，補墻效果良好，可以降低設計應力的管理系數(shù)。在開展補強設計工作時，應該明確接管厚度合理計算，及時改善接管端部處的內(nèi)壁位置。通常情況下，采取倒角處理，減少倒圓角補墻面積，避免出現(xiàn)實際補缺面積小于所需補墻面積的情況。

②采用氣密性測試對壓力容器進行設計

壓力容器比較重要的一個功能就是氣密性，如果沒有足夠的氣密性，將會出現(xiàn)泄露的情況，無法確保壓力容器設備穩(wěn)定運行，同時阻礙化工企業(yè)的安全生產(chǎn)問題。對于一些不可微量泄漏的危險介質(zhì)來說，化工技術(shù)人員應該結(jié)合具體的內(nèi)容和要求開展氣密性試驗設計工作，確保配件安裝的安全性與完整性。對超壓釋放裝置的壓力進行科學控制，并對最高容許壓力下的壓力容器設計進行標準化[5]。

3.分析壓力容器規(guī)范設置中幾種常見技術(shù)

(1)儲氣罐設計技術(shù)

在壓力容器設備設計中，儲氣罐作為關鍵的零購件之一，這一部分的設計需要選擇高標準、高要求的材料，技術(shù)人員在選擇鋼材時應該保證強度較高，充分滿足儲氣罐的抗壓許可要求。另外，還應該事先明確儲氣罐的實際使用需求，例如，在常溫儲氣設備的儲氣罐設計中，技術(shù)人員要按照需求與具體溫度進行設計，并結(jié)合周圍環(huán)境對于溫度的不利影響，調(diào)整好后期的參數(shù)細節(jié)。

(2)科學設計管法蘭壓力等級

設計人員在設計壓力容器時，要把握管法蘭的壓力等級，包括對耐壓測試壓力、溫度等不利因素的影響。從一個角度來講，技術(shù)人員應該根據(jù)不同的溫度、環(huán)境，來測試管法蘭在不同情況下的最大工作壓力值，尤其是在一些溫度參數(shù)比較高的環(huán)境下，要明確管法蘭壓力等級的臨界點，從而提升壓力容器的整體工作能力。

如果忽視了溫度額定值，就會對管法蘭的壓力等級造成影響，很難有效地滿足化工設備壓力容器的工作要求，可能存在安全隱患，在以后的使用過程中，可能會引起各種安全事故等。

另一方面，技術(shù)員應正確地進行設備的水力測試。對管道法蘭耐壓水平的試驗，規(guī)定了水壓力的標準值，并在試驗期間對裝置的水壓力進行了控制。

(3)設計分氣缸

在設計分氣缸的環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員要明確壓力容器中分氣缸的出汽口與近汽口距離，通過對間距參數(shù)的合理控制，確保了分缸的工作穩(wěn)定性。在設計過程中，技術(shù)人員應按照國家標準，根據(jù)具體的工藝參數(shù)，確定出汽口與近汽口的距離，并嚴格控制環(huán)焊縫與分氣缸開口的距離，避免在焊接周邊部位出現(xiàn)開口，降低局部應力的影響度，確保分氣缸的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，如圖2所示[6]。

圖2 壓力容器分氣缸

4.化工設備壓力容器規(guī)范設計的發(fā)展前景

(1)設計技術(shù)持續(xù)更新?lián)Q代

經(jīng)濟技術(shù)不斷發(fā)展，化工設備壓力容器的設計過程中不斷引進新方式方法，比如一些學者通過大數(shù)據(jù)、云計算等相應的分析軟件得出管殼式換熱器管板公式。經(jīng)過大量的研究數(shù)據(jù)結(jié)果表明，學者研究出的公式充分符合結(jié)構(gòu)受力的實際情況，同時所提出的理論知識內(nèi)容也相對完善健全。與過去的傳統(tǒng)計算公式相比，當前我國學者總結(jié)出的計算公式更便捷，普適性更強，可以切實提升壓力容器的安全性能與科學性能，降低設計厚度與直徑，減少產(chǎn)品的設計費用，提高產(chǎn)品的安全性能，推動化工裝置壓力容器的發(fā)展。

可以說，我國在研究壓力容器設計公式時占據(jù)許多的優(yōu)勢：一方面，交換熱器作為多種元件構(gòu)成的彈性體系，可以采取應用力學理論進行科學分析，并且對于一些軟件在現(xiàn)實工作中不斷實驗，充分考慮管板實際應用和荷載情況。另一方面，在計算量板削弱系數(shù)時，管板單元包含邊界為六角形的孔板，同時包括管孔的圓柱殼，以及接連二者的圓環(huán)等，進一步促進技術(shù)的不斷發(fā)展。

(2)運用材料選擇多元化

壓力容器需要應用在越來越復雜的環(huán)境，因此在制作時需要不斷更新技術(shù)和材料。比如，當前納米材料作為生產(chǎn)壓力容器最為歡迎、最為先進的一種微觀材料，其本身具有有韌性好、耐熱度、高質(zhì)地、輕薄的特征，是一種新興技術(shù)材料。在制作壓力容器中，具有重要的功能作用。經(jīng)過最新的研究數(shù)據(jù)表明，當前壓力容器生產(chǎn)中正在研究一種新型智能材料，可以自動對列焊縫、磨損等部位進行及時修復，并且可以在一段時間以后應用于現(xiàn)實工作當中。

5.結(jié)束語

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，助推了化工行業(yè)的迅速進步。壓力容器是化工行業(yè)的重要設備，為化工生產(chǎn)提供保障，是擺在化工企業(yè)面前的重點難題。化工企業(yè)應該加強壓力容器的設計，遵循制度標準規(guī)范，因此，必須對壓力容器進行全面改進，以確保其在化工生產(chǎn)中的穩(wěn)定運行。在對化工設備壓力容器進行設計時，應對應用材料和應用結(jié)構(gòu)進行全面考慮，以保證其操作能力，提高其質(zhì)量。在此基礎上，重點研究開口補強、分氣缸、儲氣罐、氣密性測試等關鍵技術(shù)，以確保其安全運行，推動其標準化發(fā)展。