压力容器设计的常见问题与解决措施
压力容器设计的常见问题与解决措施
******************
摘 要：随着我国高端化工新材料的发展需要，高端化工装备需求不断加大，非标压力容器的应用越来越广泛，压力容器的设计是制造压力容器的重要环节，它的安全性、合理性及经济性关系到压力容器的整体质量。当前对于压力容器的要求越来越高，越来越多的有金属材料被用来承受各种高温、高压及耐腐蚀环境，压力容器设计工作显得愈发重要，为了能够更好地保证压力容器设计工作的顺利进行，需要对其设计过程中出现的常见问题以及解决措施进行研究。
关键词：压力容器设计；常见问题；解决措施
1 引言雄踞山寨
在现代工业生产中，压力容器是必不可少的一种设备。压力容器一般用于有一定压力温度的流体的储存、换热、分离、反应的密闭容器。随着新型化工产品生产的不断需求，以有金属为主体的压力容器需求也愈发迫切。这些压力容器所处的环境一般较为复杂与恶劣，在使
用过程中存在一定风险，如果使用不当或者设计不当会造成危险隐患。如果发生了事故，不但对人身安全有威胁，还会产生严重后果，所以必须要重视压力容器设计过程，确保压力容器设计质量。
2 压力容器设计中的常见问题
2.1 管口载荷计算问题
近年来,随着规范的不断完善及工程经验的积累，压力管道作用在与其连接的压力容器设备接管上的载荷,包括轴向力P与扭矩M侵害名誉权>刑拘的条件>世界十大危险动物T及横剪力V1，V2与弯矩M1，M2,作用于设备工艺进出管口，承受管道外载荷力及力矩的多半是接管及其补强圈、接管根部的筒体、封头或平盖。在压力容器强度计算阶段,一般需根据WRC297、WRC107（537）或相关规范考虑压力管道对设备本体及接管产生的载荷作用, 有金属压力容器一般壁厚较薄，对与管口载荷比较敏感，一旦考虑不当就会造成壁厚不足导致容器局部失稳的情况，尤其部分结构如平盖上接管外载荷无模型可以计算，需要设计者相应考虑。另外，因一般工程规范规定的载荷数据都是标准载荷数据，而不是实际管线承载的载荷数据,一般都偏大，有金属容器设计时需要综合考虑，确保压力容器设计的安全性、合理性及经济性。
2.2 非标法兰计算问题
因国内设备法兰（NB/T 47020）、管法兰(HG/T 20592等)标准基本为碳钢、不锈钢材料，且标准法兰的使用有一定的压力、温度及腐蚀裕量要求，不是直接拿来就可以用。设备法兰一般会按标准选用或非标计算，而管法兰基本上都是直接选用标准，稍有疏忽就会发生管口法兰压力等级不够，不能满足实际工作温度下的耐压要求；另外，钛、锆及镍基合金等有金属材料管口法兰使用时没有按非标计算而导致强度不够；
2.3 材料的选择
压力容器材料选材是容器质量的基础要素，需要考虑耐受压力、温度及相应工况，耐腐蚀率，考虑制造必须的加工、焊接性能，最后需要考虑的是性价比问题，这几项条件缺一不可。如10%左右的稀硫酸，随着浓度和温度不同，所选材料大不相同：常温至标准沸点下可以选用20合金（N08020）或904L（N08904）材料；但温度到200℃左右甚至更高时，上述两种材料已经无法耐腐蚀，根据腐蚀数据及选材手册应选择锆材或C2000哈氏合金。
除了主体材料的选择，还要多考虑紧固件材料、垫片材料，油漆材料的选择，这些都是比
较容易忽视的。如一般情况下，设备法兰可以选用强度稍低的35材质螺柱+非金属垫片，而不是选择35CrMoA螺柱+缠绕垫片高强组合，虽然都是正确的，但前者可以使设计结构更加轻量化，也更经济。油漆品质需要根据工作温度去选择，而不是设计温度，合理的油漆搭配可以更好的保护设备表面，延长设备使用寿命。
2.4材料代用问题
材料代用问题由于备料、材料供应或去库存原因,压力容器制造过程中的“材料代用”时有发生,面对这种情况,《固容规》和GB/T 150.4严格了对材料代用的管理规定:对于受压元件的材料代用应当事先取得原设计单位的书面批准,并在竣工图上做详细记录[2]。材料代用事实上就属于一种设计变更,需要结合容器工况全面的考虑，这也是需要设计人员书面批复的原因。因此，任何自以为的“以好代差”、“以贵代贱”、“以厚代薄”都不一定安全，需要谨慎代用，不代用最好。
如316L、304L等超低碳不锈钢，价值及耐腐蚀性,都优于316、304等不锈钢,但其高温下的强度反而不如。碳元素在其中有两面性：考虑耐腐蚀,最好降低含碳量，但从高温使用来说,就要保证含碳量不能太低,所以市场上还出现了双标不锈钢牌号（如316/316L，304/304L
等），既考虑了耐腐蚀性，又保证了高温下的强度。在此类材料代用时同样需要设计人员综合考虑。
对于膨胀节及挠性薄管板元件,不能思维简单的以厚代薄,因为厚度的增加不但没有好处反而有害,元件的刚性会随着厚度的增加变大,降低了补偿量或影响了其他方面，导致局部强度出问题。
2.5 介质毒性新旧标准问题
TSG 21-2016《固定式压力容器监察规程》引用的化学介质毒性标准是HG/T 20660-2000（旧标准），而最新标准为HG/T 20660-2017。最关键的是新旧标准内容差异非常大，而介质毒性又是深刻影响压力容器设计的重要参数，从无损检测、焊接接头系数及全焊透焊接结构、产品焊接试板等多方面影响压力容器的设计等级高低。根据《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG 21-2016）注1-7中引用标准的版本规定，官方说法就是按照旧标准执行即可。但实际上，为了综合考虑压力容器的设计安全性，设计工程师会比对新旧标准中介质的毒性程度，按条件苛刻的考虑，确保该时期下压力容器设计的安全性及准确性。如硫酸的介质毒性，在旧标准中是中度危害，在新标准中为极度危害，需按照极度危
害介质来确定焊接接头系数、焊接接头结构、产品焊接试件要求、无损检测及热处理等要求。
2.6技术要求不完整问题
一般说来，图面技术要求应包括一般要求、材料、制造和检验、焊接、试验、表面处理、包装和运输等要求。但通用技术要求因为反映的大都是一些共性问题，基本都是产品的最低质量要求,所以不能满足各类压力容器产品的全部要求：另一些附加具体要求可能包括下述各项：a.容器支座、吊耳等承重元件的焊缝表面无损检测要求；b.不锈钢及有金属酸洗后的铁离子试验要求；c.碳钢表面的喷砂、油漆要求(需要充分考虑所选油漆的耐温情况)。d.材料的低温冲击试验要求；e.有金属及其复合板的耐腐蚀要求；f钛、锆复合板的泄漏性试验及热气循环试验等。
异种金属焊接、不同有金属复合板的焊接结构、不同厚度及不同制造方法的压力容器,需要制定各自不同的焊接工艺评定及焊接工艺规程。特殊焊接结构设计时需要提前考虑降低制造难度、预防焊接变形及确保耐腐蚀效果等，从源头上提高压力容器的设计质量，保证容器的工艺性能。
2.7热处理问题
为了满足压力容器强度等指标的需求,有些容器成型之后就需要进行热处理。因此,热处理也成为压力容器设计中不可忽视的一个环节。热处理又分为焊后热处理、恢复材料力学性能热处理、改善材料力学性能热处理，消氢处理等。
一般筒体、封头等主要受压元件的热处理大家都比较重视，容易忽略的是接管等附件焊缝的热处理；还有就是冷成型的筒体、封头或接管成型后恢复材料力学性能热处理，需要根据不同材质计算变形率，比如碳钢低合金钢变形率≥5%，奥体体不锈钢变形率≥15%，有金属等按相关标准值；还有就是复合板的热处理，因为复合板的特殊性，需要同时考虑热处理对基材的强度和覆材的耐腐蚀性（还要考虑耐腐蚀材料的敏化情况），不能简单的按照钢制压力容器的要求来照搬挪用，一旦出问题就是大问题，设备可能就报废了。这就需要压力容器设计技术人员需要全面的技术能力，综合考虑各种情况后，慎重做出相关热处理的要求，得不偿失时不做热处理来保证容器的安全使用，千万不能为了热处理而热处理， NB/T 47002-2019《压力容器复合板》、JB/T 4745《钛制焊接容器》、JB/T4756《镍及镍合金制压力容器》及NB/T47011《锆制压力容器》等标准中对热处理均没有强制规定，给予设计人员很大的灵活性，结合容器具体情况制定热处理要求。
2.8 安全性、经济性
2.8.1气液组合试验的考虑
随着化工装备的大型化发展,大直径压力容器被不断需要,有些甚至需要在现场组焊。这些大型容器一般由于耐压试验时试验介质自重对设备和基础影响较大，不能进行液压试验，需要提前考虑气液组合试验。而如果该类压力容器设计时不考虑合适的耐压试验方式，后续到制造时液压试验无法实现，又不满足气液组合试验要求，就会进退两难。
2.8.2有金属压力容器支座的结构设计
有金属往往因为材料是钢材的数量级的差距，导致有金属单层压力容器设计需要更准确。涉及到承重的支座结构设计显得很重要，因为它既要考虑安全性，又要考虑经济性，能焊接的镍基合金相对还好，但不能焊接的材料就比较考验设计人员的技术水平。如钛或锆制压力容器，由于钛或锆与钢不能焊接，很多时候都会采用螺栓连接结构。卧罐一般选择钢鞍座与钛支耳螺栓连接；裙座可以用钢裙座加有金属过渡段设计；最有难度的还是耳式支座支承大直径塔器或立式容器，耳座都用纯钛、锆材显得很浪费，一般采用抱箍式
钢支座+钛、锆限位板或钢支座筋板加长与焊在壳体上的钛、锆连接板螺栓连接固定，当然还必须强度计算合格。
2.8.3 极度高度危害法兰型式的选择
TSG 21-2016《固定式压力容器安全监察规程》中第3.2.5（2）条比TSG R0004-2009第3.17（2）条多了一条话：无法采用此类管法兰密封组合的,应当由设计者根据介质、压力与温度特性确定法兰连接结构轻伤二级一般会怎么判[3]国庆阅兵仪式几年一次。一般情况下对于极度、高度危害及中危强渗透介质，需选用带颈对焊法兰，但由于有金属材料非常贵重，选用WN法兰显得很不经济，新标准中也给予设计人员确保结构安全性的前提下可以自主决定，可以选择合适的活套法兰结构，显得更为合理，设计人员可以根据实际工况灵活选用。
3、压力容器设计常见问题的解决措施
通过以上分析，我们可以得知在设计压力容器时要充分考虑到安全性、经济性以及可靠性，而基于此，我们可以采取以下措施来应对：首先，在设计压力容器时要遵循相关技术规范。例如，我们在对压力容器进行设计时要遵守相关标准技术规范。其次，要加强风险
分析。风险分析的主要内容包括：确定需要重点考虑的危险因素以及可能发生的事故情况；对可能存在的危险源进行辨识并采取相应有效规避措施，要合理选用材料与结构，并提出相应的技术要求。最后，任何技术法规都有他的优点和不足，设计人员需正确理解标准中的每一个条款，不要生搬硬套，要学会灵活运用，努力提高自身技术水平，能熟练掌握相关标准条款，准确选择需要的数据，判断软件计算结果是否正确，以保证设计的产品满足工艺要求并安全可靠。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。