压力容器设计常见问题及对策探讨

陈超　王建乐

摘要：压力容器的设计质量不仅直接关系到容器的使用安全性和可靠性，同时也影响着容器的制造成本。本文首先分析了压力容器设计中的常见问题，然后针对问题提出了相应的解决对策，以期为相关设计人员提供参考。

关键词：压力容器设计；问题；对策

作为化学、石油和科研等行业中的必要设备，压力容器对于促进工业生产的发展具有重要作用。随着现代工业规模和领域范围的扩大，压力容器的使用也越来越广泛。然而，由于技术缺陷等原因造成的压力容器设计问题仍经常出现，其严重影响了压力容器的正常使用和工业生产的安全。因此，加强有关压力容器设计常见问题及对策的探讨，对于提高压力容器设计质量和安全性具有重要的理论和现实意义。

1. 压力容器设计常见问题

压力容器的设计步骤为：先确定客户使用需求、分析容器适用条件，据此设定相应的设计参数；然后了解分析容器结构、选择正确的工艺规范和标准、选取合适的材料、计算容器强度和应力范围，以此确定容器所需要的壁厚等参数；最后绘制容器设计图纸，并提供相应的技术文件和计算书。压力容器设计是容器制造的重要环节，其设计中经常出现的问题有：

1.1 材料的选用问题

材料是压力容器设计中的重要组成部分，材料的选用将直接影响压力容器的强度、结构性能和使用寿命。材料的选用经常会受到用户、使用的周边环境、用户的特别要求、容器的外观大小等因素的影响。由于压力容器通常用于高压高温的环境中工作，其材料的选用势必会影响到压力容器的耐腐蚀性能和内外部受力情况，因此通常情况下压力容器的材料选用是有非常严格的规定。设计者在选用不同的材料前都需要确定材料的选用是否满足其使用条件、力学性能、耐腐蚀性能、加工性能、材料来源及经济性等使用要求。在实际设计过程中当用户要求压力容器的材料需要减薄时，设计者一般都会对容器的内外部受力情况进行重新分析，确定减薄后的耐腐蚀程度；而当用户要求压力容器的材料需要增厚时，大部分设计者认为不应当再重新进行各项受力分析，而实际情况却是容器变厚后会产生多个方向的拉应力，容易引起平面应变及脆性断裂，[1] 对于这一点应要十分注意和重视。

1.2 非标准法兰设计

由于在日常的设计中经常会出现设计压力和设备直径等使用条件超过法兰标准的法兰，所以需要确定法兰结构尺寸的设计及其强度的计算。而利用SW6软件进行法兰计算时，经常会发生计算的法兰强度符合标准，实际制造安装却不符合要求的情况。如SW6软件未设置相应的螺母与螺栓圆中心距的匹配程序，而在设计中设计人员经常会对调整重要尺寸螺栓孔间距的问题欠考虑。当设置了超出规定范围的螺栓间距时，法兰很可能出现变形，甚至破坏其密封性能；当设置了小于规定范围的螺栓间距时，会造成扳手操作空间狭小，较难拧紧螺栓。

1.3 热处理问题

根据相关的热处理规定表明，在多数条件下都要对钢板冷成形受压元件进行热处理，如低合金钢及碳钢；盛装高毒性、高危害介质的容器；成形后厚度减少10%以上的容器；有应力腐蚀介质的容器等。如果冷成形变形率不能满足规范要求，就必须通过恰当的热处理来使材料性能完全恢复。而大部分设计者都会对压力容器的封头、壳体的热处理提高重视，却忽视了接管设计的热处理问题。

1.4 使用寿命问题

根据最新相关技术监察规程规定，为防止压力容器使用寿命超出设计时间而带来不必要的安全问题，设计人员要在设计图纸中明确标记该压力容器的标准使用寿命，这在以往的规程中是没有的。可以发现，人们对于压力容器的使用寿命问题越来越重视。而在实际的设计过程中，大部分设计单位对于容器使用寿命的问题并不重视，部分设计人员更是凭借以往的惯例或经验任意设置压力容器使用寿命，而忽视设备温度、材料等因素的影响。同时由于操作人员的不按规定用法操作也会减短容器的使用年限。[2]

2. 压力容器设计问题应对策略

2.1 提高对材料选用问题的重视

一般设计者都会注意到压力容器外壳材料由厚变薄的内外部受力和耐腐蚀性分析，而在材料由薄变厚的过程中设计人员也应当注意材料变厚时的受力情况，加强对管道弯折和部件连接部位的分析。对于连接部位的套筒焊接或其他位置的焊接情况要充分考虑焊接所带来的应力变化；对于材料变厚时的主体与构件连接位置及封头位置要进行边角削平处理。

2.2 注意非标准法兰的计算

非标准法兰的计算应当考虑以下要求：（1）法兰的直边段长度应当大于1.5δ；（2）应当根据相关规程标准对法兰的L、Le、LA尺寸进行恰当确定，以确保扳手操作空间充足；由于高压容器需用较大的螺栓，其公称直径DN要不小于64mm，因此应当按照相关标准选择液压拉伸器的空间，确保螺栓能够拧紧；（3）通常低合金、碳钢锻件的许用应力要比同材料板材强度低，所以应当使法兰小端厚度比封头和筒体部位多出3mm；（4）在进行法兰计算时应当考虑腐蚀裕量，大端和小端应当减去腐蚀裕量计算相应厚度，内径输入值应当为实际内径加上两倍的腐蚀裕量值。2.3 增强热处理

为了节约成本，大部分压力容器设计单位都会在满足使用条件的前提下选用低合金钢或碳钢钢板制作直径较大的钢管和容器。虽然低合金钢和碳钢钢板在冷成形后具有的一定的强度和硬度，但可塑性有时难以达到使用要求，若不进行热处理，很容易使材料内部细小晶粒出现歪扭和破损。特别是在制造钢管时使用较厚的钢板，那会使钢管的直径减小，冷成形后的内部变化就会相当剧烈，较高的冷加工硬化性能使其在出厂前就可能产生裂纹。因此采用厚钢板进行冷却加工后必须进行相应的热处理才能提高材料的塑性。[3]

2.4 重视使用寿命

（1）设计者应当根据材料的腐蚀速度和内外受力情况计算容器的最大腐蚀承受度，以此确定容器的安全使用年限；（2）设计者要考虑使用者的不当操作，在图纸中设置相应的安全使用提醒，并表明使用条件，做好压力承力部件和壁厚参数的测量；（3）设计者应当考虑压力容器外部工作环境，在最恶劣环境中模拟最佳使用年限。

3. 结束语

设计者要加强有关压力容器常见问题的分析，总结处理经验和应用技术，积极拓展设计问题处理方法和应对策略，以不断提高压力容器设计质量。

4. 参考文献：

[1]王霄霞.关于压力容器设计的几个问题[J].技术与市场. 2012，05（35）：57-58

[2]申长吉.压力容器设计过程中常见的问题分析[J].自动化应用. 2011，12（29）：62-63

[3]钱晨凌.小议如何实现机械产品的创新设计[J].民营科技. 2010，06（10）：61-62

5. 作者简介

陈超（1980-），男，主要从事压力容器设计工作，过程装备与控制工程专业。