试论化工压力容器设计的经济合理性

丁国胜

摘 要：化工压力容器的设计及使用具有一定特殊性，在充分考虑安全性因素和实用性因素的基础上，应当将经济合理性纳入到化工压力容器设计的考量范围内，在保证其安全可靠的同时降低成本，从而维护企业的经济效益。本文就化工压力容器设计的经济合理性进行简要分析和研究，仅供相关人员参考。

关键词：化工压力容器；设计；经济合理性

1 前言

化工生产是当前我国社会经济生产活动中的重要组成部分，化工压力容器设计的安全性是保证化工生产活动正常开展的重要条件，而化工压力容器设计的经济合理性往往与化工产品生产力之间存在密切联系。此种情况下，获得既安全可靠又经济合理的压力容器是非常必要的。一台设计合理的压力容器，它的制造成本必然就会降低，反之则较高。笔者仅就压力容器合理的选材，合理的结构设计和零部件设计三个方面来阐述。

2 合理的选材

主体材料约占设备总造价的40%-60%，因此正确合理的选材对设备的成本有着重要的影响。我们在日常的压力容器设计中，一般情况下，壳体所使用的材料为碳素钢、低合金钢以及高合金钢钢板。他们的使用条件详见GB150标准，在这，我就不一一赘述了。合理的选材主要应考虑如下几点。

首先，选材要根据设备的工作条件来确定，能够用一般材料的，就不应选用高档次材料，如一般的低压工况条件且温度不太高时就应首先考虑Q235-A或Q235-B、Q235-C，以及20R、16MnR等材料，而不应选用更高级别的材料。又如腐蚀性一般的环境就不应轻易选用不锈钢材料。当环境介质腐蚀性很强时，一般首先应考虑不锈钢板，而不能简单地确定采用全不锈钢制造。再如，当设备处于300-450℃的H2S环境时，就应考虑选用Cr-Mo钢，而不宜选用16MnR或奥氏体不锈钢，但是当设备的压力很低而温度却很高（如700-800℃）时就应考虑选用奥氏体不锈钢。相反，对于低温环境，当温度不太低时，也可以考虑选用一般低温环境下的用材，如16MnR、16MnDR、20R等；而当设备的温度较低时，则应考虑选用专门的低温用材料。其次，材料选择时尚应考虑到设备的重要程度。对于要求较高且比较关键的设备，在选材上一般应选用性能比较优良且质量要求较高的材料，包括锻件的高级别选用。相反，对于工况一般的设备，在选材上就应有所侧重，此时设备的法兰、管板就可以选用一般的板材来制造，而没有必要选用锻件，因为锻件的造价比之于板材要高得多。再次，在材料的选择上还应根据设备各部位的不同工作状况而选择不同的材料。如管壳式换热器，当管程的介质腐蚀特别严重而壳程则为一般性介质时，管程就应采用耐蚀性较好和材料，而壳程则应用一般性材料。总之，应具体问题具体分析，以确保设备整体选材的经济合理性。

3 合理的结构设计

压力容器设计是否合理，关键在于结构设计，结构设计合理，相应的压力容器造价就会有大幅度降低，因为合理的结构可能会使容器主体材料的用量大幅度降低，其制造费用也会降低。主要从一下几个方面考虑。

3.1 整体结构设计时应考虑的问题

在容器设计时首先应确定设备的大致结构，包括主体结构形式、主要零部件的结构形式等。这项工作十分重要，其正确、合理与否，将直接关系到设备成本。如当设备的压力较高且直径较大时，则应考虑封头采用椭圆封头型式，而不宜采用平盖型式，因为此时采用平盖将会很厚。当设备由两种不同直径过渡时，宜采用封头开孔结构而不宜选用锥体翻边结构，因为前者比后者更易加工并有利于保证部件的制造质量。对于中低压容器，当采用平盖时也可以考虑加筋平盖，特别是对于由贵金属制成的平盖，采用加筋结构其经济效益将是十分显著的。当封头在较高外压下所需壁厚太厚时，也可以采用封头加筋结构来降低其主体的壁厚，以节省主体材料。还有容器的附件设计，如支座、支承结构等。在进行支座设计时，首先，应根据设备的大小确定采用什么样的支座最为经济合理。一般来说，首先应考虑支腿式支承，其次再考虑支承式悬挂式支座，再次才考虑鞍式和裙式支座。对于一些比较特殊结构设备的支座设置，要考虑其制造加工的难度。

3.2 补强及接管结构设计

压力容器上开孔是必然的，因而也就存在着补强结构设计问题。在进行补强结构设计时，通常不应采用整体加厚壳体来实现补强的方法，因为这样必然会增加整台容器的材料用量。而采用其它的补强结构就要合理一些，如补强板结构、厚壁管结构或整锻件补强等。但是，上述的几种不同补强结构同样也存在着不同的造价，如整锻件补强的加工难度就较大一些，因此其造价也就必然要高一些。所以在结构设计时，当工况条件允许时首先应考虑补强板和厚壁管补强结构，其次再考虑锻制厚壁管和整锻件补强结构。还有，当采用某一种单纯补强结构不经济时，也可以采用几种补强方式混用的结构，如同时加厚接管和补强板的结构，更有利于制造加工，相应也就可以降低加工费用。接管设计除了要考虑上述的一些内容外，还应考虑到接管本身的工作状况，如工况为一般还是较恶劣，是否受腐蚀，是否受振动或冲击。如一般工况则可以采用补强板和卷焊厚壁管补强；如果是承受交变载荷或高低温环境，就应考虑选用锻管补强等。总之，在进行接管及补强设计时，首先要弄清设备的具体工况及接管的工作状况和环境，然后具体问题具体分析并对症下药，这样才能保证结构的安全性和经济合理性。

3.3 外压容器设计时的一些考虑

由于外压容器的破坏主要是失稳，而设备的抗失稳能力又主要取决于壳体的几何尺寸，即直径、长度和壁厚，其中长度和直径起着决定性作用。因此，试图通过提高材料的强度来提高设备的抗失稳能力是十分不合理的，相反通过增加加强圈以相应缩短其计算长度则是十分行之有效的经济举措。筋的截面可以是矩形、T形、工字形、槽钢、角钢等，但尤以矩形截面最为经济，其次是T形截面。尽管加强圈的设置可以大幅度降低壳体的壁厚，但并不是加强圈的数量越多越好，我们可以根据标准公式计算出这个最佳值，进而确定加强圈的数量和截面尺寸。

4 零部件设计

首先，在许可的情况下应尽可能选择种类相同或相近的零部件材料，这样有利于制造时的备料，缩短制造周期，体现零部件设计在制造方面的合理性；其次，在可能的情况下零部件的规格种类应尽可能统一，且在结构设计时就应考虑到这一问题，包括螺栓、螺母的选用；第三，应尽可能采用标准件，这样有利于专业化生产，相应也就能获得较低成本的零部件，如容器的封头、法兰、塔器的塔内零部件等（目前都有较多的厂家专门生产且质量容易得到保证）；第四，零部件的规格和类型上应尽可能选用常用系列，如筒體和封头应尽可能选用100mm或200mm的档次，而不宜选用50mm的档次，否则将需加工专门的模具来制造，必然会使设备的造价增加。

结束语

在现代社会经济飞速发展的大环境下，化工行业也得到较快速度的发展，化工产品生产力明显提升，但这势必就对化工压力容器设计的经济合理性提出更高的要求。经济合理性是化工压力容器设计中应当考量的重要因素，明确设计要求的基础上，掌握化工压力容器设计的正确方法，从而最大程度上满足化工产品生产需求，为化工行业的健康发展打下良好的基础。

参考文献

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