压力容器设计中常见问题及设计优化的探讨

吴成义+赵明+曹野

摘要：压力容器在我国的工业生产中具有非常重要的作用，尤其是在石油、化肥产业中，利用频率相当高，由此我们不难发现压力容器长期处于恶劣的工作环境中，所以在进行压力容器设计的时候，无论是选材还是工艺，都必须进行严格的甄选，既要使其满足工作条件，又要满足压力要求，避免压力容器在工作中出现破损现象，保证生产过程的安全与稳定。

关键词：压力容器；压力容器失效；优化设计

引言

由于压力容器工作性质的特殊性，使用最多的就是用来存储液体或者气体，并且这些液体和气体具有高强的腐蚀性、易燃易爆性，一旦泄露十分危险，所以，压力容器首先应该具有很好的密闭性。随着科学技术的进步，为了满足工业生产的各种要求，压力容器出现了多种多样的种类，性能也有了很大的提高。为了控制压力容器的质量，确保其安全性，国家也颁布了一系列的法规，制订了相应的设计规范与质量标准。虽然如此，在压力容器的设计中仍然有一些常见的问题，本文就针对这些问题展开探讨，并提出相应的优化策略。

一、压力容器设计中常见问题

1、设计中材料选择问题

压力容器千变万化，其使用材料也是各种各样，而材料不一样，压力容器的使用功能也有一定的差异，影响着容器的性能，所以材料的选择在压力容器设计中非常重要。另一方面，在材料的选择上，需要考虑的因素比较多，是比如客户的喜好、容器运行的环境、使用人员的不同、工艺的要求、体型的差异等等。但是在实际设计的时候，仍然会出现各种的干扰因素，影响对压力容器材料的选择。比如用户要求降低厚度，那么设计人员又要重新根据这一要求进行再次的计算，检验，然后重新做出设计方案；当然，也有客户人为壁厚不够要求增加的，这时候设计人员就应该对用材进行重新选择，既可以满足客户要求，又能达到受力及耐腐蚀条件，还可以节约成本。

2、设计中图样标记的使用年限问题

对于压力容器来说，使用年限是体现其价值的重要因素，另一方面，压力容器的使用年限，在很大程度上影响着其使用的安全性，对工作人员的生命财产安全的保护具有很大的影响。然而，在实际的设计中，大部分的压力容器都存年限设计不合理的问题。例如在设计中，将条件设置为理想状态，没有考虑应力腐蚀因素。这种情况下，很多压力容器的实际使用年限都比设计年限要多，所以，当其已经存在安全隐患的时候，仍然用于工业生产，必将埋下重大安全隐患。一旦出现问题，压力容器出现破损，就可能引发火灾甚至危险性爆炸，对工作人员的生命造成威胁，对工业生产车间造成重大损失。

3、制造中热处理问题

对于钢板的热处理，相关规范明确规定，当钢板为冷成形，或者相关元件在受压时，一定要进行热处理，比如容器的介质具有一定的应力腐蚀性、容器内长时间储存毒性物质以及容器壁在成形之后减少10%等等；当钢板为冷成形，但是其变形率超过规范要求，并且没有给出合理的热处理方案，就无法恢复材料性能。正常情况下，设计人员对于压力容器的壳体、封头等地方都会要求进行热处理。

4、使用中介质腐蚀问题

虽然说腐蚀系统多种多样，但是不管哪一种，都有可能由于外在的恶劣环境影响而出现应力腐蚀现象，发生应力腐蚀都有一个相同点，就是材料长久处于高温高腐蚀的环境下，出现持久的拉應力，通过一定的积累，导致容器表面出现破损，一旦发生泄露、裂缝等，就有可能引发火灾、爆炸等为危险系数比较高的安全事故，造成恶劣的影响与重大损失。

三、压力容器设计优化措施

1、设计用材改变的预防措施

很多时候客户会根据自己的想法，对用材进行更改，那么当这种情况出现，设计人员首先应该对材料的来源进行审核，其次根据新材料的性能进行受力以及耐腐蚀、耐高温的计算检验，核查其是否适合在限定的条件下正常工作，然后根据检验结果对客户进行合理的建议，如果所有条件均可满足，则可以采纳更换材料的意见。总之，当换材情况发生，一定要以安全为基本考虑因素，综合确定用材的风险，给出最佳方案。并严格执行固容规的规定，所有变更必须经过原设计单位的同意，并书面答复。

2、使用年限设计的防范策略

在设计年限方面，设计人员必须参照《固定式压力容器安全技术监察规程》，严格遵守规程中的要求进行设计，这是不能触碰的底线，也是设计的基本原则，在设计完成的图纸中，必须明确注明该压力容器的设计使用年限。在设计的过程中，应该考虑容易所处的工作环境，容器的介质，以及设计压力等相关因素，计算出容器的耐腐蚀、耐高温高压的承受度，从而推算其合理的使用年限，提高容器的可靠性，保证容器安全。为了进一步提高其安全性，设计人员可以假设一个最恶劣的环境，以此条件测算其最低使用年限。另一方面，在设计年限的测算中，设计人员还应该考虑到工作中可能出现的不良操作，在设计中加以说明。总之，就是必须综合多种因素，制定合理的使用年限。

3、预防应力腐蚀破裂的设计

几乎所有的腐蚀系统中都会出现应力腐蚀的现象，其主要原因，是金属在某种特定的腐蚀环境，同时长时间处于高温的状态下，由于抵抗高温金属表面具有一定的拉应力，由此在金属表面形成的晶界或者穿晶裂纹，当裂纹逐渐增多，达到一定的体积，就有可能出现裂缝，导致严重的后果。根据这个问题，设计人员必须根据应力腐蚀指标、材料拉应力的特点以及容器焊接时残余应力的特点，有针对性的对可能出现的腐蚀形状、危险程度、破坏特点进行预测。然后根据这些预测结果制定预防策略，最大程度上减小应力腐蚀。

结语

只有对压力容器进行科学设计，综合全面的考虑各种可能出现的情况，才能最大限度的保证压力容器的质量，保障其安全生产，其设计质量的好坏，直接决定着其在生产过程中能够发挥的价值，对于工业来说非常重要。因此，相关设计人员在进行压力容器的设计的时候，一定要考虑全面，尤其是对于容易出现漏洞的地方，要经过反复的核查、检验，只有这样才能确提升压力容器的性能，在国内工业生产中，发挥出其应有的价值。