压力容器设计的若干技术问题及解决途径

王院利 许俊佳 许运涛

（中国联合装备集团安阳机械有限公司，安阳 455000）

压力容器是化工、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广泛使用的承压设备。随着社会经济的快速发展与高新科技的进步，我国的压力容器设计水平与制造能力有了突出的成就。近些年，我国已自行设计和制造了600MW与1000MW的核电站设备、一千万吨的炼油装置及一百万吨的乙烯装置等。从压力容器整个行业来分析，现时期我国大多数企业，在压力容器的设计上都存在技术性的问题。本文章对压力容器设计中存在的几种常见问题进行了分析，并且针对这些问题提出了相对应的解决途径。望可以为本行业的发展提供一定的参考。

1 压力容器设计的技术问题

1.1 压力容器设计中方法选择的问题

目前，压力容器的两种设计方法分别是常规设计和分析设计。常规设计主要是按弹性失效准则，以第一强度理论为基础，考虑壳体的薄膜应力，即最大主应力，并将其控制在材料的许用水平内，来确定主要受压元件尺寸的设计方法。常规设计的设计标准有，我国的GB150《压力容器》、美国的AsME Ⅷ-1《压力容器》和日本的JIsB8243《压力容器构造》等。分析设计是根据塑形失效准则、弹塑性失效准则和疲劳失效准则，采用最大剪应力理论，来确定受压元件尺寸的设计方法。与分析设计相对应的设计标准包含，我国JB4732《钢制压力容器-分析设计准则》、美国的AsME Ⅷ-2《压力容器建造一另一规则》、欧盟的PrEN13445-3《非接触火焰压力容器》与日本的JIsB8250《压力容器构造-另一标准》等。

1.2 压力容器设计开孔补强的问题

在压力容器的设计与生产过程中，开孔是无法避免的一类常见问题。压力容器在开孔以后，其整体的强度会有不同程度的减弱，并且，开孔的局部区域所产生的应力会相对较集中，主要有局部薄膜应力、弯曲应力和峰值应力。产生这种现象的主要原因是：

（1）壳体开孔后，原来承受均匀的薄膜应力被损坏，在孔边缘产生了分布很不均匀的边缘应力，即局部薄膜应力，同时使应力较为集中；

（2）在壳体开孔边缘与接管的连接处产生的不连续应力；

（3）壳体和接管的连接拐角区域由于截面的不规则过渡而产生应力的集中。

1.3 压力容器设计焊接的问题

焊接是压力容器制造的重要工序，焊接质量在很大程度上决定了压力容器的制造质量。压力容器的焊接方面的问题包括，如何避免和控制裂纹、咬边、气孔、夹渣等焊接缺陷；因焊接缺陷造成的截面受力不均匀，并产生应力集中；焊接接头的不均匀性、局部加热融化及迅速升温和急速冷却等特点，使其在焊接过程中，不可避免地产生焊接残余应力与变形，直接导致焊接裂纹的产生。

1.4 压力容器设计腐蚀的问题

现时期，大部分的压力容器由金属性质的材料构成。压力容器和环境间的反应会导致材料破坏、损坏或变质，这种现象称作压力容器腐蚀。压力容器的腐蚀按作用机理可分成：物理性的腐蚀、化学性质的腐蚀、应力性的腐蚀与电化学的腐蚀等。影响腐蚀的原因主要包含，介质温度和压力、流速和各类溶液的PH值等。容器的腐蚀裕量是由介质对材料的腐蚀速率与设备计划使用寿命所决定的。由于大部分的工艺过程很难确切给出材料的具体腐蚀速率，所以腐蚀裕量通常是由设计人员粗略估测得出的。从而，导致设备成本和安全存有误差。对于接管腐蚀裕量，现时期对其取值的范围仍存在争议，有些是以容器的壳体腐蚀裕量当作接管腐蚀裕量，有些选用容器壳体中的一半当作接管腐蚀裕量。如果由容器的壳体腐蚀裕量来确定接管腐蚀裕量，则对薄壁接管的开孔补强不足。所以，针对接管腐蚀裕量，建议采取与筒体腐蚀裕量相统一的数值，而对于小直径或是薄壁的接管，则需采用合适的补强措施，如采用硬壁管或者是锻制管。

从邵力子处出来后，黄炎培又跑去找国民参政会的副秘书长雷震。雷震是国民党内颇有名气的法学家，颇受蒋介石的信任。他听了黄炎培的叙述，当即答应两点：一是马上向蒋介石反映，二是最近找戴笠谈一下，建议他亲自上门向黄炎培赔礼道歉。雷震还力劝黄炎培不要到处找人了，以免给“政府”造成不良影响。

2 压力容器设计问题相应的解决途径

2.1 压力容器设计中方法选择问题的解决

压力容器的常规设计，属于简单并且容易执行，但又相对较保守的一种传统性的设计方法。该方法把最大应力当作设计的参数依据，无需思考结构所产生的热应力、局部应力、边缘应力及峰值应力等。以常规设计为基础的压力容器虽然安全性较高，但是所需的成本也较高，并且比较死板笨重。压力容器的分析设计，是通过使用数值计算技术，以第三强度理论和第四强度理论为基础，来明确压力容器具体的设计参数。同常规的设计相比较，分析设计能够节约20%～30%的材料，可有效的降低制造的加工量，减少运输方面的费用等。但是，分析设计针对材料的选择、制造、检验与验收的规定要求，均需比常规的设计更为严格。所以，设计人员需结合压力容器的相关设计标准，再参照现实的生产需要，充分考虑制造运输的成本，合理科学的选用压力容器的相应设计方法。

2.2 压力容器设计开孔补强问题的解决

在压力容器的设计当中，开孔补强这种设计方法属于一个重点、难点。开孔补强法的基本原理主要可划分成等面积法和分析法。等面积法主要是把受拉伸开孔的大平板当作计算的模型，将补强壳体一次加载时的总体平均应力当作补强的原则。由于壳体截面开孔，所以被削弱的承受强度面积一定要选用补强的材料给予同等面积的补偿。此外，由于等面积法是基于静力平衡的补偿计算方法，因而它不适用于有疲劳强度要求的开孔补强计算。分析方法主要是对壳体的极限进行深入分析，要比等面积的方法更为合理和科学，但是会受开孔壳体与补强接管尺寸的影响和局限。

压力容器针对开孔补强所采取的措施主要包含：（1）增加筒体厚度；

（2）增大补强圈厚度或接管厚度；

（3）增大开孔周围的筒体厚度或增加补强圈的整体宽度。

2.3 压力容器设计焊接问题的解决

如果压力容器其封密性不合格，在应用的过程中发生泄漏，不但会对其内部的介质起不了充分的保护作用，有可能还会对施工人员其自身的安全形成不同程度的威胁。

解决焊接裂纹的方法有：

（1）选择使用低氢型的焊条；

（3）合理选择适合的焊接技术。

焊接咬边指的是，在焊接的时候焊接的位置发生凹槽。防止焊接咬边的方法主要有：

（1）选择与焊接材料选择相适应的焊接方法，合理调整焊接的电流大小和角度；

（2）焊接的工作人员在进行焊接时，需随时观察焊接处的各种变化，确保可以及时察觉焊接咬边并及时的给予有效的处理。

焊接气孔指的是，焊接的时候熔池当中的气体不能得到有效的析出。解决焊接气孔的途径有：

（1）确保对接口、坡口周边的清洁；

（2）管控溶渣本身的浓度；

（3）随时更换焊条。

2.4 压力容器设计腐蚀问题的解决

为了可以使压力容器的使用期限延长，一般所采取的解决措施有：

（1）选用合适的材料；

（2）应用延缓腐蚀的制剂；

（3）提升压力容器的焊接质量；

（4）应用防腐蚀的涂料；

（5）衬里形式的防护；

（6）在容器壁表面喷丸强化；

（7）加强管理和维护。

除此以外，在设计压力容器的过程中，设计人员需综合的考虑压力容器的服役环境会对其所造成的影响，并且，以腐蚀的最大速度当作计算的依据，来确定压力容器最大的腐蚀裕量。

3 结束语

综上所述，压力容器的设计与压力容器设备在工业生产当中的作用有直接性的关系。只有严格的依据国家的有关规定及压力容器其行业中的标准规定来实施科学合理的设计，才可以保证压力容器在使用期间的安全性及可靠性，从而提升压力容器行业在市场中的竞争力及其生产的效益。