化工压力容器设计及不安全因素分析

王庭秀（杭州余杭獐山钢瓶有限公司，浙江 杭州311107）

现阶段，多数工业企业在生产经营期间都大量应用压力容器，尤其是化工、炼油企业。压力容器的可靠性和安全性会直接影响化工企业的生产安全，甚至影响企业的经营。对于压力容器来说，设计压力和设计温度的确定是最基本、最重要的设计问题。按照容器的设计规范与要求，必须合理选择设计压力，设计压力是容器顶部的最高压力，比工作压力值略高。在进行容器设计压力确定时，应当先明确工作压力以及安全系数问题。所以在初期规划和设计过程中，就必须确保压力容器的安全性和可靠性，在后期建造与安装过程中，也需要注重合理性和规范性，全面维护化工企业压力容器设计的实效性。

1 压力容器的设计概述

压力容器在使用规则设计方法时，抗拉强度安全系数在2.7左右；压力容器在使用分析设计方法时，根据不同标准安全系数会降低到2.4～2.6。近年来由于材料技术和质量的提升，各国通过降低规范安全系数来提升材料许用应力，明显减少了原材料消耗量，使得压力容器的成本大幅降低。通过分析设计方法的使用，能够确保压力容器设计的轻量化。按照我国压力容器安全技术监察规程的相关规定能够看出，合理调整焊接方法、无损检测以及材料复验，进行科学分类并辅以风险评估技术，在对安全系数进行调整之后，能够实现节能减排效果。设计压力容器时，必须遵循节能降耗要求，确保满足使用要求的同时对结构型式进行简化。在满足稳定性要求下，优先使用小尺寸结构的元件。满足制造质量的同时，应当不断减少检测环节的高要求以及制造难度。所以必须合理讨论压力容器的设计问题。

2 压力容器设计的不安全因素问题

2.1 容器使用年限因素

现阶段，在设计和制造压力容器时，普遍比较关注使用年限问题，这样能减少由于压力容器超过设计使用年限服役所致安全隐患问题，降低安全事故发生率。通过压力容器规范中的规定能够看出，在进行压力容器设计时，设计人员必须保证容器的使用寿命。然而以前某些设计人员没有足够重视压力容器的使用年限问题，从而导致某些压力容器使用单位明知其存在使用年限问题，也不注重检修和维护。认为压力容器只要还可以继续使用，就不顾超出设计使用年限的风险。尽管这种方式能够增加企业的经济效益，但多为短期效益，违反行业规范要求，使用安全性无法得到保障，一旦压力容器出现安全事故后果不堪设想。

2.2 材料选用因素

在设计压力容器时，选择材料必须结合压力容器的使用年限、强度性能以及结构功能。设计人员在设计过程中，会受到用户需求、外观大小及具体使用环境的影响。多数压力容器都运行于高压力和复杂温度环境中。所以在选择材料时必须严格按照相关标准和规范执行，充分考虑压力容器的耐腐蚀性能和内外部受力情况。

2.3 压力容器热处理问题

多数设计人员比较注重压力容器的封头和壳体的热处理，没有注重弯管的热处理问题。按照钢板热处理的相关文件能够看出，在一般情况下，必须对钢板冷成型且变形量超标的受压元件进行热处理。当压力容器盛装有较强腐蚀性或毒性液体时，钢材厚度在成型之后会减少，并且会形成不均匀的残余应力，为了确保安全性，相关规范要求对于变形率超标的设备必须通过热处理工艺确保材料恢复原有性能，对容器壳体与封头进行热处理。设计人员一般会特别注意该问题。但是在弯管设计期间，很多人却容易忽视热处理问题，从而导致材料出现变形超标导致的性能指标不合格问题，不满足相关规定与标准。

2.4 压力容器制造变形问题

因为会受到多道工序影响，所以如果某些工序控制不当压力容器就会大概率出现超标变形。压力容器罐体冷加工与焊接，会引发压力容器变形。焊接施工期间所产生的高温，会导致罐体焊接变形。使用压力容器期间若操作不当，可能会导致内应力增加、裂纹产生甚至容器变形的问题。在制造压力容器期间，由于加工误差大，制造工艺不规范等，也会导致压力容器装配变形。比如封头部件会在高温情况下出现严重变形收缩就是其中一个例子。

2.5 压力容器焊接问题

在制造压力容器期间，也必须关注到焊接作业工艺。多数压力容器质量问题都会表现在焊接制造环节，压力容器焊缝错边、未焊透、未熔合、裂纹、咬边等都是严重影响产品质量的因素。因此，当焊接工艺设计不理想时，就可能会降低容器的强度，导致容器承压能力不足，质量和安全性无法保证。

3 压力容器设计的有效措施

3.1 使用年限设计

在进行压力容器使用年限确定时，设计人员应当充分考虑到压力容器制造材料以及使用环境等，对压力容器材料的耐腐蚀性能进行测算，以此降低安全事故发生率。同时设计人员还应当对压力容器的使用年限进行模拟，考虑操作不当等因素，在设计图纸上标示出重要的注意事项。

3.2 合理选择设计材料

在压力容器设计过程中，材料属于重点和核心。必须采用合理的材料进行设计，以满足容器的材料标准、设计标准以及实际要求。在选用和变更材料时，应当结合容器的使用环境和标准要求，确定科学的材料选用和代用方案，这样能够确保压力容器设计的合理性和实用性。

3.3 压力容器的热处理

个别压力容器设计单位为了降低使用成本，可能会在设计过程中没有考虑到热处理问题。例如某些铝合金板和碳素钢板在成形期间，若没有接受热处理，将会导致材料内部出现应力集中问题，对板材的冲击韧性造成影响，使其无法满足标准要求。

3.4 控制容器焊接变形

在焊接操作过程中，压力容器可能出现变形问题，应当按照容器具体情况对焊接工艺进行设计。在容器焊接时，首先应当进行整体定位组装，之后再进行焊接。为了确保焊接受力的均匀性，应当合理安排焊接顺序。压力容器组合焊接时，还应当注重焊接收缩量的数值问题。为了避免焊接部位出现变形，可以考虑使用反向预变形的焊接工艺，这样有助于减少焊接变形问题。针对由于内应力所致容器变形问题，需要采用焊接后进行热处理的工艺。焊接内应力多出现于大温度梯度情况下，因此应当根据标准要求考虑是否提前预热容器的焊接区域到适当的温度，避免焊接残余应力及变形过大的问题产生。针对由于设计误差所致变形问题，必须详细检查模具和样板是否按照标准尺寸进行设计，这样能够降低由于容器形位误差所致变形问题。在降低形位误差期间，应当深入分析热胀冷缩问题，避免误差过大，设计合适的预先收缩量并满足制造要求。

4 结语

综上所述，由于众多行业领域都在使用压力容器，尤其表现在化工、炼油领域，然而由于压力容器及其使用存在一定的危险性，若控制不当会直接影响企业的正常生产运营。所以在进行压力容器设计时，必须深入分析和研究各设计因素，并充分考虑压力容器的操作使用中的风险评估，确保其设计的安全性和可靠性，这样有助于为使用压力容器的企业保驾护航，在较大程度上维护企业良好的生产运营。