浅析压力容器的选材及补强设计

颜洁

摘要：压力容器的整体结构在化工生产中起着重要作用，壳体材料的选择必须按照相应的标准进行。在实际生产过程中，设计制造单位容易对化工压力容器的压力标准产生误解，因此必须针对试用过程中存在的问题，采取材料更换和加固设计，完成化工压力容器的维修。本文对压力容器的选材及补强设计进行探讨。

关键词：压力容器;选材;补强设计

引言

材料的选择和补强设计，直接影响化工压力容器的质量，在设计过程中占据重要的作用。如果材料选择不合理，补强方面不完善，都会导致结构强度及补强设计等出现各种问题，使化工压力容器的稳定运行受到制约。基于此，本文对化工压力容器的选材要领进行了详细的论述，并对补强设计相关技术问题进行探讨。

一、压力容器的选材

1.选材原则

在材料选择期间，应该考虑化工压力容器的设计压力、设计温度、介质特性等操作条件，考虑材料的抗腐蚀能力、焊接性能、冷热加工性能、力学性能等因素。同时，材料的性价比等也是考虑的重要因素。在同一工程的设计中，相同操作条件的化工压力容器所使用的材料尽量统一。在实际选材过程中，秉承经济实用的选材原则，对容器在工作中产生的压力和温度等因素进行综合性的分析，与材料的自身特点相结合，经过深入的研究和分析，选择性能和经济合理性最佳的材料，保证化工压力容器在使用过程中不存在安全方面的隐患，避免不必要的投资浪费。

2.主体材料选用

大部分化工原料对人体和环境带来非常大的威胁。在化工压力容器进行设计过程中，需要严格对材料进行筛选，确保化工产品可以在安全与稳定的环境条件之下进行生产。针对强度比较大的压力容器，可以根据压力、温度、介质等使用限制，非受压元件依次选用Q235A、Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等钢板。受压元件依次选用Q245R、Q345R、Q370R、16MnDR等钢板。所需不锈钢钢板厚度大于12mm时，宜采用衬里、复合钢板、堆焊等结构形式，且不锈钢应尽量不用于设计温度小于或等于500℃的耐热钢。针对以强度为基础的设备，需要结合实际的设计温度、压力、介质特性等情况，并以强度安全要求为核心考量，对材料进行针对性的选择，化工压力容器材料选择宜参照化工行业标准HG/T20581—2020《钢制化工容器材料选用规定》的相关要求执行。

3.补强材料的选择

化工压力容器补强具有不同的方式，主要以补强圈补强方法为主。在进行补强圈补强期间，补强材料宜与壳体材料相同，当壳体材料许用压力大于补强材料许用压力时，应按许用应力比计算依据适当增加补强面积，当壳体材料许用压力小于补强材料许用应力时，不得减少补强面积。对于接管材料与壳体材料不同时，由于强度削弱系数即设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值fr的取值最大为1.0。对于选择强度等级较高的材料，对补强面积效果没有影响。在化工压力容器进行设计时，整体壳体加厚的补强方式在实际压力容器补强中应用频率不高，但是针对那些不能进行补强圈补强的工程，可以使用管壁补强方式，同时对接管厚度与壳体开孔处的厚度比严格进行控制，范围宜0.5～2。此外，还需要对化工压力容器的温度、压力等进行全方位的考虑，结合实际需要，选择最佳的材料。

4.化工压力容器选材时的其他注意事项

化工压力容器选材期间，需要对材料质量进行科学、全面的检测，并按要求开展相关试验进行复验，以确定材料质量符合实际需要，使材料质量可以得到有效的保障，使压力容器更加安全，能够保持长久稳定性。

二、压力容器的补强设计要点

1.开孔补强设计要点

在压力容器局部加固结构设计中，应特别注意局部加固结构设计，补强圈补强、整体锻造补强和厚壁管焊接。厚壁管补强技术在设计上具备了焊接质量良好、结构简单、焊缝少等特征，保证了节点的加固。采用了整体锻件的补强技术，即将接管、补强结构和壳体零件组成部分都进行了加工，使其发展成为一个完整的锻件，然后将接管与壳体经焊接相互作用，这样就可以大大降低了应力的集中度，从而促使经过补强的材料具备较高的耐腐蚀和抗疲劳性能。但是在整体压力容器的补强工作技术中却存在着使用频率较低、造价相当昂贵的问题，在化工压力容器的强化作业中普遍存在。此外，补强环技术通常用于低温低压容器，其工作原理是在无限大板上开一个小孔。将加强板材料焊接在板材外壁上，可以提高孔边金属的强度。

2.开孔补强应力论述

化学压力容器穿孔后产生三种应力，即膜应力、峰值应力和弯曲应力。一般而言，压力容器可能直接受到均匀膜上的应力限制。开孔后，孔边应力集中，受孔和孔之间距离的影响，但总膜应力不大于孔边应力水平。当压力容器开孔后，压力容器和连接部件的范围内应力分布变化相对减少，造成峰值应力的发生和集中应力值增加。将各种压力容器弯曲应力均匀地分解成为主应力，以协调壳体和连接管之间的动力学关系，同时也产生了相應的弯曲应力，使得压力容器在正常工作中难以受到破坏。

3.补强结构分析

（1）环形加固。补强环法就是一种很常见的补强方法。板厚是指用来提高材料在开孔周围的容器外壳上所承受的强度。本实用新型专利技术框架结构简单，加工和制造简易，应用经验丰富。在进行设计过程中，我们应该要充分考虑到补强环、接管及壳体之间的合理焊缝结构，以便于生产。由于这种加强环没有与接管和外壳体相互集成，抗疲劳和耐腐蚀性能也比较差，通常适用在普遍的常温、静压下的中高压容器;（2）厚壁管补强。厚壁管可以集中应力集中区域，比加强环更能有效地降低应力集中系数。本实用新型的结构也比加强环简单，不需要叠加焊接。在使用厚壁管补强时，在补强范围外可采用减小壁厚以满足抗压强度可降低的方法，这样可以节省一些材料。

三、开孔补强实际操作应该注意的问题

在进行开孔补强设计时，需要对相关注意事项进行明确，为设计质量提升提供保障，严格按照相关要求对接管厚度进行科学的计算，才能保证设备的准确性。在接管开孔补强设计时，为避免接管大端端部内壁处的尖角产生应力集中，通常需要将其进行倒角处理，此时开孔补强计算面积中应减去倒圆角所减少的补强面积，否则可能出现实际补强面积小于需要补强面积的情况。对于厚壁接管补强和补强圈补强结构，角焊缝是补强结构中最薄弱的部位，设计时应对补强结构中角焊缝的无损检测要求进行详细规定，对角焊缝进行必要的磁粉或渗透检测，避免在开孔补强结构中留下事故隐患。如果接管厚度不合理会对焊接质量产生直接影响，如果厚度比较小将难以承受介质压力的冲击。因此，需要对接管厚度进行严格的控制，具体需要结合实际操作条件，合理控制厚度，避免接管厚度不合理而影响补强效果，有时为了满足实际工程的要要，可以适当增加厚度，同时可以将接管深入到压力容器壁中，这样接管厚度可以相应减少，从而增加开孔压力容器局部厚度，保证设计的可靠性和科学性。开孔接管结构的横向截面与径向截面应力集中程度及应力集中范围往往不一致，开孔补强时，宜充分了解开孔接管周边应力分布情况后，再有针对性地确定各方位的补强面积。

结束语

压力容器是化工生产中的重要设备，其安全性直接关系到化工生产活动。因此科学选择压力容器材质，优化补强设计是压力容器设计的重要内容。在材料的选择过程中，必须遵守相关要求，使材料的质量满足实际需要，而加固设计工作需要考虑到施工成本、技术和安全，以维持化工压力容器的正常运行。

参考文献：

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