压力容器设计中常见问题及设计优化的探讨

时间：2016-07-28

来源：压力容器设计专家——周先生

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【导读】压力容器设计的合理性不仅影响容器的制造和成本，也影响容器的使用安全，意义重大。本文分析了压力容器设计中常见的问题，并探讨了压力容器的优化设计措施。

随着经济的发展，压力容器的使用越来越频繁。压力容器的设计一般是要满足使用安全以及使用经济性等基本要求的，这就要求我们在进行压力容器的设计时要选择合理的、科学的设计方法、参数以及材料等等。一个合格的压力容器，不仅需要具备正常的使用性能，其使用的安全性也是极其重要的。压力容器的设计通常包括了其结构、刚度、强度以及密封设计等方面的内容。本文就压力容器在设计过程中出现的问题进行探讨，并分析优化设计的措施。

一、压力容器的设计原则以及要求

一般来讲，压力容器的设计步骤主要是首先要根据客户的使用方面的需求，掌握了容器使用的条件，进而确定设计的参数。然后进行容器结构方面的分析、选材以及选择合理的标准和规范，同时需要进行容器的强度计算和应力分析，以便确定构件的尺寸和材料，最后便是进行图纸的绘制，提供设计的计算书和其他的技术文件。一个压力容器，在投入使用之前，都是要经过设计、制造、安全、检验、运行以及维护等多方面的工作，设计是其中重要的环节之一。

压力容器目前广泛的应用于包括化学工业、石油、科研以及能源工业等国民经济发展的各行各业，是一种必不可少的设备。在压力容器的使用时，尤其以石油和化学工业对其设计要求较高，这主要是由于压力容器在这些行业使用时会涉及到使用安全性，所以使得其设计以及生产的过程都比较复杂，要求设备有过硬的质量指标，才会确保在使用中的安全和功能的发挥。压力容器设计的主要内容有主题设备的工艺设计以及附属设备的选型设计、设计计算和校核以及罐的制造施工以及采取的焊接方式。所以，压力容器在设计时，需要满足以下的要求：

1、满足工艺要求
压力容器要求压力、温度和工艺生产中所需要的比如厚度、直径以及容积等要求的规格和诸如开口孔以及密封圈等结构，这些方面的要求在其应用于石油行业和化工行业中时是必须要满足的要求。

2、使用寿命的保障
由于受到受用条件等外部的侵蚀、物质的腐蚀以及容器自身发生的老化现象等的影响，压力容器其使用寿命都有一定的周期，所以为了确保所承装的物料不泄露、压力容器使用良好，设计人员通常在进行压力容器的设计时候要采取加大安全系数的措施，以便来应对上述因素对于压力容器所造成的使用寿命缩短的影响。

3、确保使用安全
通常，存储于压力容器中的物料都具有一定的毒性或者是腐蚀性，容易引起火灾的发生，有的甚至会导致爆照等事故的发生，这些物料在压力容器存储的过程中其内部会积累一定的能力，一旦容器自身受到破坏，这些能量将会瞬间释放，产生很大的摧毁力和破坏力，所以需要确保使用安全。

4、要具备较好的使用便捷性
使用方便应该是需要贯穿于整个加工、验收、装机以及使用和维护的过程中的。要满足这种要求，就需要降低压力容器使用的危险系数，切实的提高容器的安全性。简单的结构设计，不仅会给加工和检验带来便利，同时也保证了设备的质量，这也会从一定程度上给使用企业日后的维护带来便捷，降低使用成本，给企业带来一定的经济效益。

二、压力容器设计过程中常见问题分析

1、经济性
压力容器在选择使用材料是，不仅需要考虑到设备的设计温度、设计压力、材料的焊接性能以及介质的特性和冷热加工性能以及容器的结构，还需要考虑到其经济和理性。压力容器的整体造价通常是取决于设备的材质以及总体质量的。在设备的总质量里面，其中壳体的质量占有很大的比例，尤其是那些内容及比较大的容器，其壳体的质量几乎占据设备质量的80%-90%。因此，在保证容器使用要求的前提下，在材料选择时，应该选择那些价格比较低的材料来降低制造成本。除此之外，应该选择合理的结构尺寸，这样可以降低容器壳体的质量，从而实现降低设备造价，最终使得设备建造经济和合理。

2、材料许用应力跳档
对于压力要求比较高的容器，其封头通常是比较厚的，封头的成形会有一定的减薄量。容器的筒体在热成型的时候，也存在一定的减薄量。有些设计人员进行这类设计计算的时候，对于筒体以及封头没有考虑到其减薄量，反而是在制造的时候加入成形的减薄量，这样会造成板料厚度的增加，从而降低材料的许用应力，使得设计的厚度不足，所以设计人员在设计的时候需要注意厚板类材料其许用应力跳档等问题。

3、非标法兰的设计
根据标准《压力容器法兰》，其主要是适用于公称压力≤6.4MPA，相应的公称直径≤800mm；《钢制管法兰、垫片、紧固件》标准中规定对于较大直径的法兰使用于公称压力≤16MPA，公称直径≤2000mm。可是，在实际过程中，经常会遇到容器的直径以及设计的压力严重的超出了上述的界限，这种情况下就需要设计法兰的时候其结构的的尺寸要通过计算来满足强度方面的要求。

三、压力容器的设计优化

新科技、新材料以及新技术的使用，使得压力容器在具有发展机遇的同时也面临着挑战。客户使用要求的增加，使得原来的设计思路以及方法显得较为的落后，为了更好的解决这种矛盾，应该通过适当的减少对应力计算过于严格以及合理增加许用应力的数值，从而使设备的安全性得到很大的提高。要做好压力容器的设计优化，可以从以下几个方面着手：

1、选用好材料
压力容器所使用的材料不仅要具备很好的承受温度、耐受压力，还需要具备良好的焊接性能、合理的结构以及密封性能，在这些基础指标达标的情况下，要优化其经济性以及使用安全性，并做好权衡，不能盲目的设计而导致设备的成本增加。

2、区别对待
在压力容器设计时，需要做好区分对待。对于不同的应力，其失效的表现就会不同。即使是同一个应力，由于其分布的不同也会造成失效的表现不同。压力容器中有很多的负荷，比如压力容器内部和外部的压力、容器自身的重量、容器与外界的温度差以及容器所使用的零部件所带来的重量，这些负荷种类繁多，但是这些负荷在容器上所产生的应力只表现为三种：一种是初次应力、第二种是二次应力以及峰值应力。这三种应力有的是同时存在，有的时候是个别存在，所以我们要针对实际的情况，区分来对待。

3、优先强度属性
如果客户对于压力要求的承受力比较高、并且整个容器的体积很大、结构壁厚，在这种情况下就不可以使用传统的Q245R等碳素钢的材料，这样会增加壁厚，而是应该满足设备强度的要求下，选择低合金钢。倘若，客户要求的压力不高、壳体壁厚不厚的情况，就可以选择一般的碳素钢。做到这一区别的条件是，壁厚计算厚度为8mm。

4、设计要注重细节
热处理一般是用在冷成型或者是温成型的压力容器的元件中，在我们进行设计的时候，我们需要对设备的主题其筒体的工艺编排中要考虑到，但是很容器的就会忽略了对于接管以及封头等附件的热处理工艺方面的编排，这样就会导致设备的设计出现了短板，也降低了容器使用的寿命，提高设备的使用危险性，给设备日后的使用带来了安全隐患。所以，在进行容器的设计时，需要注重设计的细节。

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