近些年来, 伴随着社会经济的快速发展, 我国的压力容器已逐渐被广泛使用于各个经济领域中, 尤其是压力容器在化工、石油等经济领域中的使用最为广泛, 约占整个系统的62%。在设计压力容器时, 其质量的优劣与整套设备的先进性、可靠性以及安全性等存在密切关系, 能直接影响着整个国民经济以及人民的生命财产安全[1]。设计作为一项较强的综合型的工作, 对设计人员提出更高的要求, 设计人员需要具备丰富的专业知识及技能。比如, 熟练掌握压力容器的组织结构、材料性能、零件的受力情况以及容器的制造、检验等方面。目前, 设计是一项画图电脑化以及计算电算化的结合体, 设计人员通常借助电算工具进行数据统计, 缺乏熟练掌握压力容器的设计指标, 并未确认容器输入数据的正确与否, 仅侧重于结果, 忽视了其的计算过程, 进而易于出现错误的结论以及存在一定的安全隐患, 这严重影响着压力容器的安全使用, 需要引以为视。
按照GB150—1998《钢制压力容器》规定, 在选取JB4700～4707标准容器法兰时, 可免除计算其的法兰强度。但在设计管壳式的换热器以及由塔节共同构成的塔器过程中, 对于其所选取的法兰, 均应参照标准容器法兰, 并给予校核。事实上, 在设计管壳式的换热器中, 进行容器法兰校核的目的在于:在计算固定管板的法兰时, 为表现其和法兰垫片的压紧力存在密切的参量, 才加以校核管箱法兰。而对塔器法兰进行附加校核, 是为了验证塔节的法兰强度是否经过风载荷或者地震载荷的转换压力后校核, 两者的核算本无密切关联, 但其的校核结果常常会出现厚度不够的现象。因此, 对于这一问题, 设计人员在设计时, 应加以注意。
应力腐蚀常出现于不同的腐蚀系统, 但不论何种, 均由于金属材质在固定腐蚀环境下合并承受持久高温的拉应力作用而形成的晶界或者穿晶裂纹, 当裂纹的体积逐渐演变成一定数值时, 即便应力尚未达到材质的承载极限, 也会引发空前绝后的破裂。较为常见的应力腐蚀系统有:无水液氨、碳钢、奥氏体不锈钢、湿H2S和低合金钢等。由应力腐蚀而产生的持久高温拉应力, 通常出现在容器操作时的热应力、容器内压导致的常规应力以及容器焊接时的残余应力等, 其中由于容器焊接时而产生的残余应力占多数。腐蚀系统的不同, 其形成的应力腐蚀指标、环境条件也有所差异, 但只要达到各自相应的数值, 便会出现相同的腐蚀形状、危险程度、破坏特点[2]。对于这一问题, 在实际设计中, 通常采用预防应力腐蚀破裂的基本对策, 例如, 改善应力的腐蚀环境、改进容器的结构设计、降低其的设计应力、提升制造的精确度等, 这些方面对各种应力腐蚀系统均能适用。由于湿H2S系统的应力腐蚀常伴有酸性的腐蚀, 因此, 对其的设计, 应更加仔细及严格, 切忌误认为这种预防方法的效果和适用性有所差别。
由于设计人员在操作压力容器时未能很好确定其的操作参数, 进而难以精确估计整个容器的使用寿命。若压力容器的运行时间超出其所设计的使用寿命时, 缺少相关的法规政策规定检修人员如何处理压力容器的故障, 从而造成不必要的安全事故。对此, 压力容器的寿命设计问题始终是国内设计单位及人员极其避及的问题之一。然而, 在现实生活中, 设计人员难免会遇到有关压力容器的寿命设计问题, 具体原因主要包括以下几个方面:第一, 材料的力学性能方面, 比如高温断裂、蠕变等对时间的依存性较大。第二, 载荷方面的因素, 比如周期性的载荷。第三, 受到腐蚀的因素制约, 进一步影响了容器的使用寿命等。
依据GB150—1998《钢制压力容器》的规定要求, 设计人员在设计压力容器的使用寿命中, 应根据预计的容器介质及寿命加以计算金属材质的腐蚀速度, 进而确定其的腐蚀裕量。容器的腐蚀速度主要包括两个方面, 即介质本身的腐蚀与介质流动对压力容器材料的磨蚀。《压力容器安全技术监察规程》中的相关规则规定:“为预防及避免容器操作时超过其预计寿命而发生相应的安全事故, 通常情况下, 设计单位应在容器的设计图纸上标注其的使用寿命”。另外, 在其他的法规政策中也有所规定[3]。
压力容器的预计使用寿命并非等于其的实际寿命, 其仅是设计人员为使后续的操作依次进行而做出的估算。在设计图纸上标注预计寿命, 目的是为了给容器的操作及使用者引以为戒, 当容器的实际使用寿命超出预计的寿命时, 能及时采取相应的解救对策, 从而避免不必要的安全事故发生。
最后, 压力容器的寿命设计作为一个较为复杂的难题, 包含着材料选取、结构设置以及腐蚀数据等众多的设计要素, 其预计的准确与否, 主要取决于设计人员的水平及经验。不论是为了满足设计的要求, 还是提升设计人员的水平, 均应在设计图纸上标明容器的预计寿命。
总而言之, 压力容器的设计作为安全技术与操作过程有机结合的重要产物, 有效合理的设计, 将取得令人满意的成果[4]。对于上述举例的技术问题, 是设计压力容器的过程中, 极易被忽略且发生的关键, 设计人员应给予高度重视, 并引以为戒, 避免相关技术问题的发生, 从而造成不必要的技术损失。
摘要：压力容器的设计是一项艰巨且复杂的过程, 在设计期间难免会出现和设计要求不符合、理解不透等设计缺陷, 进而提出不恰当的技术或者结构要求, 最终导致容器在制造及使用方面存在一定的材料及工时问题, 严重者将直接影响到整个容器的安全性能。对此, 本文针对压力容器设计过程中存在的不合理要求及问题进行分析, 仔细讲解其中的利弊关系, 避免造成不必要的损失。
关键词：压力容器,设计,技术问题
[1] 申长吉.压力容器设计过程中常见的问题分析[J].自动化应用, 2011 (6) .
[2] 马炳贤.压力容器设计若干技术问题解析[J].硫磷设计与粉体工程, 2011 (6) .
[3] 曹志强, 刘国新, 刘柏序.从压力容器设计谈新版GB150安全系数的变化[J].石油和化工设备, 2011 (9) .
[4] 沈建萍.多种无损检测技术在压力容器制造与维修中的应用分析[J].化学工程与装备, 2011 (11) .
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