洪佳新

化工壓力容器的選材及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

洪佳新

（肇慶市惠喜機(jī)械制造有限公司，廣東肇慶 526200）

在化工壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，材料的選擇和補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)非常重要。采用高性能的材料和高技術(shù)的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)能夠保證化工壓力容器有良好的質(zhì)量。介紹了化工壓力容器在材料選擇中的主要方法，探討了補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的技術(shù)設(shè)計(jì)要領(lǐng)，分析了應(yīng)力變化的原因并有針對(duì)性的提出相應(yīng)的核算設(shè)計(jì)建議，根據(jù)不同溫度條件下材料的變化，和結(jié)果分析選用材料組成成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，希望具有借鑒意義。

化工壓力容易；選材；補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；探析

在化工操作中，化工壓力容器整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用，在對(duì)筒體材料的選擇上，必須按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)操作。實(shí)際過(guò)程中，設(shè)計(jì)及制造單位容易對(duì)化工壓力容器的壓力標(biāo)準(zhǔn)存在理解錯(cuò)誤，因此必須針對(duì)其試用過(guò)程中存在的問(wèn)題采用材料替換并進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，來(lái)完成對(duì)化工壓力容器的維護(hù)工作。

1　針對(duì)主體材料的選用

1.1如何選用壓力容器設(shè)計(jì)主體材料

壓力容器主體材料能夠決定壓力容器的安全，在壓力容器設(shè)計(jì)中，必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程選用材料，重視介質(zhì)特征對(duì)材料的影響。在選材中要考慮溫度、工作介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力及壽命的影響。例如，在硫濃度環(huán)境中不能采用低合金鋼，而要采用碳素鋼，充分利用氧化膜的保護(hù)特點(diǎn)，并考慮到氯離子過(guò)多或者高溫氫腐蝕中選材的禁忌，重視壽命、易燃易爆程度和毒性程度對(duì)選材的影響。壓力容器主體材料選用不但要考慮容器壓力、溫度，還要考慮介質(zhì)特性是否會(huì)影響到材料腐蝕等化學(xué)性能。另外，采用符合物理化學(xué)性質(zhì)的新型代用材料能夠減少投入成本。

1.2如何選用壓力容器補(bǔ)強(qiáng)材料

補(bǔ)強(qiáng)材料要求強(qiáng)度較低，考慮補(bǔ)墻面面積及焊接存在的負(fù)面反應(yīng)。厚壁接管不僅可以直接鍛煉加工，還可以采用無(wú)縫鋼管。如果補(bǔ)強(qiáng)所需壁厚較薄且設(shè)計(jì)壓力較小，可以采用無(wú)縫接管。反之，則可以采用鍛件加工制造。補(bǔ)強(qiáng)圈、筒體、厚壁接管材料最好強(qiáng)度相同，才能保證經(jīng)濟(jì)性，總之要考慮到材料強(qiáng)度、焊接情況及經(jīng)濟(jì)性等多種因素。

2　壓力容器補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的方法和影響

補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法是壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，而接管開(kāi)口處設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)中最難，因此在補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中需要注意。首先，對(duì)接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸精確設(shè)計(jì)。其次，重視接管結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力。再次，對(duì)接管開(kāi)孔焊接結(jié)構(gòu)面積著重控制防止偏差。最后，分別處理各種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3種補(bǔ)強(qiáng)方式之中，整體加厚殼體補(bǔ)強(qiáng)通過(guò)增加筒體或封頭壁厚，從而降低開(kāi)孔應(yīng)力，如果筒體排孔或封頭開(kāi)設(shè)較多可以應(yīng)用這種方式。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)雖然效果不佳，之后應(yīng)力集中系數(shù)大，但是制造方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因?yàn)槠漭^低的抗疲勞性，所以常在常溫、靜壓的低壓容器中應(yīng)用。整鍛件補(bǔ)強(qiáng)，其補(bǔ)強(qiáng)效果好，但是制作困難，成本較高，所以在重要設(shè)備中應(yīng)用。補(bǔ)強(qiáng)圈厚度按照設(shè)計(jì)要求和壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定，根據(jù)與殼體厚度的大小關(guān)系可分為3種情況，如果殼體和補(bǔ)強(qiáng)圈厚度相等，選擇狀態(tài)最佳。它能充分利用材料從而減少浪費(fèi)，并且能方便備料。如果筒體直徑低于300mm，補(bǔ)強(qiáng)圈若符合補(bǔ)強(qiáng)面積，厚度可以低于筒體。有時(shí)補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)中補(bǔ)強(qiáng)面積達(dá)不到補(bǔ)強(qiáng)效果，可以采用3種方式，即增加筒體厚度、增加補(bǔ)強(qiáng)圈或者接管的厚度、增加補(bǔ)強(qiáng)圈寬度或者開(kāi)孔處局部筒體厚度。

3　針對(duì)壓力容器選材設(shè)計(jì)的具體分析

3.1壓力容器設(shè)計(jì)選材和壁厚變化影響因素

某化工企業(yè)需要設(shè)計(jì)一臺(tái)壓力容器，要求以丙烷液化石油氣作為介質(zhì)，用常溫設(shè)計(jì)溫度，二類(lèi)容器。因?yàn)橹圃靻挝辉撲摬牟牧蠋?kù)存等問(wèn)題，申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)單位用抗拉強(qiáng)度更高的某鋼材替代。然而制造單位沒(méi)有對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加以理解，導(dǎo)致了材料代用后，容器的類(lèi)別出現(xiàn)了變化。除此之外，焊接工藝、材料等都發(fā)生變化，不再不接原來(lái)的設(shè)計(jì)風(fēng)格。當(dāng)存在壓力容器設(shè)計(jì)材料代用情況，不能一味采用更高強(qiáng)度鋼材代用。因?yàn)?，高合金鋼?qiáng)度比碳素鋼和低合金鋼好，但是它冷加工和焊接性能相對(duì)較差。鋼制壓力容器設(shè)計(jì)雖然看似重視材料的強(qiáng)度，其實(shí)鋼材的韌性度和塑性最重要。另外，將厚度較高的鋼材代替厚度低的鋼材也不行，因?yàn)橹辉黾雍穸入y以從根本上對(duì)容器殼體受力問(wèn)題進(jìn)行解決。

3.2壓力容器溫度變化影響

某企業(yè)需要設(shè)計(jì)制造壓力容器，溫度是470℃。要采用16MnR來(lái)對(duì)15CrMoR進(jìn)行替代。查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)后得到的相關(guān)強(qiáng)度如表1所示。替換后的鋼材在350℃內(nèi)強(qiáng)度指標(biāo)都比替換前的鋼材要高，如果溫度高于425℃，那么前者強(qiáng)度指標(biāo)就會(huì)高于后者。因此在一定溫度條件下不能隨意代替。如果在425℃條件下長(zhǎng)時(shí)間使用碳錳鋼和碳素鋼，應(yīng)該考慮到碳化物會(huì)的石墨化傾向。因?yàn)閮煞N鋼在高溫下，鋼中滲碳逐漸分解，從而讓16MnR鋼內(nèi)的珠光體逐漸消失，導(dǎo)致材料塑性和強(qiáng)度降低，沖擊值也顯著下降，從而給生產(chǎn)帶來(lái)加大的危險(xiǎn)。

表1　多種溫度下兩種材料的應(yīng)力

4　結(jié)束語(yǔ)

化工壓力容器在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中容易因?yàn)閴毫?biāo)準(zhǔn)理解失誤導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)材料代用問(wèn)題，材料選擇和補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)都應(yīng)該考慮到對(duì)壓力容器的安全運(yùn)行加以維護(hù)。不能一味的以厚代薄或者以?xún)?yōu)代劣，防止對(duì)材料和壓力容器的性能帶來(lái)影響，從而增加危險(xiǎn)的發(fā)生概率。

［1］ 柳秀梅，袁興海.化工壓力容器選材與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)分析［J］.化工管理，2015，（3）：113.

［2］ 李穎.壓力容器開(kāi)孔管選材及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)分析［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011，31（11）：132；183.

Pressure Vessels for Chemical Analysis of Material Selection and Reinforcement Design

Hong Jia-xin

In the chemical industry pressure vessel design process for the selection and design of reinforcement material is very important.High-performance reinforcement materials and high-tech design to ensure chemical pressure likely to have good quality. Chemical analysis of the pressure vessel in the main method of material selection，discussed the reinforcement design of technical design essentials，analyzes the causes of stress and targeted design recommendations propose appropriate accounting impact conditions and results for the material at different temperatures analysis of selected material composition，structure and properties of factors，hoping to be learned.

chemical pressure vessel；selection Reinforcement Design；Analysis

TH49

B

1003-6490（2016）06-0043-02

2016-06-15

洪佳新（1974—），男，廣東豐順人，助理工程師，主要從事化工設(shè)備、壓力容器設(shè)計(jì)工作。