孫希寧　楊春玲　董以恩

摘 要：壓力容器正確完整的設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到保證完成工藝生產(chǎn)，運(yùn)行安全可靠，保證使用壽命、制造、檢驗(yàn)、安裝、操作及維修方便易行，經(jīng)濟(jì)合理等要求。基于此，本文就壓力容器的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析和闡述，希望可以為壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)方法

隨著工業(yè)不斷發(fā)展和工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，壓力容器的操作條件越來越苛刻，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。壓力容器所處理的介質(zhì)往往是易燃易爆或者有毒的，一旦發(fā)生事故將造成不可估量的損失。因此對(duì)壓力容器的安全及優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得極為重要，探索更好地設(shè)計(jì)方法也是促進(jìn)其予以更好發(fā)展的重要根基。

1 壓力容器概述

一般來說，壓力容器就是符合《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中所定義的容器，即工作壓力≥0.1MPa；容積大于或者等于0.03m3并且內(nèi)直徑（非圓形截面指截面內(nèi)邊界最大幾個(gè)尺寸）≥150mm；盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體以及介質(zhì)最高工作溫度高于或者等于其標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體。

壓力容器具有極為廣泛的用途，諸如石化、科研、能源、軍工等都是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域，并在多部門中擔(dān)任重要設(shè)備。壓力容器一般情況由筒體、封頭、接管、法蘭、密封元件等元件組成，因?yàn)槠鋵?duì)密封、承壓、介質(zhì)的應(yīng)用，極容易發(fā)生爆炸和環(huán)境污染，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得極為重要。

2 壓力容器設(shè)計(jì)方法

壓力容器的設(shè)計(jì)可以采用規(guī)則設(shè)計(jì)方法或者分析設(shè)計(jì)方法，必要時(shí)也可以采用試驗(yàn)方法或者可對(duì)比的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。壓力容器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)給予設(shè)計(jì)條件，綜合考慮所有相關(guān)因素、失效模式和足夠的安全裕量，以保證壓力容器具備足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗腐蝕性，確保壓力容器在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的安全。

2.1 規(guī)則設(shè)計(jì)方法

規(guī)則設(shè)計(jì)方法就是采用彈性失效準(zhǔn)則，對(duì)容器各處實(shí)際存在的應(yīng)力一般不進(jìn)行嚴(yán)格而詳細(xì)的計(jì)算，在對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗(yàn)等作出相應(yīng)限定后，用比較簡(jiǎn)單的計(jì)算公式確定元件厚度以保證容器安全性的設(shè)計(jì)方法。規(guī)則設(shè)計(jì)是對(duì)材料力學(xué)、板殼薄膜理論的簡(jiǎn)化，其僅是對(duì)“最大荷載”工況的考慮，以一次施加的靜力荷載作為處理原則，忽略邊緣應(yīng)力、局部應(yīng)力，以及熱應(yīng)力，對(duì)于容器的疲勞壽命同樣不再考慮范圍內(nèi)。一般來說，較高安全系數(shù)的采用，能夠?qū)?yīng)力采用統(tǒng)一許用應(yīng)力值分析不足的情況予以彌補(bǔ)。

2.2 分析設(shè)計(jì)法

應(yīng)力容器除了薄膜應(yīng)力之外，還存在局部應(yīng)力和溫差應(yīng)力，一旦局部應(yīng)力超越了材料的局限值，容器的整體部分，或者說其大部分區(qū)域都將處于彈性狀態(tài)之中，屈服的局部區(qū)域因?yàn)槭艿綇椓^(qū)的影響，其變形量則會(huì)增加，極容易導(dǎo)致整個(gè)容器應(yīng)用效能的喪失。這時(shí)候常規(guī)設(shè)計(jì)就無法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對(duì)于此種問題的產(chǎn)生給予更好的解決措施，軟件的應(yīng)用及推廣，讓分析設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，其依托于計(jì)算機(jī)分析軟件，結(jié)合失效觀點(diǎn)來對(duì)其設(shè)計(jì)過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而讓壓力容器的設(shè)計(jì)更為科學(xué)。

2.3 試驗(yàn)方法

對(duì)某些難以用解析方法或者數(shù)值方法進(jìn)行應(yīng)力分析的壓力容器元件，借助應(yīng)力測(cè)定或驗(yàn)證性壓力試驗(yàn)等以證實(shí)該元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理或確定其最大許用工作壓力。

2.4 可對(duì)比的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

對(duì)某些難以用解析方法進(jìn)行應(yīng)力分析的壓力容器元件，容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以確定結(jié)構(gòu)要素，并且所設(shè)計(jì)的容器具有長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，可以借助在用容器的使用經(jīng)驗(yàn)證明該元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理或確定其最大許用工作壓力?？蓪?duì)比的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)屬于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)范疇。

在上述四種設(shè)計(jì)方法中，前兩種設(shè)計(jì)方法是普遍應(yīng)用的。規(guī)則設(shè)計(jì)方法應(yīng)用的情況較為廣泛，但是其設(shè)計(jì)的結(jié)果更為保守，所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易存有瑕疵。分析設(shè)計(jì)主要采用彈塑性失效準(zhǔn)則，對(duì)容器各處應(yīng)力進(jìn)行比較嚴(yán)格而詳細(xì)的計(jì)算。分析設(shè)計(jì)法相比較規(guī)則設(shè)計(jì)方法來說，其費(fèi)用較高，但是所進(jìn)行的設(shè)計(jì)則更加科學(xué)、合理，在應(yīng)用過程中也更加能夠促進(jìn)壓力容器特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，越來越受到人們的關(guān)注和歡迎。

另外首次引入基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)理念，也就是基于失效模式的設(shè)計(jì)方法。壓力容器事故的主要原因是受壓元件的失效。由于壓力容器本身所具有的爆炸能量，以及所含介質(zhì)外泄可能導(dǎo)致的次生危害，都會(huì)對(duì)人員和設(shè)施構(gòu)成危險(xiǎn)，因此使用壓力容器本身就具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。近年來，壓力容器向大型化、高參數(shù)、長(zhǎng)周期、高風(fēng)險(xiǎn)方向發(fā)展，損傷模式更加復(fù)雜，維護(hù)和檢驗(yàn)的難度加大，失效的風(fēng)險(xiǎn)性增加。在設(shè)計(jì)階段全面考慮壓力容器的風(fēng)險(xiǎn)控制，根據(jù)其可能出現(xiàn)的失效模式采取相應(yīng)的防護(hù)措施，保障在使用過程中的安全是一全新的設(shè)計(jì)理念。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求設(shè)計(jì)者對(duì)壓力容器的機(jī)械設(shè)計(jì)和安全附件設(shè)計(jì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，通過對(duì)全設(shè)計(jì)壽命中的危害識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制來完成風(fēng)險(xiǎn)管理。

3 結(jié)語

工業(yè)時(shí)代的發(fā)展對(duì)于壓力容器的需求量越來越大，做好壓力容器是時(shí)代發(fā)展的要求，更是工業(yè)發(fā)展的必然發(fā)展。嚴(yán)格遵守可靠性、安全性、完整性、經(jīng)濟(jì)性等原則來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能夠真正推動(dòng)壓力容器的發(fā)展，才能夠讓壓力容器的應(yīng)用效能越來越高，才能夠真正提升容器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，讓壓力容器的發(fā)展成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大支撐。