李國軍(東華工程科技股份有限公司,安徽 合肥 230000)

壓力容器設(shè)計(jì)中的常見問題及防范策略

李國軍(東華工程科技股份有限公司,安徽 合肥 230000)

對于壓力容器來講，設(shè)計(jì)水平的高低，在很大程度上決定了其使用的可靠性和安全性，就當(dāng)前壓力容器實(shí)際設(shè)計(jì)情況來看，其中存在較多的問題有待解決，不利于其基本功能和應(yīng)用價(jià)值的有效發(fā)揮，存在較高的危險(xiǎn)性。為提高壓力容器設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量，就需要針對設(shè)計(jì)中的常見問題采取必要的防范措施。

壓力容器；設(shè)計(jì)問題；防范策略

壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中一種不可或缺的重要設(shè)備，主要功能是在一定壓力條件下，存儲液體或者氣體，壓力容器質(zhì)量及性能的良好性，會直接影響了工業(yè)生產(chǎn)的順利、安全進(jìn)行，所以，必須從設(shè)計(jì)階段入手，加強(qiáng)對壓力容器質(zhì)量和性能的控制。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中所用到的壓力容器類型多種多樣，不同種類壓力容器的特性也存在明顯差異，對設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求也是不一樣的。目前，設(shè)計(jì)不科學(xué)、不合理現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，對壓力容器設(shè)計(jì)中的常見問題及防范策略進(jìn)行研究分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 壓力容器設(shè)計(jì)原則

為確保壓力容器質(zhì)量達(dá)標(biāo)，滿足用戶要求，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則。第一，滿足工藝要求。壓力容器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛，所面臨的工作環(huán)境和工作條件多種多樣，這就需要結(jié)合實(shí)際使用要求，從壓力、溫度、生產(chǎn)工藝等幾方面進(jìn)行綜合考慮，以滿足不同工藝要求。第二，確保靈活實(shí)用性。為方便壓力容器檢查與維護(hù)，應(yīng)在保證壓力容器使用安全，以及基本功能有效發(fā)揮的前提下，盡可能的簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低維護(hù)維修難度，節(jié)約設(shè)計(jì)制作成本。第三，保證使用安全。壓力容器是在特定壓力條件下使用的，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，如果因設(shè)計(jì)不合理造成故障問題，很容易引發(fā)安全事故，所以，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)著重考慮壓力容器的安全性能，提高其使用安全系數(shù)，延長其使用壽命。這些都是壓力容器設(shè)計(jì)過程中，所要遵循的基本原則。

2 壓力容器設(shè)計(jì)中的常見問題

2.1材料選擇問題

材料是影響壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量及使用性能的最主要因素，材料選擇是否合理，決定了壓力容器設(shè)計(jì)成功與否，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常因材料選擇不當(dāng)，造成壓力容器強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)性能等各項(xiàng)特性，達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)，其使用壽命較短。比如，所選材料強(qiáng)度和質(zhì)地較差，不滿足壓力容器設(shè)計(jì)要求及使用要求，在工作過程中出現(xiàn)故障問題的概率較高。另外，當(dāng)材料厚度較薄或者較厚時(shí)，會對壓力容器的強(qiáng)度造成一定的影響，并且其結(jié)構(gòu)性能也會發(fā)生變化。除此之外，如果在選擇壓力容器材料的時(shí)候，沒有從經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行性分析，則可能會造成設(shè)計(jì)制造成本較高，一旦出現(xiàn)問題，很容易造成壓力容器無法進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)制造。

2.2 使用壽命問題

現(xiàn)階段壓力容器使用壽命設(shè)計(jì)方面，也暴露出了一些問題有待改善。首先，設(shè)計(jì)人員缺乏對壓力容器使用壽命問題的足夠重視，在設(shè)計(jì)過程中，沒有對其作出明確、具體的規(guī)定，無法為壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供可靠依據(jù)，存在較大的隨意性，導(dǎo)致壓力容器制造質(zhì)量參差不齊，實(shí)際投入使用的時(shí)間也長短不一。其次，雖然在一些壓力容器設(shè)計(jì)工作中，對其具體使用壽命做出了規(guī)定，但是壽命長短都是由設(shè)計(jì)人員結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)而定的，所給出的壽命數(shù)值科學(xué)性較低。

2.3 法蘭設(shè)計(jì)問題

在當(dāng)前壓力容器設(shè)計(jì)工作中，法蘭設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所存在的問題是比較突出和明顯的，尤其是尺寸和強(qiáng)度方面，經(jīng)常出現(xiàn)不滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求現(xiàn)象，降低了壓力容器設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，在使用過程中存在較大的安全隱患。造成這種問題的根本原因，是在進(jìn)行法蘭設(shè)計(jì)時(shí)，出現(xiàn)較大計(jì)算誤差，導(dǎo)致法蘭設(shè)計(jì)匹配度角度，其尺寸和強(qiáng)度都不合理。

2.4 熱處理問題

在壓力容器設(shè)計(jì)過程中，熱處理環(huán)節(jié)的問題也是比較常見的，無法保證壓力容器使用的安全性和可靠性，不利于工業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行。一方面，在對壓力容器進(jìn)行熱處理時(shí)，沒有嚴(yán)格依照標(biāo)準(zhǔn)流程和規(guī)范操作進(jìn)行，處理不當(dāng)或者操作失誤現(xiàn)象屢見不鮮，導(dǎo)致壓力容器設(shè)計(jì)缺陷的出現(xiàn)，影響了其制造質(zhì)量和使用性能的良好性。另一方面，壓力容器熱處理不夠完整，現(xiàn)階段在對壓力容器進(jìn)行熱處理時(shí)，側(cè)重點(diǎn)一般都放在了封頭和殼體方面，而忽視了接管處的熱處理，整體熱處理效果不夠理想。

3 壓力容器設(shè)計(jì)中常見問題的防范策略

3.1 科學(xué)選用容器材料

在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，第一點(diǎn)便是要選擇最為合適的材料，以提升材料應(yīng)用價(jià)值。首先，應(yīng)全面了解不同類型材料的特點(diǎn)及屬性，包括材料強(qiáng)度、韌性、受力特性、耐腐蝕性等，對其使用性能進(jìn)行評估和比較，結(jié)合壓力容器設(shè)計(jì)及使用要求，從性能較好的材料中做出選擇。其次，還需要根據(jù)壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及強(qiáng)度要求，從材料厚度方面進(jìn)行考慮，既要避免因厚度不足造成強(qiáng)度較弱問題，又要杜絕因厚度較厚造成壓力容器重量過大問題。另外，應(yīng)選用價(jià)格比較便宜的材料，以市場上常用材料為主，降低壓力容器設(shè)計(jì)制造成本，確保能夠順利完成批量生產(chǎn)。

3.2 確保使用壽命達(dá)標(biāo)

確保壓力容器使用壽命達(dá)標(biāo)，是對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮的問題，具體實(shí)現(xiàn)方式包括以下幾點(diǎn)。第一，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高對壓力容器使用壽命問題的重視力度，明確及具體壽命數(shù)值，在生產(chǎn)制造時(shí)應(yīng)以此作為標(biāo)準(zhǔn)，保證壓力容器質(zhì)量及性能的良好性，另外，壓力容器的維護(hù)與更新也需要參照該壽命數(shù)值進(jìn)行。第二，在確定壓力容器具體使命壽命年限時(shí)，設(shè)計(jì)人員除了結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)之外，還需要從壓力容器使用環(huán)境、材料性能等幾方面進(jìn)行考慮，并使用電腦軟件對其實(shí)際使用情況進(jìn)行模擬，保證設(shè)定使命年限的合理性。第三，把操作不當(dāng)?shù)纫蛩乜紤]在內(nèi)，并在圖紙相應(yīng)位置予以警示。

3.3 準(zhǔn)確計(jì)算法蘭數(shù)值

法蘭設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)效果會直接影響到整體設(shè)計(jì)質(zhì)量，加強(qiáng)對法蘭設(shè)計(jì)的控制，對提高壓力容器設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量意義重大。國際上較為通行的壓力容器法蘭設(shè)計(jì)方法為Waters法。法蘭的應(yīng)力由3部分組成：法蘭力矩產(chǎn)生的應(yīng)力；由壓力直接作用于法蘭本體(包括法蘭環(huán)、錐頸和直邊段三部分)上引起的軸向和環(huán)向應(yīng)力(法蘭環(huán)上可忽略)；由組成法蘭的三個(gè)部分間由于壓力作用下變形協(xié)調(diào)引起的邊界力產(chǎn)生的應(yīng)力。在實(shí)際操作過程中，應(yīng)對壓力容器法蘭設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從法蘭結(jié)構(gòu)連接方式、受力特性、所用材料性能等幾方面進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)及使用要求，得到較為精準(zhǔn)的法蘭設(shè)計(jì)參數(shù)，包括法蘭設(shè)計(jì)尺寸、強(qiáng)度、厚度等，確保法蘭設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性，以提高壓力容器設(shè)計(jì)的安全系數(shù)。

3.4 規(guī)范熱處理設(shè)計(jì)

保證熱處理的規(guī)范性和完整性，是壓力容器設(shè)計(jì)過程中必須做好的一項(xiàng)任務(wù)。一方面，在對壓力容器進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程和操作方式，在設(shè)計(jì)圖紙中清楚、詳細(xì)的標(biāo)注出來，并嚴(yán)格圖紙標(biāo)注內(nèi)容進(jìn)行，提高熱處理的規(guī)范化和程序化程度，實(shí)現(xiàn)更加理想的熱處理效果。另一方面，要從整體性方面對壓力容器熱處理進(jìn)行考慮，特別是做好換熱管固有頻率的計(jì)算，照Macduff-Feglar法計(jì)算換熱管固有頻率在計(jì)算振動(dòng)時(shí)，Macdaff．Felgar的方法被廣泛應(yīng)用，即TEMA第6版的RGP—RC一4.562所推薦的公式，它的表達(dá)式為：

式中：fn為管子固有頻率；Cn為頻率常數(shù)、下標(biāo)n為振型的階數(shù)；

J為截面的慣性矩；g為重力加速度。

此外，還應(yīng)該做好包括封頭、殼體、接管等各個(gè)部件的熱處理工藝，嚴(yán)格把控每一個(gè)部件的熱處理工藝，提升整體設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié)語

做好壓力容器設(shè)計(jì)工作，是提高壓力容器制造質(zhì)量和使用性能的必要措施，必須提高重視力度，從各個(gè)方面加強(qiáng)控制，提高設(shè)計(jì)水平。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)明確壓力容器基本設(shè)計(jì)原則，并做到嚴(yán)格遵循，然后通過科學(xué)選用容器材料，確保使用壽命達(dá)標(biāo)，準(zhǔn)確計(jì)算法蘭數(shù)值，規(guī)范熱處理設(shè)計(jì)等對策，改善并解決壓力容器設(shè)計(jì)中的常見問題，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，杜絕質(zhì)量缺陷問題的出現(xiàn)，進(jìn)而才能確保壓力容器使用的安全性及可靠性，充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，更好的服務(wù)于、工業(yè)生產(chǎn)。

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[2]束怡.壓力容器設(shè)計(jì)中容易忽視的問題研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012,(07)∶30-31.