曹志峰

東營市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 山東東營 257091

從壓力容器的實(shí)際應(yīng)用可以看出，可帶來較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，因此受到了石化領(lǐng)域的青睞，其應(yīng)用比值在石化領(lǐng)域中越來越重。但由于在具體應(yīng)用壓力容器時，會面臨惡劣的自然環(huán)境，一旦設(shè)計過程中出現(xiàn)紕漏，可能會埋下不利隱患，從而降低其使用效率，甚至在某些情況下會形成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，因此必須重視石化領(lǐng)域中壓力容器的設(shè)計工作。

1 化工設(shè)備壓力容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)

壓力容器其常規(guī)設(shè)計主要將最大化的主應(yīng)力基本強(qiáng)度理論作為基礎(chǔ)，主要選用彈性失效的基本準(zhǔn)則，而該理論則認(rèn)為壓力容器在某一應(yīng)力點(diǎn)一旦進(jìn)入屈服的基本狀態(tài)，或是造成材料出現(xiàn)塑性流動，就會喪失其彈性的基本狀態(tài)，即為失效。常規(guī)性的設(shè)計在其應(yīng)力方法分析上考慮單一的最大載荷工況，按一次施加靜載處理，不考慮交變載荷，不區(qū)分短期和永久載荷，也不涉及疲勞壽命的問題，以簡化的材料力學(xué)公式和板殼理論中的無矩理論公式為主。所有的應(yīng)力采用統(tǒng)一許用應(yīng)力值，為保證安全，通常選擇安全系數(shù)較高的應(yīng)力值，彌補(bǔ)應(yīng)力點(diǎn)分析存在的問題。隨著當(dāng)前化工設(shè)備其壓力容器自身參數(shù)的不斷變化，尤其是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)設(shè)計過程中存在的彈性失效基本準(zhǔn)則已很難滿足具體設(shè)計需求，同時以往常規(guī)性的設(shè)計方式過于保守，我們針對該問題應(yīng)采取新型失效觀點(diǎn)進(jìn)行處理。其分析設(shè)計以最大剪應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，采用以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計方法，在分析設(shè)計中考慮各種載荷條件可能的組合，打破以往應(yīng)力計算工作的局限性，從而促進(jìn)應(yīng)力值的不斷提升，還要確保壓力容器自身穩(wěn)定性和安全性。此外，在對壓力容器進(jìn)行設(shè)計時，還應(yīng)利用多種基本準(zhǔn)則，將失效準(zhǔn)則作為基礎(chǔ)，從而增加彈性失效和彈塑性失效，以及爆破失效準(zhǔn)則等，保證化工設(shè)備壓力容器工程設(shè)計工作的準(zhǔn)確性和安全性[1]。

2 壓力容器設(shè)計使用過程中存在的不安全因素

2.1 使用壽命過長

隨著壓力容器的使用時間的不斷延長，其性能會出現(xiàn)一定程度的衰減，相關(guān)材料的質(zhì)量也會出現(xiàn)下降。在生產(chǎn)過程中，壓力容器的使用壽命過長，會導(dǎo)致其出現(xiàn)一系列的安全問題。相關(guān)專家學(xué)者研究表明，大量的化工企業(yè)對壓力容器使用壽命都不夠重視。在生產(chǎn)過程中，存在著大量的超壽命運(yùn)行的的壓力容器。一部分壓力容器的相關(guān)部件老化極為嚴(yán)重，其在生產(chǎn)過程中存在著大量的安全隱患?；谏鲜鲈颍麄€設(shè)計工作中要提高整個設(shè)備的使用壽命，保障壓力容器的安全性。

2.2 材料選擇不合理

材料選擇和應(yīng)用對壓力容器的總體設(shè)計質(zhì)量具有關(guān)鍵性的影響。在選擇材料的過程中，要結(jié)合實(shí)際情況合理選擇，要充分考慮其安全因素的影響，包括應(yīng)用情況、結(jié)構(gòu)特征等，既能夠保障壓力容器設(shè)計質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，也能夠提升其安全性能和使用效果，為化工企業(yè)生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益的提升大有助益。在對材料進(jìn)行選擇時，還要注重符合相關(guān)規(guī)定的要求標(biāo)準(zhǔn)，對材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和把關(guān)控制，防止在應(yīng)用過程中發(fā)生滲漏或者是腐蝕問題。此外還要注重充分考慮其應(yīng)用環(huán)境以及人為操作等因素，保障材料選擇的合理性和可靠性。

2.3 熱處理技術(shù)不到位

目前我國大多數(shù)企業(yè)的壓力容器的設(shè)計多存在處理技術(shù)不到位的問題，主要表現(xiàn)在壓力容器的焊接接頭處和殼體位置的熱處理，過于重視而壓力容器的彎管位置的熱處理工作不到位，因?yàn)閴毫θ萜魇且粋€統(tǒng)一的整體，如果在某一方面不能做到有效處理，則會大大降低壓力容器的安全系數(shù)[2]。

2.4 加工誤差變形

壓力容器封頭壓制后，會出現(xiàn)封頭曲率與標(biāo)準(zhǔn)封頭的曲率超差，造成設(shè)備使用過程中，封頭處的壓力和設(shè)計預(yù)計值偏差較大，影響容器的安全性能。所以，加工及備料過程，是一種導(dǎo)致變形的因素。究其原因，大多是工人放置胚料的位置不正確或封頭模具不標(biāo)準(zhǔn)等所致。備料誤差所致的變形，一般是鋼板方面。鋼材在吊裝、運(yùn)輸及存放過程中，經(jīng)常承受各種外力的作用，導(dǎo)致彎曲、扭曲、翹曲等變形。

2.5 焊接質(zhì)量問題

壓力容器制造中焊接屬于必要工序。壓力容器的制造質(zhì)量直接受焊接技術(shù)水平的影響，如焊接過程中焊接人員未能嚴(yán)格遵循技術(shù)規(guī)范要求，或具體焊接過程存在電流大小控制不準(zhǔn)確情況，導(dǎo)致焊接部位承受強(qiáng)度能力將出現(xiàn)顯著下降，同時出現(xiàn)較高的安全隱患。存在這類問題的焊接部位往往會很快在腐蝕性工作環(huán)境下出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

3 壓力容器設(shè)計過程中問題的優(yōu)化方式

3.1 設(shè)計方式選擇的應(yīng)對措施

對比分析設(shè)計和常規(guī)設(shè)計模式可以看出，對于前者而言，其在確定相關(guān)參數(shù)時，一般利用數(shù)值計算的方式，將第三或第四理論作為依據(jù)來進(jìn)行計算。相較常規(guī)設(shè)計，此類設(shè)計方式可降低兩到三成的材料成本，降低運(yùn)輸及制造等方面的成本輸出。然而，對比常規(guī)設(shè)計各類要求，此類設(shè)計擁有更高的標(biāo)準(zhǔn)，如選擇材料、檢驗(yàn)等；對于后者而言，其同分析設(shè)計相較，整個過程易執(zhí)行，且簡單不復(fù)雜，屬于傳統(tǒng)保守層次。由于常規(guī)設(shè)計的參數(shù)依據(jù)源自最大應(yīng)力，因此設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計的過程中，可以不考慮其中產(chǎn)生的峰值應(yīng)力、邊緣應(yīng)力、局部應(yīng)力及熱應(yīng)力等。當(dāng)然這也使得此類設(shè)計方式擁有較高的安全性，但從其經(jīng)濟(jì)性可以看出，其耗費(fèi)的成本較高。由此，相關(guān)人員在進(jìn)行壓力容器設(shè)計時，除了要充分考慮實(shí)際生產(chǎn)需要，了解其實(shí)際使用環(huán)境和成本支出，還應(yīng)充分參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)合理的進(jìn)行選擇，以在提升壓力容器質(zhì)量的同時，降低其成本損耗[3]。

3.2 規(guī)范壓力容器熱處理流程

如何降低熱切割鋼板的變形，已經(jīng)越來越受到各個領(lǐng)域技術(shù)人員的重視。熱切割產(chǎn)生的變形，矯正難度很大，嚴(yán)重時會影響使用。防止熱切割時產(chǎn)生變形，可采取在切割板材時跳留若干間斷點(diǎn)段，使母材板與被切割工件的板材相連，抑制工件的上翹和冷縮現(xiàn)象。待完全冷卻后，再將連接點(diǎn)斷開；還可以使用工裝將被切割工件夾好、固定，然后再進(jìn)行切割操作，待工件完全冷卻后，再松開。這兩種方法都是實(shí)踐證明，能有效的防止熱切割變形的方法。

3.3 選擇高質(zhì)量的原材料

在實(shí)際的操作過程中，應(yīng)當(dāng)加大對壓力容器材料的合理選擇，按照有關(guān)的規(guī)定做好壓力容器鋼板的焊前焊后處理，焊前需要做好預(yù)熱，焊后要做好熱處理，以降低在電焊過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，一方面需要保證其性能，另一方面需要保證其穩(wěn)定性。例如常見的模式是采用多層包扎式氨合成塔作為設(shè)計材料，這種材料設(shè)計起來比較簡單，基本不需要高溫加工，容器的配件在200℃左右的溫度之下就能制作完成。在選擇鍋爐材料的時候，需要重視對材料使用溫度和抗腐蝕性的考慮，做好鍋爐材料的選擇。管材一般為16Mn，底部三通管材質(zhì)為15CrMo，殼側(cè)選材為Q345R，溫度控制在250℃左右，要使用合適規(guī)格的防沖蝕板，使熱管受熱均勻，也要考慮高溫下熱管的沖蝕，更好的發(fā)揮換熱作用。

3.4 開孔補(bǔ)強(qiáng)問題的應(yīng)對措施

從開孔補(bǔ)強(qiáng)的緣由可以看出，其主要有三個方面的因素：其一，在對壓力容器進(jìn)行開孔后，會破壞薄膜的均有應(yīng)力，進(jìn)而形成集中的分散應(yīng)力；其二，接管開孔邊緣時，其接口處會形成不穩(wěn)定應(yīng)力；其三，由于不規(guī)則的接管連接，而導(dǎo)致截面形成集中的應(yīng)力。由此，在設(shè)計壓力容器時，要注意各個連接和開孔環(huán)節(jié)。首先，要對其進(jìn)行合理分析，以計算最佳的應(yīng)對方式，目前通常用分析法和等面積原理來應(yīng)對這一難點(diǎn)和重點(diǎn)。前者主要是深入分析殼體屬性，找準(zhǔn)其極限，得出的數(shù)據(jù)較為科學(xué)和合理，當(dāng)然此方式會受到其中開孔尺寸的影響，具有一定的局限性；對于后者而言，其在計算模型上依據(jù)壓力容器受拉伸開孔情況，在補(bǔ)強(qiáng)原則上以總體平均應(yīng)力施加為基礎(chǔ)，計算補(bǔ)強(qiáng)殼體相關(guān)數(shù)據(jù)。究其原因：因?yàn)殚_孔在殼體截面，因此需將補(bǔ)強(qiáng)的材料施加于開孔被削弱部分，以補(bǔ)償其削弱情況。同時需注意：此類補(bǔ)償計算方式，屬于靜力平衡模式，所以無法計算開孔疲勞強(qiáng)度；其次，在應(yīng)對措施的選擇上，擁有的方式有：可對筒體的厚度進(jìn)行適量增加；可對接管厚度或補(bǔ)強(qiáng)圈厚度進(jìn)行適量增大；可增加補(bǔ)強(qiáng)圈的整體寬度或?qū)﹂_孔周圍筒體厚度進(jìn)行增大[4]。

3.5 壓力容器（槽車）充裝安全質(zhì)量管理

為貫徹執(zhí)行國家有關(guān)移動式壓力容器充裝法規(guī)、規(guī)定，確保充裝安全，保護(hù)人民生命財產(chǎn)不受損失，移動式壓力容器充裝質(zhì)量管理從以下幾個方面展開工作：管理職責(zé)。健全組織機(jī)構(gòu)、崗位職責(zé)，做到從業(yè)人員人人參與質(zhì)量安全管理，明確自己在作業(yè)中的職責(zé)和注意事項(xiàng)，努力做到人盡其責(zé)。管理制度。完善各項(xiàng)規(guī)章制度，根據(jù)各自不同的需要，制定相應(yīng)的規(guī)章制度，例如生產(chǎn)區(qū)十大禁令、槽車充裝十大禁令等；安全技術(shù)操作規(guī)程。指定作業(yè)的管理規(guī)程，如移動式壓力容器內(nèi)介質(zhì)分析和余壓檢測操作規(guī)程、槽車充裝規(guī)程、液相產(chǎn)品充裝量復(fù)檢操作規(guī)程、車超裝后卸車安全操作規(guī)程、鶴管保養(yǎng)規(guī)程、應(yīng)急處置操作流程等；裝車場應(yīng)急預(yù)案。制定現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)案，包括應(yīng)急職責(zé)、液化氣罐車發(fā)生泄露及發(fā)生火災(zāi)、恢復(fù)作業(yè)程序等，并定期進(jìn)行演練，確保在突發(fā)事故發(fā)生時能做到及時應(yīng)變，把損失降到最低；工作記錄和見證材料。例如以下材料：充裝介質(zhì)充分檢測報告、裝車區(qū)進(jìn)出車輛登記檢查表、超裝介質(zhì)卸載處理記錄、槽車充裝記錄、液化氣裝車加臭記錄表、裝車安全教育記錄表、司磅記錄單、裝車場防雷防靜電檢查維護(hù)記錄表、裝車場防靜電跨接線檢查維護(hù)記錄表、地秤檢定維護(hù)記錄表、壓力容器巡檢記錄、事故匯總表等等；只有詳實(shí)的記錄，才能讓管理實(shí)現(xiàn)精細(xì)化，保證充裝質(zhì)量。

3.6 強(qiáng)化焊接工序控制

焊接工序?qū)儆趬毫θ萜髦圃斓年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為最常見的制造工序，焊接工序?qū)|(zhì)量的影響極為深遠(yuǎn)。焊接操作需要得到合格焊接工藝和高資質(zhì)焊工的支持。相應(yīng)焊接工藝設(shè)備和材料也直接影響焊接質(zhì)量。焊接前預(yù)熱對壓力容器焊接質(zhì)量有決定性作用。焊接預(yù)熱能夠降低焊接后的冷卻速度，且能夠有效減緩淬硬傾向，預(yù)防焊接裂紋。在焊接件預(yù)熱溫度較低時進(jìn)行焊接，能夠提高焊接工作效率，但會增加焊接裂紋出現(xiàn)的幾率。這種情況下焊接人員需刨除焊縫重新焊接，不僅浪費(fèi)時間和材料，還影響了整體的生產(chǎn)進(jìn)度。因此，必須保證焊工認(rèn)識到焊接預(yù)熱的重要性，輔以適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和技術(shù)交底，積極引進(jìn)新型焊接工藝和設(shè)備，同時嚴(yán)格檢查焊接質(zhì)量，從而為提高壓力容器制造質(zhì)量提供支持。壓力容器焊接質(zhì)量檢查中，需及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。此外，要做好良焊縫返修工作，以壓縮制造成本，同時保證制造質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展，化工壓力容器設(shè)計技術(shù)得到了極大的發(fā)展，因此要結(jié)合實(shí)際情況，對化工壓力容器設(shè)計中的不安全因素進(jìn)行全面分析，查找原因，提出合理的應(yīng)對策略，壓力容器設(shè)備的運(yùn)行安全，直接影響到企業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的工作開展可行性。通過對大量事故進(jìn)行分析可知，事故的出現(xiàn)，多數(shù)原因是由于安全技術(shù)管理疏忽或技術(shù)操作失誤，給企業(yè)與社會造成巨大影響。為有效規(guī)避相關(guān)問題的出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)對壓力容器的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、使用等過程進(jìn)行嚴(yán)格管理。為有效提高壓力容器設(shè)備的整體運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性，需不斷加強(qiáng)壓力容器設(shè)備的安全技術(shù)管理工作。通過頒發(fā)相關(guān)的法律條規(guī)，對壓力容器的使用管理進(jìn)行明確規(guī)定。同時，國家成立了專門監(jiān)察機(jī)構(gòu)，對壓力容器一類的特種設(shè)備，開展有效的技術(shù)監(jiān)察工作，并對壓力容器的質(zhì)量保證體系進(jìn)行有效健全，避免劣質(zhì)設(shè)備流入市場，增加企業(yè)運(yùn)營風(fēng)險。只有全面重視材料質(zhì)量管理、提升整體的建設(shè)品質(zhì)，才能促進(jìn)壓力容器行業(yè)的更好發(fā)展。