浅谈压力容器设计中应注意的问题

束庆鹏

（江苏中圣压力容器装配制造有限公司 211112）

摘 要：压力容器最初主要用于石油与化学工业，但是随着社会的发展以及工业化程度的不断提高，压力容器已远远突破了原来的应用局限，在航海、航天交通、纺织等领域也起到了至关重要的作用。可以这样说，压力容器在我们日常生活中的作用已经越发重要，与我们的衣、食、住、行紧密相连。所以，压力容器的安全性、稳定性也越来越受到社会的关注。本文着重从三个方面阐述了在压力容器设计过程中从业者应该注意的问题。

关键词：压力容器；材料；结构设计；强度计算

压力容器是具有一定承载压力的密闭设备，按照在生产工艺过程中的作用原理，主要分为换热压力容器、反应压力容器、分离压力容器、储存压力容器。压力容器分类虽然很多，但是它们都具有一个共同点，就是需要承载压力，具有一定的危险性。对于这种特种设备，国家也颁布了相应的法律法规 （如TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》）来控制固定式压力容器在整个设计、制造、维修等一系列环节中的质量。压力容器设计人员在设计过程中不仅要符合法规的要求，还应满足相应的行业标准，同时还要保证设计出来的压力容器具有一定的可行性，便与制造。

一、压力容器设计中材料的选择

金属材料的主要性能有物理性能、力学性能和工艺性能。在压力容器设计过程中这三种材料性能起到至关重要的作用。

1、物理性能

金属材料的物理性能指导电性、熔点、密度、熱膨胀系数等。由于每种设备的使用环境不同，对其物理性能也就有不同要求。比如换热设备就要求所选用的材料具有良好的导热性。对于夹套类的容器，在选取材料时就要选择那些热膨胀系数较高的材料，减少夹套于内筒之间由于温度差而产生的温差应力。

2、力学性能

金属材料的力学性能主要体现为在外力作用下，金属材料抵抗变形和断裂的能力。屈服强度和抗拉强度正是材料力学性能的重要体现，压力容器设计中的材料的许用应力值就是通过这两种材料的性能通过一定的安全系数转化而来。材料的屈服强度是指材料在静拉力的作用下开始变形的力学指标，它是金属材料抵抗塑性变形的重要标志。抗拉强度是指将金属材料拉断所需要力的大小，反应了金属材料抵抗断裂能力的强弱。

金属材料除了上面提到的屈服强度和抗拉强度以外，断面伸长率和收缩率也是反应材料力学性能的重要指标。金属材料都是具有一定塑性的，材料的塑性主要体现在三方面。首先，金属材料在受到外力作用的时候会产生塑性变形，从而使材料不至于突然断裂。其次，金属部件都会存在着不同截面的过渡问题。在外力的作用下，部件的这些不同截面上都会有应力集中的现象，具有一定塑性的材料可以通过局部的塑性变形使应力重新分配，避免断裂的产生。最后，一些成型工艺（如冲压、冷弯等）都是利用了金属材料的塑性来完成的。以上三点都反应了材料塑性的重要作用，而金属材料的断面伸长率和收缩率指标正是材料塑性的直观体现。

3、工艺性能

金属材料的工艺性能主要体现在材料的焊接性和可锻性上。金属材料的焊接性能是指被焊金属在一般的焊接工艺条件下，得到良好的焊接接头的能力。在压力容器制造过程中最常用的连接方式就是焊接，然而材料的焊接有时会有许多缺陷，如未焊透、未熔合、气孔、夹杂等，大大影响了压力容器的整体质量。产生这些缺陷的原因除了焊接工艺和人为因素外，材料的焊接性能也是非常重要的。在一系列的试验后，人们发现金属材料中的碳含量对材料的焊接性能影响最大，含碳量越高，焊接热影响区的脆硬倾向越大，焊接裂纹的敏感性越大，换句话说就是金属材料的含碳量越高，材料的焊接性能越差。所以在TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中明确规定了用于压力容器焊接用碳素钢及低合金钢碳含量不得高于0.25%。可锻性是用来反映金属材料加工难易程度的工艺性能。它也与金属材料的含碳量有关，一般含碳量越低的金属，它的可锻性越好。与合金材料相比，纯金属具有很好的可锻性。

二、压力容器设计中的结构设计

在压力容器设计过程中，结构设计是最能体现设计人员专业素养的一个方面。下面就通过中鼎项目中遇到的结构问题进行阐述。

图一为中鼎项目中一台釜式重沸器（工作令号为J14-259A）管束部分，该设备管束重达70吨，最初的设计是根据GB/T151-2014《热交换器》规定在折流板的下端设置两条滑道，但在实际生产中发现由于管束较重，在管束抽拉的过程中管束的刚度不够，应对滑道和未布管区进行加强。经与生产沟通后确定对滑道两侧设置筋板进行加强，同时在折流板未布管区增加钢管进行加强，修改后方案请见下图二。中鼎项目中另外一台釜式重沸器（工作令号为J14-258AB），该设备管束部分重达60吨，车间认为管束在推向筒体内部的组装过程中，管束易产生左、右扭曲，应对管束进行限位，经过与车间沟通后确定在折流板上开缺口，轨道上焊接圆钢形成管束限位槽，整改方案详见图三上图四为中鼎项目中一台换热器，该设备直径DN3600/2300，下管箱较长，且重达12吨。尾部吊耳（Tailing lug）设置在下管箱底部，设备吊装过程中管板和管箱法兰密封面之间由于拉伸或压缩而产生位移，另外与尾部吊耳（Tailing lug）同方位的密封面将受到过压缩而产生过大的弯矩，上述位移和过大弯矩可能造成管箱密封面局部变形，导致管箱垫片因局部过压缩而被破坏，设备操作过程中存在难以密封的风险。为防止该位移和过大弯矩的产生，将采用刚性工装，促使管板和管箱法兰变为一个刚性整体以保护密封面和垫片。具体保护方案见图五，设备水压试验完成后，发货运输前应将螺柱和螺母拧紧，设备现场安装完成后，开车前应将螺母拆掉，卸下螺柱即可，不需要将连接板拆掉，便于现场的操作使用。

三、压力容器设计中的强度计算

强度计算是压力容器设计的基础，它是从理论方面来为我们压力容器设计提供依据的。强度计算一般是通过使用软件来实现的，但是设计的主体还是设计者自己，软件只是一个工具，它只是用来帮助我们既快又准确的实现压力容器强度的计算，软件也有它的局限性。现通过一个较为特殊的结构来阐述软件在实际应用中的局限性及我们应该注意的方面。

我们在工作中经常会遇见复合板或堆焊的管板，那么换热管与管板之间的拉脱力是否合格呢？在管板计算中我们一般不考虑复层（堆焊层）的强度，只计算基层的管板厚度是否满足强度要求，但是在软件中对于换热管与管板连接处的拉脱力的校核与设备实际的情况是不同的。例如，一台设备管板材质为TA2（复层）/16MnⅢ （基层），换热管材质为TA2，那么通过软件计算的结果实际上为换热管（TA2）与管板的基层（16MnⅢ）的管头拉脱力校核，实际生产中管头处的连接应该为换热管（TA2）与管板复层（TA2）的连接，所以在遇到类似设计情况的时候就会产生风险。

图六是GB/T151-2014《热交换器》中关于管头拉脱力是否合格的判定依据。对于一般的管头与管板为焊接连接的结构形式，管头处的许用应力值应该为管板材质与换热管材质许用应力的小值的0.5倍，那就是说如果换热管与管板复层材质相同，且换热管材质的许用应力值小于或等于管板基层材质的许用应力值的时候，用软件校核管头处拉脱力的结果是正确的。如果换热管材质、管板基层材质和管板复层材质不同，且管板复层材质的许用应力值最小，那么用软件校核管头处拉脱力的结果是不正确的，这就需要我们通过上图六手工校核管头拉脱力是否合格。

结束语：

上述这些关于压力容器设计过程中应该注意的问题，都是我们在实际设计工作中不能忽视的。压力容器设计者在设计的过程中不仅要满足法规和标准的要求，同时还要考虑到其它一些会影响设备安全和稳定的因素。比如在一些特殊的工况条件下，是否需要对材料增加一些标准之外的要求。是否会在生产及吊装过程中因为一些不合理结构而影响到设备整体的安全性和稳定性。

参考文献

[1] 寿比南，贾国栋等.TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局， 2016.

[2] 俞树荣，梁瑞，姜峰，吴健. 压力容器设计制造入门与精通. 机械工业出版社，2012.

[3] 寿比南，张延丰等. GB/T151-2014《热交换器》. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会，2014.