化工压力容器选材与补强设计分析

刘国忠 刘书培

摘要：在对化工压力容器進行设计时，需要注重材料的选择以及补强设计工作，只有保证材料的质量，做好补强设计，化工压力容器才可以得到正常使用，问题出现几率才会降低。因此在制造化工压力容器过程中，需要科学选材，并进一步提高补强设计水平，以保证化工压力容器的质量，确保化工行业的健康、有序发展。

关键词：化工设备;压力容器;材料;补强设计

引言

调查发现，化工压力容器的设计单位、生产企业对压力容器生产标准的要求理解有所差异，导致压力容器试运行中出现了诸多问题。为确保化工压力容器的正常使用，必须采取有效的措施，提升化工压力容器的综合性能，这就需要合理选材、科学开展补强设计。

1化工压力容器的选材

1.1选材原则

化工压力容器选材时，需要考虑压力容器的具体使用条件，要考虑可供选择材料的耐腐蚀性、力学性能、抗压性、冷热性能、可焊性、材料来源及价格等因素，而且在同一个工程设计中，压力容器要选择统一的材料。在实际选材时还要遵循经济适用原则。在具体化工压力容器材料选用时，要求根据国家标准规定要求进行，综合考虑容器工作压力、温度、介质特性及使用环境等因素，并与材料自身特性相结合，通过具体的分析，选择具有较强防腐效果的材料，确保化工压力容器使用的安全。

1.2主体材料选用

大部分化工原料对人体和环境带来非常大的威胁。在化工压力容器进行设计过程中，需要严格对材料进行筛选，确保化工产品可以在安全与稳定的环境条件之下进行生产。针对强度比较大的压力容器，可以根据压力、温度、介质等使用限制，非受压元件依次选用Q235A、Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等钢板。受压元件依次选用Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等钢板。所需不锈钢钢板厚度大于12mm时，宜采用衬里、复合、堆焊等结构形式，且不锈钢应尽量不用于设计温度小于或等于500℃的耐热钢。针对以强度为基础的设备，需要结合实际的设计温度、压力、介质特性等情况，并以强度安全要求为核心考量，对材料进行针对性的选择，化工压力容器材料选择宜参照化工行业标准HG/T20581—2011《钢制化工容器材料选用规定》的相关要求执行。

1.3补强材料的选择

化工压力容器补强主要以三种方式进行，具体包括补强圈补强、整体壳体加厚补强及厚壁接管补强。在利用补强圈补强设计时，补强材料需要与壳体材料保持一致，当补强材料许用应力小于壳体材料许用应力时，则要求适当增加补强面积。对于补强材料许用应力高于壳体材料许用应力时，则所需补强面积也不得减少。目前在化工压力容器设计时，基于经济性考虑，整体壳体加厚补强方式在实际压力容器补强设计时应用较少，但对于不符合补强圈补强使用情况的，建议采用厚壁接管补强方式，但在具体应用这种补强方式时，需要将接管厚度与壳体开孔处的厚度比控制在0.5～2。当接管材料与壳体材料不一致的情况下，宜引入强度削弱系数（设计温度下接管材料与壳体材料应力的比值）。具体选择补强材料时，还需要参考化工压力容器的温度、压力、主体材料特性等因素，选择适宜的材料。[1]

2化工压力容器的补强设计要点

2.1开孔补强设计要点

在对压力容器进行补强结构设计时，需要尤其注重局部补强结构的设计，即为强圈搭焊、整体锻件以及后壁接管结构的补强。其中后壁接管补强技术具有很多优势，比如说可保证焊接质量、结构简单以及焊缝较少等，所以补强效果是有保障的。整体锻件补强技术，即对接管、补强结构以及部分壳体进行加工，使其成为一个完整的锻件，之后需要通过焊接方式连接起接管以及壳体，该方法能减少应力的集中程度，所以材料在通过补强之后，其可具有更高的抗疲劳性。然而整体锻件补强技术依然有很多的问题，比如说使用频率较小，造价较高，常见于要求非常高的化工行业压力容器补强作业中。另外补强圈补强技术常见于操作温度较低的低型压力容器中，其操作原理是在无限大的平板开小孔。通过把补强板材料焊接于焊壁上，能够使开孔边缘部位的金属强度得到增强。开孔所除去金属的质量直接关系到可补回的金属数量。所以为使得小直径的开孔方式更为有效，应考虑补强圈补强技术。但是补强圈补强技术仍有一些问题，像是补强圈及外壳体会相互分离，很难成为一个整体，同时在做好补强工作之后，抗疲劳程度会减少。在进行开孔补强设计时，需要做好补强圈的设计工作。一般来说，设计人员需要根据补强圈的标准要求开展设计工作，具体来说涉及到以下三种情况：首先，补强圈不超过壳体厚度;其次，补强圈和壳体厚度所一致;最后补强圈的厚度超过壳体的。第二种设计方法占有很大的优势，这是由于这种设计方法不仅可以更为全面的应用材料以及备料，材料的浪费情况会大大减弱。需要意识到，还需要根据压力容器具有的结构特点以及设计规定来确定补强圈的厚度。

2.2补强设计技术

化工压力容器补强设计中，多采取厚壁接管、整体锻件、补强圈补强等技术。首先，实践发现，厚壁接管补强有着诸多优势，其结构相对简单、焊缝相对较少，可以有效确保焊接质量，因此可得到理想的补强效果。其次，整体锻件补强指的是，对补强结构、接管及部分壳体进行有效整合，将其变成一个完整锻件，并采取焊接技术，将接管、壳体连接起来，整体锻件补强可以降低应力的集中程度，因此在经过补强后，材料的抗疲劳性可大幅度增加。但就现阶段来说，整体锻件补强的劣势也十分明显，包括造价高、使用频率小等，除非压力容器补强要求相对较高，否则一般情况下不会应用整体锻件补强。最后，补强圈补强，主要用于操作温度相对较低的化工压力容器之中。主要是在无限大的平板上开小孔。通过在焊壁上焊接强板材料，可以增强开孔边缘部位金属材料的强度。开孔过程中所去除的金属材料的数量，决定着可补回的金属材料的数量。因此，为提高小直径开孔的效果，应采取补强圈补强。但在压力容器中应用补强圈补强技术的时候，还面临着诸多问题，例如，外壳体、补强圈有可能会发生分离，难以形成一个完整的整体，补强完成后，其抗疲劳性能会有所降低，等。[2]

2.3补强圈补强设计

在压力容器设计中应用补强圈补强设计时，需要将一块补强板焊接在压力容器壁上，进一步增加开孔处的承载面积，增加承受应力的金属面积，能够将开口边沿的应力峰值降低。在具体设计过程中，补强圈的位置与容器应力值的变化具有直接关系，而且也会对应力值带来直接的影响。针对于补强圈设计与应力值变化之间的关系进行具体的实验表明，在压力容器不同位置处增设相同截面积的金属材料补强圈时，会对应力系数变化带来较大的影响。而当补强材料均匀分布在容器内外两侧时，由于补强材料在容器内外两侧具有较好的对称性，不会有附加弯矩和弯曲应力产生。因此，通过补强圈的设计提高了压力容器开孔位置的抗疲劳性能。

结束语

在化工压力容器进行设计时，选材及开孔补强设计是非常重要的内容，其合理的选材和开孔补强设计可以有效保证压力容器的结构安全性和降低投资成本。因此，化工压力容器设计需要在充分讨论和分析实际操作条件的前提下，进行合理选材和开孔补强设计方案，为化工压力容器的安全、稳定性能提供技术保证。

参考文献

[1]苏艳英.化工压力容器的设计和选材技术阐述[J].化工管理，2020，（05）：17.

[2]周一飞.开孔补强设计在压力容器设计中的应用研究[J].广州化工，2019，43（14）：181-182.