压力容器设计过程中的常见问题及防范对策

管星星 冯斐斐

中国化学赛鼎宁波工程有限公司 浙江 宁波 315000

随着国际化进程的加快，经济全球化趋势不断深入，世界各国的工业竞争愈发激烈，工业水平作为衡量国家综合实力的重要指标，我国也在工业建设方面苦下功夫。其中压力容器作为工业生产领域的重要组成部分，其身影随处可见，随着我国工业水平的不断发展和深入，其在工业领域中也扮演着越来越重要的角色。但是压力容器的危险性无需多言，直接与工业企业的经济财产以及人们的人身安全密切相关，因此必须进一步优化压力容器设计工作。高质量的设计是压力容器质量的重要保障，也是规避重大损失发生的核心“利器”。

1 关于压力容器的基本概述和特征

1.1 概念

压力容器即用作盛装气体或液体同时具备一定压力承载能力的密闭容器。我国《压力容器安全技术监察规程》中，根据生产作用、介质的危害毒性程度、工作压力等对其进行了分类，结合压力容器的具体类别，其在设计、制造、检验等方面也有着对应的规范和标准。

1.2 特征

对比普通机械产品，压力容器在设计方面有其自身独特特征，产品设计专业水平要求更高。一般情况下，压力容器的设计人员不仅需要对容器设备相关知识有非常全面的了解，还要具备熟练的计算机技术能力，两者缺一不可。这是在设计压力容器的过程中表现的得心应手，游刃有余的关键素养，也是顺利设计出符合相关规范和标准压力容器的基本能力。压力容器的适用范围相当广泛，属于多样性制造工艺的必然产物，是化工、炼油、轻工、制药、冶金、纺织、海洋工程等传统领域所必须的关键设备，因此压力容器的产品和结构参数具有多样性和广泛性，这也是压力容器制造工艺多样性的直接原因[1]。对于压力容器的设计制造工作而言，其综合程度较高。不仅包括机械加工、焊接、热处理等专业，还需要腐蚀防护、无损检测、防水防火等安全防护知识，因此开展压力容器设计工作，涉及到的学科非常广泛，因此高质量的完成压力容器设计制造工作需要多种学科专业的相互配合、协调，才能够顺利完成。

2 压力容器设计

2.1 压力容器设计要求

工业生产过程的复杂性无需多言，设备工艺生产过程中无论什么设备出现故障均会对产品品质产生影响，甚至一度中断生产，严重的会对人身安全造成巨大威胁。因此压力容器必须满足下述几点要求：

2.1.1 确保完成工艺生产

为确保工艺生产顺利完成，工艺生产环节要求的压力、温度是压力容器必须承担的基础指标，同时还必须具备工艺生产环节要求的规格、结构，其主要包括容器直径、厚度、容积、密封、开孔接管等条件。

2.1.2 运行安全可靠

很多工业生产物料都具有强腐蚀性、中、高毒性程度、易燃易爆等性质，容易引发火灾甚至爆炸等恶性事故。所以压力容器工作过程中内部会存储一定的能量，如果损坏，存储在内部的能量往往可以在非常短的时间完全释放，摧毁力巨大，后果难以估计。因此，设计压力容器时，必须坚持安全性及可靠性原则，确保运行安全可靠。

2.1.3 预定使用寿命

对压力容器使用寿命产生影响的因素主要为化工物料对壳体结构材料的腐蚀，严重的会造成器壁厚度大大降低甚至直接烂穿，出现泄露现象！为此设计压力容器的时候必须采取一定的措施提高其安全系数，尤其是做好附加腐蚀裕量的设计工作，从而保证压力容器的使用寿命能够满足实际工艺需要。

2.1.4 制造、检验、交装、操作、维护便捷

设计压力容器时，还需要考虑制造、检查、交装、操作、维护的便捷性。该要求的提出出于两方面的考虑。首先立足于安全视角考虑，制造简单、结构简单、容易察觉故障设备存在的缺陷和安全隐患，使其质量保障工作更容易展开，并及时采取有效措施消除故障；其次，这也是为了高度契合一些特殊使用，方便操作或拆卸，例如某些压力容器需要经常装卸顶盖，那设计时就尽可能的选择快拆密封结构，尽量避开笨重复杂的主螺栓连接。

2.1.5 经济性强

设计压力容器时，还需要考虑成本因素，尽量选择结构简单、制造便捷、质量轻、贵重材料使用不多的工艺，在保障压力容器设计质量的基础上尽可能的缩减设备制造成本，降低维修费用。

2.2 优化设计原理

结合压力容器设计环节常见问题，积极找寻优化设计举措是关键。优化设计作为数学规划、计算机技术整合的产物，把设计变量用产品性能指标、结构指标、运动参数指标的函数来表示，即目标函数。把产品确定的形态、几何、运动等条件限制范围变为约束条件，从而找寻目标函数极限（最大或最小）设计变量组合的方法[2]。

3 压力容器设计过程常见问题

3.1 使用年限设计中存在的问题

设计任何产品时都需要考虑其使用寿命，压力容器也是如此。压力容器有对应的使用年限，如果超过了容器使用年限，那么容器往往会出现局部乃至整体老化的情况，特别是对安全要求严苛的压力容器，如果超出使用年限后继续使用，那么安全事故的发生率会大大提升。根据TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中的相关内容，明确了及时淘汰、更换超过使用年限产品的相关规定，但是在实际使用操作环节，企业人员单纯的停留在知晓产品使用年限的层面，并没有及时更换超过使用年限的设备，从而大大降低了压力容器的安全性，造成很大的安全隐患。此时，在确定压力容器使用年限时，都是在理想条件下，企业实际生产中影响压力容器的因素较多，例如温度、湿度、介质等等，导致压力容器的使用年限远不及理想使用寿命。

3.2 压力容器设计忽略热处理问题

根据钢板热处理规定中的相关要求，钢板冷成形或者其他元件在受压过程中均需要展开热处理操作，例如，具备应力腐蚀性介质的容器；盛装毒性为极度高度危害介质的容器；成形前碳钢和低合金钢厚度大于16毫米，成形后碳钢和低合金钢厚度减薄量大于10%的情况等等。一旦冷成形变形率指标符合规范要求，那么就需要在设计过程中给出恰当的热处理方式，如果没有给出对应的热处理举措，那么材料的力学性能可能就无法恢复。设计者往往对压力容器壳体、封头等的热处理较为关注，但是在设计接管时往往忽略了热处理问题。

3.3 压力容器设计材料方面的问题

材质作为产品性能的直接影响因素，不同材质的产品其对应属性也存在差异，压力容器也不例外。开展压力容器设计工作，对所选取材料的影响制约因素较多，例如运行环境、客户需求、操作人员、容器的外观和大小等等。一般情况下，对比其它工业机械产品，压力容器运行环境相对恶劣，往往在高压高温或者低温的环境中，一旦材料改变，会对其耐腐蚀性，内外部受力情况，抗压能力产生本质的影响[3]。这就需要设计人员高度重视材料筛选工作。所以，设计压力容器时，必须做好对不同种类材料的耐腐蚀性能检测和受力分析工作等等。但是在具体设计环节，往往存在这样的问题，一旦用户提出降低容器材料厚度的要求，那么设计者往往会结合对应要求对压力容器的受力情况进行重新计算，对压力容器的耐腐蚀性能重新分析，但是如果客户提出增加容器材料厚度的要求时，大多数设计工作者认为不需要重新计算分析，从而往往忽略了材料增厚的同时，会导致壳体器壁产生多向拉应力，进而容易产生脆性断裂风险的情况，进而影响整体设计质量。

3.4 压力容器气密性试验方面的问题

工业生产复杂，生产过程中难免会出现腐蚀性、毒性等较强的气体，为了防止压力容器使用环节这些气体泄露情况的发生，工作人员必须通过气密性试验来检验压力容器泄露情况。但是，有些企业的员工受到自身专业水平有限的影响，并没有真正重视气密性试验，导致实验结果误差较大，从而造成气密性不合格的压力容器流入市场，这就对企业的正常生产造成威胁，也对操作者的身体健康产生影响。

3.5 压力容器的焊接问题

由于焊接质量和焊接水平直径影响压力容器的整体质量和工作的正常运转，因此在设计和制造中必须要重视焊接问题。为了能够更加合理的判断焊接所存才的问题，在对焊缝进行焊接时，需要严格按照规范要求来进行。由于焊接材料的选择，焊接过程中对温度的把控很容易在操作过程中出现误差，因此需要设计人员对焊接形式、焊接接头、是否采用全焊透等作出相应的要求。相关制造单位也应该根据设备、材料等进行对应机关评定合格的焊评。焊接问题是压力容器制造、使用过程中非常常见的问题，为保证容器安全稳定运行，一定要严格把控焊接的各个环节。

4 压力容器设计过程中常见问题的防范策略

为满足不同工艺要求，需要充分了解压力容器使用环境、使用参数、设备结构、制造材质等相关内容，进而优化压力容器设计工作。

4.1 使用年限设计的防范策略

高度重视压力容器使用年限设计问题，设计者需要立足于全局思考问题，认真研读TSG21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》相关要求，这也是设计者需要贯彻落实的基本原则，每一张设计图纸都需要将压力容器设计使用年限标注清楚。为提升压力容器使用年限设计的科学性与合理性，相关人员必须充分考虑压力容器的使用环境，将各类安全隐患的发生率控制在尽可能低的水平。结合设备使用材质，做好压力容器耐腐蚀性能、内外压力差等的测算工作，在此基础上保障测算年限符合实际情况[4]。为进一步提升使用寿命测算的可靠性，设计者还需要模拟最恶劣的使用环境。此外，还需要将一系列不当操作因素考虑进去。并在设计图纸中设置安全提醒。

4.2 设计时强化材料及热处理要求

设计人员进行接管设计时，压力容器时，比如φ377mm×20mm碳钢或低合金钢接管。加工时可以选择无缝钢管，也可用碳钢或低合金钢板卷制而成。设计时，如果采用后一种方法，很容易忽略设计规范中的成型后热处理这一要求，从而导致设计不符合规范要求，接管容易出现裂纹，进一步影响整个设备设计[5]。此外由于碳钢及合金钢板在冷却后即可通过卷制来成型，由于不经过热处理操作，钢铁内部微小晶粒歪扭、破损等的发生率较高，可塑性变差，为此，设计人员针对大厚度钢板，冷却加工之后须提出做结晶退火热处理这一要求，从而增加钢板硬度及可塑性，促进压力容器使用的安全性。

4.3 关于压力容器设计材料变更的防范策略

设计人员结合工艺或者业主提出的压力容器变更要求，切忌单纯考虑材料减少增加的安全风险，还必须把材料增加带来的安全风险考虑充分。比如，管板和筒体连接结构中，由于厚度增加所导致的焊接部分应力变化的情况；封头和筒体连接处，由于封头加厚，对封头进行削边处理的情况；钢板加厚导致需用应力下降，以后代薄以后强度计算不合格需要重新计算设计的情况[6]。

4.4 气密性问题的解决策略

为保证气密性试验的准确性，在此之前应先保证液压试验合格。操作人员需要选择合适的气体，比如空气、氮气等惰性气体充入到压力容器中，根据相关规范进行气密性试验。值得注意的是，如果发现泄露需要对压力容器进行及时修补，之后再次进行气密性试验，直到不会产生泄露为止。

4.5 焊接接头系数选取的解决策略

确定焊接接头系数，一般需要充分考虑压力容器钢板的厚度、应力腐蚀、盛装介质、设计温度等要素。为提升设备使用的安全性，设计者需要严格按照规范对焊接接头系数进行取值。在此基础上，对于特殊设备，预防可能遇到的问题，并尽可能的规避焊接处理过程中的常见问题[7]。

5 结束语

综上所述，开展压力容器设计工作，必须高度重视设计环节常见问题，结合具体设计要求强化各方面控制工作，以此达到优化设计的目的，进而保障压力容器使用的安全性、可靠性，从而更好的服务于现代工业生产。