石化行业设计中的压力容器技术分析

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关键词：压力容器；设计；技术问题

从压力容器的实际应用可以看出，可带来较好的经济和社会效益，因此受到了石化领域的青睐，其应用比值在石化领域中越来越重[1]。但由于在具体应用压力容器时，会面临恶劣的自然环境，一旦设计过程中出现纰漏，可能会埋下不利隐患，从而降低其使用效率，甚至在某些情况下会形成严重的安全生产事故，因此必须重视石化领域中压力容器的设计工作。

1压力容器设计重要性

压力容器的设计是一个系统而复杂的工程问题，若不对其进行合理而规范的设计，不仅可能会降低设备的应用效果，甚至还有可能发生严重的安全生产事故。因此，压力容器的设计有非常重要的意义：其一，在提升该设备稳定性的同时，提升其性能的输出，让其拥有更佳的使用寿命；其二，依据该设备的应用对象进行设计，在拓展该设备应用范围的同时，让其保持性能先进性；其三，可保障压力容器设备输出数据的准确性，进而提升该设备的质量输出。

2压力容器设计过程中的技术问题

2.1设计方式选择

目前压力容器有两个设计方向，即分析设计方向和常规设计方向。对于前者而言，其在进行压力容器设计时，主要依据三准则、一原理的方式，明确如何设计其中相关元件尺寸的方式，即原则：偏劳失效、弹塑性失效及塑形失效；原理：最大剪应力。在国内该设计主要标准为《钢制压力容器-分析设计准则》（JB4732），国外该设计主要标准为《压力容器构造-另一标准》（JISB8250，日本）、《非接触火焰压力容器》（PrEN13445-3，欧盟）等[2]；对于后者而言，其在理论上将第一强度理论作为出发点，遵循弹性失效准则，参考最大主应力在壳体的应用情况，且以明确其在材料使用范围的方式，明确如何设计其中相关元件尺寸。在国内该设计模式主要标准为《压力容器》（GB150），国外该设计模式主要标准为《压力容器构造》（JISB8243，日本）、《压力容器》（ASMEⅧ-1，美国）等。

2.2压力容器设计各类问题

2.2.1开孔补强由于某些因素的影响，在设计和制造压力容器时，会对其进行开孔处理。而由于开孔会破坏压力容器的整体性，进而会削弱构成材料的强度，同时还会形成局部峰值应力、弯曲应力及薄膜应力[3]，这些应力会集中在开孔区域，影响设备的稳定性和可靠性。

2.2.2焊接设计在整个压力容器工艺流程中，由于焊接质量会影响该设备最终的质量输出，因此是一个非常重要的设计因素。在设计焊接流程时需要注意以下问题：其一，焊接过程可能会形成的缺陷，如夹渣、气孔及裂纹等[4]；其二，要保障截面在焊接过程中拥有均匀的受力，降低集中应力的形成；其三，要控制焊接过程不稳定因素，如急速冷却、迅速升温及局部加热融化等，以降低焊接变形或剩余应力的产生。

2.2.3腐蚀设计目前，金属材料是构成压力容器的主材。成型的压力容器会受到外界各类因素的影响，发生化学反应，进而促使材料变质或损坏等，即容器腐蚀。从腐蚀的效果可以看出，其主要包含以下几类：即电化学腐蚀、应力腐蚀、化学和物理性质腐蚀等。而造成这些因素的原因主要是，溶液酸碱度、流速、压力及温度等。

3压力容器设计过程中问题的优化方式

3.1设计方式选择的应对措施

对比分析设计和常规设计模式可以看出，对于前者而言，其在确定相关参数时，一般利用数值计算的方式，将第三或第四理论作为依据来进行计算[5]。相较常规设计，此类设计方式可降低两到三成的材料成本，降低运输及制造等方面的成本输出。然而，对比常规设计各类要求，此类设计拥有更高的标准，如选择材料、检验等；对于后者而言，其同分析设计相较，整个过程易执行，且简单不复杂，属于传统保守层次。由于常规设计的参数依据源自最大应力，因此设计人员在进行设计的过程中，可以不考虑其中产生的峰值应力、边缘应力、局部应力及热应力等。当然这也使得此类设计方式拥有较高的安全性，但从其经济性可以看出，其耗费的成本较高。由此，相关人员在进行压力容器设计时，除了要充分考虑实际生产需要，了解其实际使用环境和成本支出，还应充分参考相关规范标准，科学合理的进行选择，以在提升压力容器质量的同时，降低其成本损耗。

3.2开孔补强问题的应对措施

从开孔补强的缘由可以看出，其主要有三个方面的因素：其一，在对压力容器进行开孔后，会破坏薄膜的均有应力，进而形成集中的分散应力；其二，接管开孔边缘时，其接口处会形成不稳定应力；其三，由于不规则的接管连接，而导致截面形成集中的应力。由此，在设计压力容器时，要注意各个连接和开孔环节。首先，要对其进行合理分析，以计算最佳的应对方式，目前通常用分析法和等面积原理来应对这一难点和重点。前者主要是深入分析壳体属性，找准其极限，得出的数据较为科学和合理，当然此方式会受到其中开孔尺寸的影响，具有一定的局限性；对于后者而言，其在计算模型上依据压力容器受拉伸开孔情况，在补强原则上以总体平均应力施加为基础，计算补强壳体相关数据。究其原因：因为开孔在壳体截面，因此需将补强的材料施加于开孔被削弱部分，以补偿其削弱情况。同时需注意：此类补偿计算方式，属于静力平衡模式，所以无法计算开孔疲劳强度；其次，在应对措施的选择上，拥有的方式有：可对筒体的厚度进行适量增加；可对接管厚度或补强圈厚度进行适量增大；可增加补强圈的整体宽度或对开孔周围筒体厚度进行增大。

3.3焊接设计问题的应对措施

若在设计过程中，焊接处存在一定问题，那么其具体应用过程中，可能会出现泄露事故，除了会降低保护介质的效果，还会严重威胁到相关人员的人身安全。所以需对其进行合理的控制。首先，焊接裂纹的应对措施为：①焊条应选用低氢型材质；②需将淬火处理施加于焊接后的部位；③依据材料特性及使用需求，选择符合条件的焊接方式。其次，焊接咬边是指在焊接的时候焊接的位置发生凹槽。防止焊接咬边的方法主要有：①选择与焊接材料相适应的焊接方法，合理调整焊接的电流大小和角度；②工人在进行焊接时，需要随时观察焊接处的各种变化，确保可以及时察觉焊接咬边并及时的给予有效的处理。最后，焊接气孔是指焊接的时候熔池当中的气体不能得到有效的析出。解决焊接气孔的途径有：①确保对接口、坡口周边的清洁。②管控溶渣本身的浓度。③随时更换焊条。

3.4腐蚀设计问题的应对措施

为使压力容器的使用期限延长，一般所采取的解决措施有：①选用合适的材料；②应用延缓腐蚀的制剂；③提升压力容器的焊接质量；④应用防腐蚀的涂料；⑤衬里形式的防护；⑥在容器壁表面喷丸强化；⑦加强管理和维护。

4结语

综上所述，石化行业属于高风险行业，压力容器作为行业中关键的设备，其科学合理的设计，能保障设备持续稳定运行，进而带来预期的经济和社会效果。因此，相关设计人员需对其予以高度重视，要结合每项设备具体应用环境和工艺条件，选择合理的设计技术方法。本文就设计压力容器过程中的若干技术问题及其相关技术展开分析，期望可以给相关设计人员提供参考。

参考文献：

[1]李小芳，沈波，朱凯.中、美、欧盟、海关联盟四大国对压力容器认证要求的对比分析[J].化学工程与装备，2020(09):206-207+214.

[2]罗丽勤，陈鹏.压力管道及压力容器中无损检测技术的应用探讨[J].消防界(电子版)，2020,6(06):63-64.

[3]孙恒滨.面向压力容器焊接自动化技术的应用现状与展望[J].产业科技创新，2019,1(14):83-84.

[4]朱成.锅炉压力容器焊接自动化技术的相关研究[J].中国石油和化工标准与质量，2018,38(12):171-172.

[5]赵博，李健.关于压力容器设计制造安装常见的问题及解决方法[J].化工管理，2020(29):170-171.

作者：李良 单位：海洋石油工程股份有限公司