淺談如何提高壓力容器設(shè)計質(zhì)量

黃長明

（廣東省肇慶市特種設(shè)備檢驗所，廣東 肇慶 526060）

隨著社會的發(fā)展，壓力容器廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，特別是化工生產(chǎn)方面，壓力容器主要作用為在一定的壓力、溫度和易燃、易爆、有毒介質(zhì)的條件下對特定物質(zhì)進行加工和處理的特種設(shè)備，其壓力容器設(shè)計質(zhì)量的好壞直接影響到設(shè)備安全性、可靠性、先進性，影響到國民財產(chǎn)和人民生命安全。而設(shè)計是一個綜合性非常強的工作，要求設(shè)計人員具有很強的能力，否則容易產(chǎn)生錯誤設(shè)計和安全隱患。

1 壓力容器的造價

壓力容器的造價一般取決于設(shè)備的材質(zhì)及設(shè)備的總質(zhì)量。在設(shè)備總質(zhì)量中殼體的質(zhì)量占有比較大的比例，特別是內(nèi)容積比較大的儲罐，其殼體質(zhì)量在設(shè)備總質(zhì)量中所占比例可達80%～90%。在保證使用要求的情況下，在選材時，選擇價格比較低的材料代替一些價格比較高的材料，可以降低設(shè)備的材料成本和制造成本；另外，合理地選擇壓力容器的結(jié)構(gòu)尺寸,也可降低殼體的質(zhì)量，進而降低整臺設(shè)備的費用支出,從而達到降低設(shè)備造價的目的，最終達到設(shè)備的設(shè)計既經(jīng)濟又合理。

2 結(jié)構(gòu)與材料

在滿足壓力容器使用條件下，選擇不同的殼體尺寸，可以得到不同的設(shè)備質(zhì)量，從中選擇最佳的結(jié)構(gòu)尺寸組合，可使設(shè)備質(zhì)量最小，從而降低設(shè)備造價。

同時，如果壓力容器的設(shè)計溫度不大于-20℃，還需考慮是否處于低溫低應(yīng)力工況。若處于低溫低應(yīng)力工況，且其設(shè)計溫度加50℃后高于-20℃，則其設(shè)計時，不必遵循低溫壓力容器的規(guī)定，所以選材時，不必選取價格比較昂貴的低溫用鋼，從而降低了設(shè)備造價,以取得最佳的經(jīng)濟效益。

3 開孔補強

在使用SW6程序進行開孔補強計算時,選擇接管實際外伸長度時常出現(xiàn)3個問題（容器接管局部結(jié)構(gòu)見圖1）：將包括管法蘭高度的長度H值作為實際外伸長度；將厚壁管的外伸總長度h2作為實際外伸長度；輸入厚壁管的實際總長度為（h2+δn），即接管實際外伸總長與殼體厚度之和。

圖1 容器接管局部結(jié)構(gòu)

接管實際外伸長度應(yīng)為能等效提供補強面積的那部分接管的長度，而不是包括密封功能的法蘭高度，也不能計入接管與法蘭連接處的直邊部分和削薄部分以及殼體厚度部分的長度。輸入了錯誤的接管實際外伸長度，會造成表面上計算強度足夠，而實際上補強面積不夠，帶來難以發(fā)現(xiàn)的錯誤結(jié)果和安全隱患。

當(dāng)使用SW6程序進行開孔補強計算時，簡單又保守的取值辦法是輸入h1值，只要正確地輸入接管有效外伸長度即可滿足補強面積要求，h1值的量取見圖1。

4 非標(biāo)準(zhǔn)法蘭設(shè)計

JB/T4700～4707-2000《壓力容器法蘭》標(biāo)準(zhǔn)適用于公稱壓力PN≤6.4MPa，相應(yīng)公稱直徑DN≤800mm；HG/T20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》標(biāo)準(zhǔn)中大直徑管法蘭適用公稱壓力PN≤16MPa,相應(yīng)公稱直徑DN≤2000mm。然而，在實際中經(jīng)常遇到設(shè)備直徑或設(shè)計壓力超出上述范圍的法蘭，這就需要設(shè)計法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸，并通過計算滿足強度要求。選用SW6軟件計算法蘭時往往出現(xiàn)法蘭強度計算通過了，但實際制造、安裝時發(fā)現(xiàn)不合理，甚至無法滿足使用要求。

比如：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中忽視了重要尺寸LA、Le、L的調(diào)整，SW6軟件計算中 LA、Le、L 值不合理，程序并不提示螺母放不下，螺栓間距過小，扳手操作空間不足，難以上緊螺栓，螺栓間距過大，法蘭容易產(chǎn)生微變形，嚴重地影響法蘭密封性能。因此非標(biāo)準(zhǔn)法蘭計算時必須要注意以下幾個問題：

（1）參照國家標(biāo)準(zhǔn)確定法蘭的LA、Le、L尺寸，保證扳手操作空間；高壓容器用螺栓較大，公稱直徑DN≥64mm時，應(yīng)根據(jù)HG/T21573-95標(biāo)準(zhǔn)考慮液壓拉伸器的空間，以保證上緊螺栓。（2）法蘭計算時還應(yīng)考慮腐蝕裕量，即法蘭內(nèi)徑輸入值應(yīng)為法蘭實際內(nèi)徑加2倍的腐蝕裕量，大端、小端厚度應(yīng)分別減腐蝕裕量。（3）法蘭（實際結(jié)構(gòu)見圖2）直邊段長度不小于1.5δ。（4）由于碳鋼、低合金鋼鍛件的許用應(yīng)力一般較同種材料的板材許用應(yīng)力低，故法蘭小端厚度應(yīng)比與法蘭連接的筒體、封頭（板材）厚2～3mm。

圖2 法蘭的實際結(jié)構(gòu)

5 壓容器螺栓的設(shè)計

高壓螺栓的結(jié)構(gòu)特點是無螺紋部分的直徑尺寸小于螺栓螺紋部分的根徑尺寸，而SW6計算程序里給出的是螺栓螺紋部分的根徑尺寸較大，如M64×4的高壓螺栓，程序里給出的螺栓根徑是Φ59.67，而實際高壓螺栓無螺紋部分的直徑尺寸（光桿部分）是Φ56.00；M80×4的高壓螺栓，程序里給出的螺栓根徑是Φ75.67,而實際高壓螺栓無螺紋部分的直徑尺寸（光桿部分）是Φ72.00。

該尺寸的錯誤輸入，會造成計算中螺栓實際面積大于所需螺栓面積的假象，誤導(dǎo)設(shè)計人員認為螺栓面積合格，而實際螺栓面積并不一定合格。鑒于上述情況，設(shè)計者在作高壓螺栓計算時應(yīng)正確輸入螺栓根徑尺寸，即人為用手輸入，更改程序中原有尺寸。

故用SW6程序計算高壓螺栓時，設(shè)計者不應(yīng)完全依靠軟件，而應(yīng)根據(jù)HG/T21573.2-95標(biāo)準(zhǔn)查得實際的無螺紋部分的最小直徑輸入程序中，以得到真實的實際螺栓面積。

6 水壓試驗壓力取值的問題

水壓試驗壓力PT=1.25P［σ］/［σ］t，［σ］/［σ］t應(yīng)取各受壓元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等）材料中比值最小者。高壓設(shè)備一般操作溫度較高，各元件材料設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力較常溫下低，另外有些零件不能同設(shè)備一起計算，只能單獨用零件計算程序算，如人孔法蘭、人孔法蘭蓋及其螺栓的計算。用SW6程序進行設(shè)備計算得出的水壓試驗壓力沒有考慮到人孔法蘭、人孔法蘭蓋及其螺栓材料的［σ］/［σ］t比值，故需設(shè)計者自己手算校核水壓試驗壓力值是否正確。

7 許用應(yīng)力跳檔的問題

高壓容器的筒體、封頭較厚，封頭的成型存在減薄量。筒體采用熱成型時也存在減薄量，有的設(shè)計者在作筒體或封頭設(shè)計計算時沒有考慮到減薄量。在制造時加成型減薄量，有時會存在板料厚度增加，材料許用應(yīng)力反而降低，造成設(shè)計厚度不足的問題，故設(shè)計者要注意厚板許用應(yīng)力跳檔的問題。

處理辦法：用SW6程序計算時把成型減薄量加在腐蝕裕量里進行計算，即，輸入C2=腐蝕裕量+成形減薄量。這樣計算既不影響筒體、封頭的有效厚度和筒體耐壓試驗的校核，也不影響后序的接管開孔補強計算。

結(jié)論

總而言之，壓力容器的設(shè)計是一門技術(shù)性很強的工作，要求設(shè)計人員必須非常熟悉SW6程序計算，正確判斷設(shè)計輸出的結(jié)果是否正確，以及結(jié)構(gòu)是否合理，嚴格保證設(shè)計質(zhì)量。同時，壓力容器的設(shè)計必須遵循有現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，同時設(shè)計者應(yīng)在滿足設(shè)計任務(wù)目標(biāo)要求的前提下提出最佳的設(shè)計，使其滿足功能需要，安全可靠，節(jié)約成本。

[1]薛明德 ，黃克智 ，李世玉，壽比南.壓力容器設(shè)計方法的進步[J].化工設(shè)備與管道 2010.12

[2]丁子榮，劉立峰.壓力容器設(shè)計中幾個問題的探討[J].科技資訊，2011.06