化工壓力容器設(shè)計(jì)中的選材和補(bǔ)強(qiáng)分析

陳曉燕

中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100029

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，在化工生產(chǎn)中逐漸凸顯了化工壓力容器的重要性，為了保證容器的安全運(yùn)行，就必須科學(xué)地進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)以及容器選材工作。在深入分析化工壓力窗口的補(bǔ)強(qiáng)與選擇材料過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，熟練運(yùn)用相關(guān)行業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，保證所選材料可以在化工壓力窗口中使用，具有較高的準(zhǔn)確性[1]。但是現(xiàn)階段，在運(yùn)用化工壓力容器的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)中，化工壓力窗口的制造單位與設(shè)計(jì)單位仍存在一些問題，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)用時(shí)對(duì)人們的財(cái)產(chǎn)與生命安全造成威脅。因此，必須做好化工壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)和材料選擇工作，才能有效解決這個(gè)問題，從而促進(jìn)我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，保證化工壓力容器的正常運(yùn)行。

1 化工壓力容器設(shè)計(jì)中材料的選用

1.1 選用主體材料

要想保證壓力容器的安全性，就必須正確選擇主體材料。在設(shè)計(jì)壓力容器過(guò)程中，除了要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)等硬性規(guī)定來(lái)選擇主體受壓元件選樣外，也要選擇能滿足設(shè)備工藝性能、物理性能、力學(xué)性能和介質(zhì)相容性的材料，以此來(lái)保證所選擇的材料有較強(qiáng)的耐蝕性、足夠的強(qiáng)度以及優(yōu)良的可加工性。

（1）應(yīng)結(jié)合工作條件與介質(zhì)特點(diǎn)選擇鋼材種類，對(duì)用材牌號(hào)進(jìn)行確定。同時(shí)，還應(yīng)保證使用壽命，所有鋼材要抗容器介質(zhì)腐蝕。在相應(yīng)壓力和設(shè)計(jì)溫度下，其許用應(yīng)力要滿足容器的強(qiáng)度要求。同時(shí)，可選用復(fù)合材料作為一些特殊介質(zhì)，與介質(zhì)接觸的復(fù)層可以對(duì)抗介質(zhì)腐蝕，基層用來(lái)滿足力學(xué)性能，以此來(lái)對(duì)鋼材的合理利用進(jìn)行有效提高。例如，在設(shè)計(jì)高硫壓力容器時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用Q245R等碳素鋼材，要對(duì)C、S、P、Ni、Mn等元素含量材料進(jìn)行限制。

（2）要充分考慮設(shè)備的制造性能，來(lái)進(jìn)行壓力容器選材，既要有較大塑性、高韌性，也要有較好的成型性與焊接性能[2]。

（3）在選擇壓力容器材料時(shí)，還應(yīng)提高其經(jīng)濟(jì)性，避免不必要的浪費(fèi)，對(duì)于“性能越高越好、越厚越安全”等直觀誤區(qū)進(jìn)行避免。例如，較厚的鋼材會(huì)增加設(shè)備自重，增加設(shè)備抗壓能力，大大提高對(duì)裙座、鞍座等設(shè)備支撐元件的設(shè)計(jì)要求，造成材料的大量浪費(fèi)，并且還存在失穩(wěn)等重大隱患[3]。

（4）我國(guó)向國(guó)際上以及國(guó)外輸出的裝備制造，優(yōu)于國(guó)內(nèi)使用的鋼材料，所以，國(guó)內(nèi)壓力容器用材上逐漸出現(xiàn)了越來(lái)越多境外牌號(hào)的新型材料，在使用境外牌號(hào)鋼材時(shí)，應(yīng)注意的是：第一，相似工作條件的使用實(shí)例必須具有；第二，對(duì)于我國(guó)法規(guī)的要求，相關(guān)質(zhì)量、化學(xué)成分、材料性能等證明文件必須滿足；第三，對(duì)于材料的使用性能與加工性能，壓力容器的制造與設(shè)計(jì)單位必須要了解與掌握。并嚴(yán)格按照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG21-2016使用新材料，并通過(guò)技術(shù)評(píng)審要求。

（5）在選用壓力容器材料過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先選擇具有相應(yīng)資質(zhì)企業(yè)生產(chǎn)的鋼材。作為特種設(shè)備，化工壓力容器若發(fā)生事故，就會(huì)給企業(yè)造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，對(duì)于壓力容器使用、安裝、制造、設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管，從而對(duì)壓力容器的安全運(yùn)行進(jìn)行有效的保證[4]。

1.2 選用壓力容器設(shè)計(jì)中補(bǔ)強(qiáng)材料

應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、焊接性能、力學(xué)性能、理化性能來(lái)選擇補(bǔ)強(qiáng)材料，并且保證所選材料與主體材料牌號(hào)相近或一致，若與殼體材料的許用應(yīng)力相比，補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力較小，應(yīng)按照補(bǔ)強(qiáng)材料和殼體材料的許用應(yīng)力之比，增加補(bǔ)強(qiáng)面積，若與殼體材料的許用應(yīng)力相比，補(bǔ)強(qiáng)材料許用壓力較大，就必須減少補(bǔ)強(qiáng)面積?？傊瑲んw材料與補(bǔ)強(qiáng)材料不同會(huì)降低設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，增大補(bǔ)強(qiáng)面積。

1.3 分析壓力容器選材設(shè)計(jì)的實(shí)例

在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，某一企業(yè)利用16MnR代替15CrMoR，溫度為470度。相關(guān)的強(qiáng)度可從設(shè)計(jì)手冊(cè)中查閱得到，在350度內(nèi)，替換鋼材后，指標(biāo)比替換前的鋼材要高，前者的強(qiáng)度指標(biāo)，若在溫度大于425度時(shí)，就會(huì)高于后者。因此，材料之間在一定溫度下，不可以隨便替代。若長(zhǎng)時(shí)間使用碳錳鋼和碳素鋼，在425度條件下，就必須考慮碳化物石墨的傾向問題。兩種鋼中的滲碳在高溫下，會(huì)一一進(jìn)行分解，并會(huì)導(dǎo)致16MnR鋼內(nèi)珠光體消失，直接降低材料的塑性與強(qiáng)度，加大了生產(chǎn)的危險(xiǎn)，沖擊值也會(huì)明顯下降。

2 探討壓力容器補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法

2.1 分析補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

（1）補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。較為常見的補(bǔ)強(qiáng)方式就是補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，在對(duì)開孔周邊容器殼體補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)度進(jìn)行增加時(shí)，主要利用開補(bǔ)強(qiáng)板的厚度。其加工制造簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。對(duì)于殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)圈三者焊接的合理結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到，以便于制造。因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)圈沒有與殼體和接管形成整體，導(dǎo)致這種補(bǔ)強(qiáng)通常用于靜壓和常溫下的中低壓容器中，抗疲勞性較差。

（2）厚壁管補(bǔ)強(qiáng)。此種方法可以使補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域集中在應(yīng)力集中區(qū)，厚壁管補(bǔ)強(qiáng)與補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)相比，對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)可以有效降低。其不需要疊加焊縫，結(jié)構(gòu)比補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)簡(jiǎn)單。對(duì)于超出補(bǔ)強(qiáng)范圍的接管部分，在使用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，可以利用減少壁厚來(lái)節(jié)省部分材料，滿足承壓強(qiáng)度[5]。

（3）整鍛件補(bǔ)強(qiáng)。此種方法可以對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行有效降低，鍛件強(qiáng)度優(yōu)于板材和管材，采用接接頭來(lái)焊接殼體和整體鍛件，可以保證焊接質(zhì)量，抗疲勞性能較好，使焊縫和熱影響區(qū)離開了應(yīng)力點(diǎn)的最大位置，在有毒有害、高壓、高溫介質(zhì)容器中用到的較多，在使用整體鍛件，為了不耽誤設(shè)備的制造周期，可以對(duì)鍛件成本高、加工周期長(zhǎng)等不利因素進(jìn)行充分考慮[6]。

2.2 分析壓力容器補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法

（1）等面積補(bǔ)強(qiáng)法?，F(xiàn)階段使用經(jīng)驗(yàn)最多、運(yùn)用最為廣泛的計(jì)算方法就是等面積補(bǔ)強(qiáng)法，對(duì)于殼體上因開孔而消弱的承載面積，它認(rèn)為應(yīng)在有 效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，由接管、殼體、兩者焊接減少承載壓力之外的截面積來(lái)對(duì)削弱的承載面積進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)強(qiáng)的方法通過(guò)開孔中心截面上的投影面積來(lái)計(jì)算，沒有充分對(duì)開孔系數(shù)及應(yīng)力集中進(jìn)行有效的考慮，至此，這種方法殼體和開孔直徑較小時(shí)，既簡(jiǎn)單又可靠，但是此方法在殼體直徑與開孔直徑較大時(shí)，不太可靠，就偏冒進(jìn)了。

（2）壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法。對(duì)于等面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍，當(dāng)開孔直徑超出后，就會(huì)有較大的彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在孔周圍，特別是在薄壁容器中的大開孔 。壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法是以有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)（補(bǔ)強(qiáng)材料、接管、殼體）的承載壓力面積與壓力荷載在殼體受壓面積上的平衡為前提。殼體在端部均布下，有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍，就是對(duì)殼體局部環(huán)向薄膜的衰減進(jìn)行全面考慮，也是孔邊高應(yīng)力存在的范圍，在開孔率達(dá)到0．8時(shí)比較適用這種方法。對(duì)于開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)，在《壓力容器》GB150-2011中并沒有在設(shè)計(jì)依據(jù)中納入壓力面積法，作為大開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法，其僅僅存在于《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中，而此行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)階段狀態(tài)發(fā)展較為緩慢。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)采用應(yīng)力分析法，計(jì)算超出等面積法適用范圍的補(bǔ)強(qiáng)。

（3）彈塑性失效補(bǔ)強(qiáng)法。從應(yīng)力分類中的安定性概念出發(fā)，此方法利用金屬形變硬化性能和延展性，在材料的兩倍屈服極限，對(duì)峰值應(yīng)力進(jìn)行限定，這樣不會(huì)有大面積塑性流動(dòng)出現(xiàn)在開孔邊緣，一次薄膜應(yīng)力和開孔周圍的不連續(xù)應(yīng)力疊加后，所需的接管和殼體加厚量可用小于三倍的許用應(yīng)力來(lái)計(jì)算。采用此方法主要用于殼體全焊透，并選用整體補(bǔ)強(qiáng)元件，依據(jù)《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JB4732-1995來(lái)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，作為一類特種設(shè)備，壓力容器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮到其安全性，也應(yīng)滿足其使用性能。受壓元件的選材直接關(guān)系到壓力容器使用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性、高效性、平穩(wěn)性以及安全性。所以，作為壓力容器局部設(shè)計(jì)不可忽視的重要部分，在設(shè)計(jì)開孔補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員在選擇補(bǔ)強(qiáng)方法時(shí)，應(yīng)結(jié)合不同工況進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，以此來(lái)保證容器整體設(shè)計(jì)的可靠性與正確性。