化工壓力容器選材與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)分析

劉國(guó)忠 劉書(shū)培

摘要：在對(duì)化工壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重材料的選擇以及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)工作，只有保證材料的質(zhì)量，做好補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，化工壓力容器才可以得到正常使用，問(wèn)題出現(xiàn)幾率才會(huì)降低。因此在制造化工壓力容器過(guò)程中，需要科學(xué)選材，并進(jìn)一步提高補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)水平，以保證化工壓力容器的質(zhì)量，確保化工行業(yè)的健康、有序發(fā)展。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)備;壓力容器;材料;補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

引言

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，化工壓力容器的設(shè)計(jì)單位、生產(chǎn)企業(yè)對(duì)壓力容器生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的要求理解有所差異，導(dǎo)致壓力容器試運(yùn)行中出現(xiàn)了諸多問(wèn)題。為確保化工壓力容器的正常使用，必須采取有效的措施，提升化工壓力容器的綜合性能，這就需要合理選材、科學(xué)開(kāi)展補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。

1化工壓力容器的選材

1.1選材原則

化工壓力容器選材時(shí)，需要考慮壓力容器的具體使用條件，要考慮可供選擇材料的耐腐蝕性、力學(xué)性能、抗壓性、冷熱性能、可焊性、材料來(lái)源及價(jià)格等因素，而且在同一個(gè)工程設(shè)計(jì)中，壓力容器要選擇統(tǒng)一的材料。在實(shí)際選材時(shí)還要遵循經(jīng)濟(jì)適用原則。在具體化工壓力容器材料選用時(shí)，要求根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求進(jìn)行，綜合考慮容器工作壓力、溫度、介質(zhì)特性及使用環(huán)境等因素，并與材料自身特性相結(jié)合，通過(guò)具體的分析，選擇具有較強(qiáng)防腐效果的材料，確?；毫θ萜魇褂玫陌踩?/p>

1.2主體材料選用

大部分化工原料對(duì)人體和環(huán)境帶來(lái)非常大的威脅。在化工壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要嚴(yán)格對(duì)材料進(jìn)行篩選，確?；ぎa(chǎn)品可以在安全與穩(wěn)定的環(huán)境條件之下進(jìn)行生產(chǎn)。針對(duì)強(qiáng)度比較大的壓力容器，可以根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)等使用限制，非受壓元件依次選用Q235A、Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等鋼板。受壓元件依次選用Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等鋼板。所需不銹鋼鋼板厚度大于12mm時(shí)，宜采用襯里、復(fù)合、堆焊等結(jié)構(gòu)形式，且不銹鋼應(yīng)盡量不用于設(shè)計(jì)溫度小于或等于500℃的耐熱鋼。針對(duì)以強(qiáng)度為基礎(chǔ)的設(shè)備，需要結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)溫度、壓力、介質(zhì)特性等情況，并以強(qiáng)度安全要求為核心考量，對(duì)材料進(jìn)行針對(duì)性的選擇，化工壓力容器材料選擇宜參照化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20581—2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》的相關(guān)要求執(zhí)行。

1.3補(bǔ)強(qiáng)材料的選擇

化工壓力容器補(bǔ)強(qiáng)主要以三種方式進(jìn)行，具體包括補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)、整體殼體加厚補(bǔ)強(qiáng)及厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)。在利用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)材料需要與殼體材料保持一致，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力小于殼體材料許用應(yīng)力時(shí)，則要求適當(dāng)增加補(bǔ)強(qiáng)面積。對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力高于殼體材料許用應(yīng)力時(shí)，則所需補(bǔ)強(qiáng)面積也不得減少。目前在化工壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，基于經(jīng)濟(jì)性考慮，整體殼體加厚補(bǔ)強(qiáng)方式在實(shí)際壓力容器補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用較少，但對(duì)于不符合補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)使用情況的，建議采用厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)方式，但在具體應(yīng)用這種補(bǔ)強(qiáng)方式時(shí)，需要將接管厚度與殼體開(kāi)孔處的厚度比控制在0.5～2。當(dāng)接管材料與殼體材料不一致的情況下，宜引入強(qiáng)度削弱系數(shù)（設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料應(yīng)力的比值）。具體選擇補(bǔ)強(qiáng)材料時(shí)，還需要參考化工壓力容器的溫度、壓力、主體材料特性等因素，選擇適宜的材料。[1]

2化工壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在對(duì)壓力容器進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要尤其注重局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，即為強(qiáng)圈搭焊、整體鍛件以及后壁接管結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)。其中后壁接管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)可保證焊接質(zhì)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及焊縫較少等，所以補(bǔ)強(qiáng)效果是有保障的。整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，即對(duì)接管、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及部分殼體進(jìn)行加工，使其成為一個(gè)完整的鍛件，之后需要通過(guò)焊接方式連接起接管以及殼體，該方法能減少應(yīng)力的集中程度，所以材料在通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)之后，其可具有更高的抗疲勞性。然而整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)依然有很多的問(wèn)題，比如說(shuō)使用頻率較小，造價(jià)較高，常見(jiàn)于要求非常高的化工行業(yè)壓力容器補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)中。另外補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)常見(jiàn)于操作溫度較低的低型壓力容器中，其操作原理是在無(wú)限大的平板開(kāi)小孔。通過(guò)把補(bǔ)強(qiáng)板材料焊接于焊壁上，能夠使開(kāi)孔邊緣部位的金屬?gòu)?qiáng)度得到增強(qiáng)。開(kāi)孔所除去金屬的質(zhì)量直接關(guān)系到可補(bǔ)回的金屬數(shù)量。所以為使得小直徑的開(kāi)孔方式更為有效，應(yīng)考慮補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。但是補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)仍有一些問(wèn)題，像是補(bǔ)強(qiáng)圈及外殼體會(huì)相互分離，很難成為一個(gè)整體，同時(shí)在做好補(bǔ)強(qiáng)工作之后，抗疲勞程度會(huì)減少。在進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要做好補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)工作。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)圈的標(biāo)準(zhǔn)要求開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，具體來(lái)說(shuō)涉及到以下三種情況：首先，補(bǔ)強(qiáng)圈不超過(guò)殼體厚度;其次，補(bǔ)強(qiáng)圈和殼體厚度所一致;最后補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度超過(guò)殼體的。第二種設(shè)計(jì)方法占有很大的優(yōu)勢(shì)，這是由于這種設(shè)計(jì)方法不僅可以更為全面的應(yīng)用材料以及備料，材料的浪費(fèi)情況會(huì)大大減弱。需要意識(shí)到，還需要根據(jù)壓力容器具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)規(guī)定來(lái)確定補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度。

2.2補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)技術(shù)

化工壓力容器補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，多采取厚壁接管、整體鍛件、補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)等技術(shù)。首先，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)有著諸多優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、焊縫相對(duì)較少，可以有效確保焊接質(zhì)量，因此可得到理想的補(bǔ)強(qiáng)效果。其次，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)指的是，對(duì)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)、接管及部分殼體進(jìn)行有效整合，將其變成一個(gè)完整鍛件，并采取焊接技術(shù)，將接管、殼體連接起來(lái)，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)可以降低應(yīng)力的集中程度，因此在經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)后，材料的抗疲勞性可大幅度增加。但就現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)的劣勢(shì)也十分明顯，包括造價(jià)高、使用頻率小等，除非壓力容器補(bǔ)強(qiáng)要求相對(duì)較高，否則一般情況下不會(huì)應(yīng)用整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)。最后，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，主要用于操作溫度相對(duì)較低的化工壓力容器之中。主要是在無(wú)限大的平板上開(kāi)小孔。通過(guò)在焊壁上焊接強(qiáng)板材料，可以增強(qiáng)開(kāi)孔邊緣部位金屬材料的強(qiáng)度。開(kāi)孔過(guò)程中所去除的金屬材料的數(shù)量，決定著可補(bǔ)回的金屬材料的數(shù)量。因此，為提高小直徑開(kāi)孔的效果，應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。但在壓力容器中應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的時(shí)候，還面臨著諸多問(wèn)題，例如，外殼體、補(bǔ)強(qiáng)圈有可能會(huì)發(fā)生分離，難以形成一個(gè)完整的整體，補(bǔ)強(qiáng)完成后，其抗疲勞性能會(huì)有所降低，等。[2]

2.3補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

在壓力容器設(shè)計(jì)中應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要將一塊補(bǔ)強(qiáng)板焊接在壓力容器壁上，進(jìn)一步增加開(kāi)孔處的承載面積，增加承受應(yīng)力的金屬面積，能夠?qū)㈤_(kāi)口邊沿的應(yīng)力峰值降低。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，補(bǔ)強(qiáng)圈的位置與容器應(yīng)力值的變化具有直接關(guān)系，而且也會(huì)對(duì)應(yīng)力值帶來(lái)直接的影響。針對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)與應(yīng)力值變化之間的關(guān)系進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)表明，在壓力容器不同位置處增設(shè)相同截面積的金屬材料補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，會(huì)對(duì)應(yīng)力系數(shù)變化帶來(lái)較大的影響。而當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料均勻分布在容器內(nèi)外兩側(cè)時(shí)，由于補(bǔ)強(qiáng)材料在容器內(nèi)外兩側(cè)具有較好的對(duì)稱(chēng)性，不會(huì)有附加彎矩和彎曲應(yīng)力產(chǎn)生。因此，通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)提高了壓力容器開(kāi)孔位置的抗疲勞性能。

結(jié)束語(yǔ)

在化工壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選材及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是非常重要的內(nèi)容，其合理的選材和開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)可以有效保證壓力容器的結(jié)構(gòu)安全性和降低投資成本。因此，化工壓力容器設(shè)計(jì)需要在充分討論和分析實(shí)際操作條件的前提下，進(jìn)行合理選材和開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案，為化工壓力容器的安全、穩(wěn)定性能提供技術(shù)保證。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇艷英.化工壓力容器的設(shè)計(jì)和選材技術(shù)闡述[J].化工管理，2020，（05）：17.

[2]周一飛.開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].廣州化工，2019，43（14）：181-182.