浅谈如何提高压力容器设计质量

黄长明

（广东省肇庆市特种设备检验所，广东 肇庆 526060）

随着社会的发展，压力容器广泛应用到国民经济的各个领域，特别是化工生产方面，压力容器主要作用为在一定的压力、温度和易燃、易爆、有毒介质的条件下对特定物质进行加工和处理的特种设备，其压力容器设计质量的好坏直接影响到设备安全性、可靠性、先进性，影响到国民财产和人民生命安全。而设计是一个综合性非常强的工作，要求设计人员具有很强的能力，否则容易产生错误设计和安全隐患。

1 压力容器的造价

压力容器的造价一般取决于设备的材质及设备的总质量。在设备总质量中壳体的质量占有比较大的比例，特别是内容积比较大的储罐，其壳体质量在设备总质量中所占比例可达80%～90%。在保证使用要求的情况下，在选材时，选择价格比较低的材料代替一些价格比较高的材料，可以降低设备的材料成本和制造成本；另外，合理地选择压力容器的结构尺寸,也可降低壳体的质量，进而降低整台设备的费用支出,从而达到降低设备造价的目的，最终达到设备的设计既经济又合理。

2 结构与材料

在满足压力容器使用条件下，选择不同的壳体尺寸，可以得到不同的设备质量，从中选择最佳的结构尺寸组合，可使设备质量最小，从而降低设备造价。

同时，如果压力容器的设计温度不大于-20℃，还需考虑是否处于低温低应力工况。若处于低温低应力工况，且其设计温度加50℃后高于-20℃，则其设计时，不必遵循低温压力容器的规定，所以选材时，不必选取价格比较昂贵的低温用钢，从而降低了设备造价,以取得最佳的经济效益。

3 开孔补强

在使用SW6程序进行开孔补强计算时,选择接管实际外伸长度时常出现3个问题（容器接管局部结构见图1）：将包括管法兰高度的长度H值作为实际外伸长度；将厚壁管的外伸总长度h2作为实际外伸长度；输入厚壁管的实际总长度为（h2+δn），即接管实际外伸总长与壳体厚度之和。

图1 容器接管局部结构

接管实际外伸长度应为能等效提供补强面积的那部分接管的长度，而不是包括密封功能的法兰高度，也不能计入接管与法兰连接处的直边部分和削薄部分以及壳体厚度部分的长度。输入了错误的接管实际外伸长度，会造成表面上计算强度足够，而实际上补强面积不够，带来难以发现的错误结果和安全隐患。

当使用SW6程序进行开孔补强计算时，简单又保守的取值办法是输入h1值，只要正确地输入接管有效外伸长度即可满足补强面积要求，h1值的量取见图1。

4 非标准法兰设计

JB/T4700～4707-2000《压力容器法兰》标准适用于公称压力PN≤6.4MPa，相应公称直径DN≤800mm；HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》标准中大直径管法兰适用公称压力PN≤16MPa,相应公称直径DN≤2000mm。然而，在实际中经常遇到设备直径或设计压力超出上述范围的法兰，这就需要设计法兰的结构尺寸，并通过计算满足强度要求。选用SW6软件计算法兰时往往出现法兰强度计算通过了，但实际制造、安装时发现不合理，甚至无法满足使用要求。

比如：在结构设计中忽视了重要尺寸LA、Le、L的调整，SW6软件计算中 LA、Le、L 值不合理，程序并不提示螺母放不下，螺栓间距过小，扳手操作空间不足，难以上紧螺栓，螺栓间距过大，法兰容易产生微变形，严重地影响法兰密封性能。因此非标准法兰计算时必须要注意以下几个问题：

（1）参照国家标准确定法兰的LA、Le、L尺寸，保证扳手操作空间；高压容器用螺栓较大，公称直径DN≥64mm时，应根据HG/T21573-95标准考虑液压拉伸器的空间，以保证上紧螺栓。（2）法兰计算时还应考虑腐蚀裕量，即法兰内径输入值应为法兰实际内径加2倍的腐蚀裕量，大端、小端厚度应分别减腐蚀裕量。（3）法兰（实际结构见图2）直边段长度不小于1.5δ。（4）由于碳钢、低合金钢锻件的许用应力一般较同种材料的板材许用应力低，故法兰小端厚度应比与法兰连接的筒体、封头（板材）厚2～3mm。

图2 法兰的实际结构

5 压容器螺栓的设计

高压螺栓的结构特点是无螺纹部分的直径尺寸小于螺栓螺纹部分的根径尺寸，而SW6计算程序里给出的是螺栓螺纹部分的根径尺寸较大，如M64×4的高压螺栓，程序里给出的螺栓根径是Φ59.67，而实际高压螺栓无螺纹部分的直径尺寸（光杆部分）是Φ56.00；M80×4的高压螺栓，程序里给出的螺栓根径是Φ75.67,而实际高压螺栓无螺纹部分的直径尺寸（光杆部分）是Φ72.00。

该尺寸的错误输入，会造成计算中螺栓实际面积大于所需螺栓面积的假象，误导设计人员认为螺栓面积合格，而实际螺栓面积并不一定合格。鉴于上述情况，设计者在作高压螺栓计算时应正确输入螺栓根径尺寸，即人为用手输入，更改程序中原有尺寸。

故用SW6程序计算高压螺栓时，设计者不应完全依靠软件，而应根据HG/T21573.2-95标准查得实际的无螺纹部分的最小直径输入程序中，以得到真实的实际螺栓面积。

6 水压试验压力取值的问题

水压试验压力PT=1.25P［σ］/［σ］t，［σ］/［σ］t应取各受压元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）材料中比值最小者。高压设备一般操作温度较高，各元件材料设计温度下的许用应力较常温下低，另外有些零件不能同设备一起计算，只能单独用零件计算程序算，如人孔法兰、人孔法兰盖及其螺栓的计算。用SW6程序进行设备计算得出的水压试验压力没有考虑到人孔法兰、人孔法兰盖及其螺栓材料的［σ］/［σ］t比值，故需设计者自己手算校核水压试验压力值是否正确。

7 许用应力跳档的问题

高压容器的筒体、封头较厚，封头的成型存在减薄量。筒体采用热成型时也存在减薄量，有的设计者在作筒体或封头设计计算时没有考虑到减薄量。在制造时加成型减薄量，有时会存在板料厚度增加，材料许用应力反而降低，造成设计厚度不足的问题，故设计者要注意厚板许用应力跳档的问题。

处理办法：用SW6程序计算时把成型减薄量加在腐蚀裕量里进行计算，即，输入C2=腐蚀裕量+成形减薄量。这样计算既不影响筒体、封头的有效厚度和筒体耐压试验的校核，也不影响后序的接管开孔补强计算。

结论

总而言之，压力容器的设计是一门技术性很强的工作，要求设计人员必须非常熟悉SW6程序计算，正确判断设计输出的结果是否正确，以及结构是否合理，严格保证设计质量。同时，压力容器的设计必须遵循有现行设计规范，同时设计者应在满足设计任务目标要求的前提下提出最佳的设计，使其满足功能需要，安全可靠，节约成本。

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[2]丁子荣，刘立峰.压力容器设计中几个问题的探讨[J].科技资讯，2011.06