浅谈化工压力容器设计选材问题

周新房

（中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南250101）

化工压力容器的设计选材是一项非常关键的内容，对于设计工作者来讲，务必强化技术与经验的交流，并且真正地遵循应有的设计要求与标准，从而提高设计水平。

1 化工压力容器的选材原则和根据分析

（1）化工压力容器选材的根据是：在相同的工程设计当中使用统一性的材料；材料的来源和价格；材料的加工性能，像是冷热加工成型性能以及可焊性能等；材料的耐腐蚀性能，像是腐蚀裕量、防腐蚀衬里、防腐蚀结构、选材等；材料的力学特性；容器的应用条件。

（2）基于性能上的思考，压力容器用钢，特别是承压元件需要使用焊接性能好、成型性能好、高韧性、较大塑性储备的钢材料。

（3）基于经济上的思考，需要坚持下面的原则：①倘若设计的普通碳素钢压力容器以强度作为主导，在等于或者是大于8mm板厚的时候，使用Q345R等较为普通的低合金钢；②倘若装置的设计以强度作为主导，那么需要结合介质特点、设计温度、设计压力等的应用限制，分别使用的钢材料型号是Q235R、Q245R、Q235C，以及Q235—B，结合GB150.2—2011中4.1.13以及GB150.1～150.4《压力容器》的相关要求；③倘若装置的设计以结构与钢度作为主导，那么使用普通的碳素钢充当受压壳体；④而设计温度超过500℃的耐热用钢或者是防铁离子污染以及介质腐蚀性比较强的时候，应用不锈钢是非常合适的；⑤在设计温度超过250℃高压高温抗氢用钢或者是设计温度是350℃～550℃压力容器耐热钢的时候，铬钼低合金钢是非常适宜的。

2 化工压力容器的设计分析

2.1 化工压力容器的设计需要

化学、石油生产行业的生产过程十分得复杂化，在装置生产工艺过程中任意的设施出现了事故，就会对产品的品质产生影响，要么是中断生产，要么是危害人身安全与损坏设施，为此，化工压力容器的设计通常要求实现下面的一些需要：

第一，确保生产工艺的完成。化工压力容器务必具备生产工艺所需要的结构（密封、开孔接管）与规格（容积、厚度、直径），整体结构能满足工艺流程的性能要求，内件结构等要合理。

第二，经济性。压力容器设计，应可能地减少制造成本与维修费用。优化结构设计，在有腐蚀环境下适当使用衬里结构，使用复合板作为主要受压元件，节省贵重材料的使用等，将会使设计变得更加经济，从而使得压力容器的制造费用大大地减少。

第三，便于维修、操作、交装、检验，制造。这种需要的提出一是为了安全性，越是容易探伤与制造，以及结构简单的装置，就越容易保障它的质量，即使面临着这样那样的不足之处，也可以准确及时地发现，从而方便消除；二是为了实现一系列独特的应用需要，像是针对要求经常装拆顶盖的压力容器，应当尽可能地应用快拆的密封构造，防止笨重主螺栓连接的应用；再比如，针对要求维修与清洗内件的压力容器，应该设计一些手孔或者人孔，以便于操作。

第四，运行稳定安全。用于化工生产的物料常常有着较强的毒性、腐蚀性，会导致火灾的出现，要么是出现爆炸等事故，压力容器储存着相应的能力，倘若出现破坏，那么在比较短的时间就会释放容器里面的能量，会产生比较大的破坏性。

第五，预期的使用年限。化工物料会腐蚀壳体结构，这是影响压力容器使用年限的重要因素，并且它能够减薄甚至是烂穿压力容器壁，为此，在进行设计的时候，务必根据容器的工作环境和业主要求考虑厚度附加量，从而确保容器能够达到预期的使用寿命。

2.2 化工压力容器的设计方法

作为一种特殊的装置，压力容器跟人们的安全与实际生活紧密相关，这就需要使得它的设计以及制造跟我国规定的一些要求相符合。当前，经常使用的压力容器设计方法一是根据要求实施设计的常规设计，二是根据应力分析进行设计的分析设计。针对这两种不一样的设计方法，设计工作者需要一切从实际出发，结合核算与实际经验，选用适合的设计方法。

当前经常应用的设计方法就是所谓的常规设计，此种设计方法非常简单，容易实施，跟经验设计相符合。弹性失效准则是其理论基础，提出了化工压力容器中某个最大应力点到达屈服极限进入塑性，失去了纯弹性状态，也就是所谓的失效。在应力分析方法的基础上，常规设计的前提条件是板壳薄膜和材料力学理论的简单计算，仅仅兼顾单一性最大载荷，根据一次性施加的静力载荷处理，不兼顾热应力、局部应力、边缘应力，也不兼顾交变载荷牵涉到的容器疲劳寿命等情况。为了确保安全性，一般应用比较高的安全系数，为此，任何种类的应力都实施相同的应力值，从而对应力分析的缺陷加以弥补。

除薄膜应力之外，压力容器也具有温差应力与局部应力等等。在局部应力到达材料屈服极限的时候，绝大部分的容器范围依旧处在弹性的情况下，这个时候，业已屈服的局部范围受到附件弹性区域的制约，它的变形量也不会增长，为此，不能够导致压力容器的失效。根据这种情况，常规设计常常是不能够发挥作用，在计算机技术不断发展的影响下，一系列功能的软件不断地推广，因此分析设计这种压力容器的设计方法得以出现，为了跟现代化压力容器的发展相适应，一定要通过新的失效观点对这种问题进行解决。

分析设计使得传统意义上的弹性失效准则放弃，它的理论基础是弹塑性失效准则、塑性失效准则，以及弹性应力分析，对压力容器的应力进行计算且给出控制与分类，尽管这样的设计比较复杂和花费比较多的时间，可是设计方法合理安全。在不断增高的压力容器参数的影响下，应用高强钢以及现代化的试验和计算技术，通过弹性失效的观点解决了一系列的问题，常规设计的结果比较保守，设计结构依旧存在比较大的承载潜力，可是分析设计不禁止结构出现可控制的局部塑性范围，有效地放松了对计算应力太严格的要求，有效地提升了许用应力的值，并且大大地保障了结构的安全。

当前形势下，我国有关的分析设计规范和要求基础是最大剪应力理论，指明了不管材料处在怎样的应力情况下，只要最大剪应力能够实现材料屈服最大剪应力值，屈服破坏就会出现在材料上。其中，分析设计方法的关键是对压力容器的一系列应力进行分类，分清楚主次，结合不相同的应力对压力容器安全的制约性要求不相同的安全系数，确保产品的经济性以及安全性。分析设计方法的发展得益于计算机技术、测试技术、板壳理论、弹塑性理论，以及数值分析方法的广泛应用。

3 结语

综上所述，化工压力容器的选材和设计务必按照固有的设计标准，与此同时，设计工作者需要实现设计目标、任务的基础上实施最为理想的设计方案，让它实现确保稳定性与安全性功能的要求，同时减少费用。在设计压力容器的时候，往往会由于对一部分有关压力容器规范、标准、要求、法规等理解不全面，从而做出错误的设计。为此，我们需要不断地学习、总结、归纳和分析；同时，加强行业之间的技术和经验交流，进而更加熟知一系列的规范与标准。只有如此，才可以大大地减少错误的设计，持续地提高我们自身的业务技能。

［1］郑连纲,吕勇波.反应堆压力容器强度可靠性分析[J].核动力工程，2012(04).

［2］罗成.核电蒸汽发生器管板镍基合金双热丝钨极氩弧焊堆焊技术[J].压力容器，2012(07).

［3］郭晓锋,成先飚,张建华.自由锻造液压机的发展与展望[J].重型机械，2012(03).

［4］郭鹏举,关卫和,陈学东,姜恒.低合金钢弹塑性变形状态的磁记忆检测[J].无损检测，2012(05).