压力容器设计制造中的常见问题探讨

刘琳琳　张旭　王妍妍

（中国昆仑工程公司辽宁分公司）

压力容器设计制造中的常见问题探讨

刘琳琳*张旭王妍妍

（中国昆仑工程公司辽宁分公司）

对压力容器设计、制造中常见的问题，如封头最小成形厚度的标注、最大允许工作压力的计算、安全阀的设置和焊接接头系数的选取等，进行了详细的分析和阐述。

压力容器封头厚度工作压力安全阀焊接

0　前言

压力容器在化工、炼油、医药等行业中几乎成为生产中的主要设备。设备的增多，随之而来的安全问题，显得非常突出。保证压力容器规范生产和安全使用，是从事压力容器设计、制造及维护的人员义不容辞的责任和义务。本文分析了压力容器设计制造过程中常见的问题。

1　封头最小成形厚度标注问题

新的压力容器封头设计标准要求，封头除应标注名义厚度外，还应标注封头的最小成形厚度［1］。所谓封头最小成形厚度，是封头成形后保证设计要求的最小厚度，也就是受压元件满足设计所要求的强度、刚度和使用寿命所需的最小厚度［2］。封头最小成形厚度与其他厚度的关系如图1所示。也就是说，封头最小成形厚度与其他有关的厚度具有下述关系。

图1　各厚度间的关系

（1）与设计厚度关系：封头最小成形厚度应不小于设计厚度。在壳体和接管的连接部位，除考虑壳体的设计厚度外，还应考虑开孔补强所需要的补强厚度，该值是满足元件强度要求的最小厚度。

（2）与名义厚度、有效厚度关系：在给定了元件的名义厚度的情况下，最小成形厚度的最大可能值为名义厚度减去加工减薄量，即有效厚度加腐蚀裕量。

（3）制造单位在确定钢材厚度时，应依据设计者确定的最小成形厚度，同时根据自身的制造经验对设计圆整量和加工裕量一并考虑，以减少计算上的“二次圆整”导致的钢材浪费。

然而，文献［1］和文献［3］均未对设计文件中如何标注最小成形厚度做出详细的解释和规定。若设计者对标准理解得不够充分，对最小成形厚度的标注存在疑议，就会造成许多安全隐患。笔者对此提出一些看法，供大家参考。

笔者认为：如果封头上无开孔补强的情况，封头的最小成形厚度等于封头的计算厚度与腐蚀裕量之和；如果封头上有开孔补强的情况，从设计角度出发，封头的最小成形厚度应为名义厚度减去钢板负偏差，而从制造厂角度，应为名义厚度减去钢板负偏差，再减去加工减薄量。为保证“名义厚度减去钢板负偏差”，往往选购厚度规格大于名义厚度的钢板，即进行了二次圆整［4］。

其中，钢板负偏差的取值应按文献［4］确定，标准GB 713—2008《锅炉和压力容器用钢板》、GB 3531—2008《低温压力容器用低合金钢板》、GB 19189—2011《压力容器用调质高强度钢板》中规定，厚度允许偏差按GB/T 709—2006规定的B类偏差，即偏差为固定值-0.3 mm。同时标准GB 713也强调，经供需双方协商，可以提供减小负偏差且公差不变的钢板。GB 3531和GB 19189—2011也强调，经供需双方协议，也可按GB/T 709—2006规定的C类偏差交货，即负偏差为0。

2　关于最高允许工作压力

最高允许工作压力是“在指定的相应温度下，容器顶部所允许承受的最大压力。该压力是根据容器各受压元件的有效厚度，考虑了该元件承受的所有载荷而计算得到的，且取最小值。”［1］

2.1标准要求给出最大允许工作压力的情况

对于带有安全阀、爆破片等超压泄放装置的压力容器，如果设计时提出气密性试验要求，则设计者应当给出该压力容器的最高允许工作压力。其原因是：进行气密性试验时，一般应将安全附件装配齐全，而超压泄放装置的动作压力一般不得高于设计压力，这时以设计压力进行气密性试验就会造成超压泄放装置的开启，无法完成试验。基于这种情况，标准TSG R0004—2009［5］规定：对于设计图样中注明最高允许工作压力的压力容器，允许超压泄放装置的动作压力不高于该压力容器的最高允许工作压力。

安全阀的整定压力一般不大于该压力容器的设计压力。设计图样或者铭牌上标注有最高允许工作压力的，也可以采用最高允许工作压力确定安全阀的整定压力。［5］

2.2不强制要求给出最大允许工作压力的情况

不强制要求给出最大允许工作压力，但一般意义上在下述情况时应该给出最大允许工作压力。

最高允许工作压力充分利用了元件设计厚度向上圆整为名义厚度时所增加的厚度裕量，所以其在数值上大于或等于压力容器的设计压力。当压力容器设计文件未给出最高允许工作压力时，则可认为该容器的设计压力即为最高允许工作压力。［1］

采用容器最高允许工作压力作为容器超压的起始压力可以在相同材料、相同厚度的条件下，取得较高的甚至高于设计压力的泄放装置动作压力，即最大限度地增加了工作压力与安全阀爆破片动作压力之间的压力差，并增大了操作空间，从而使压力容器的潜力得到发挥，操作更平稳。

2.3最高允许工作压力的计算

在确定最高允许工作压力时需要考虑开孔补强，具体可参阅文献［2］中问题1～7所述。当壳体上有开孔补强时，在确定的结构尺寸和有效补强范围内应先确定“满足开孔补强所需面积A”，同时计算出开孔处有效补强范围内的“补强面积Ae”，开孔处的PMAWP必须同时满足下列3种条件：

（1）提高计算压力Pc，直至δ等于δe；

（2）提高计算压力Pc，直至δt等于δet；

（3）提高计算压力Pc，直至A等于Ae+A4。

分别计算这3种条件下的3个压力，取其最小值即为该开孔部位的PMAWP。

如果该开孔部位处于容器内的液面以下，同时承受着不可略去的液柱静压力，则还要减去液柱静压力，才是该开孔处的“最高允许工作压力”。如果还有其他载荷，应同时满足所有载荷计算所需要的强度要求。

该处计算出的允许承受最大压力和其他各元件计算出的允许承受最大压力相比较，取最小值为容器的最高允许工作压力。

3　关于安全阀的设置

安全阀是一种安全保护用阀，它的启闭件在受外力作用时处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高至超过规定值时自动开启，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值。当系统压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体或流体排入大气或管道外，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。那么在什么情况下需要设置安全阀，安全阀应该如何选择，笔者对此进行了如下的分析总结。

3.1必须设置安全阀的情况

（1）独立的压力容器，系统为全气相、全液相或气液相联通。

（2）容器中的物料来自于没有安全阀的场合。

（3）设计压力小于压力源压力的压力容器。

（4）由不凝性气体累积产生超压的容器。

（5）可能由工艺事故、自控事故、电力事故、火灾事故、公用工程事故引起的超压部位。

（6）其他需要装安全阀的情况。

3.2安全阀的型式选择

通常采用弹簧直接载荷式安全阀，其中有全启式和微启式等阀型。全启式安全阀适用于泄放气体、蒸汽及液化气介质，微启式安全阀一般适用于泄放液体介质。也可采用自激式非直接载荷安全阀，即先导式安全阀［1］。排放水蒸气或空气时可以选择带扳手全启式安全阀。

3.3安装安全阀的注意事项［1］

（1）安全阀适用于清洁、不含固体颗粒、黏度低的介质。

（2）安全阀不能单独用于压力快速增长的场合。

（3）安全阀不宜单独用于阀座与阀瓣密封面可能被介质粘连或介质可能生成结晶体的场合，但可以将爆破片安全装置串联在安全阀入口侧组合使用。

（4）用于液体的安全阀公称通径至少为15 mm。

（5）安全阀整定压力偏差不应超过±3%整定压力及其与±0.015 MPa的较大值。

（6）装有安全阀时，容器的设计压力按以下步骤确定：①根据容器的工作压力pw，确定安全阀的整定压力pz，一般取pz=（1.05～1.1）pw；当pz＜0.18 MPa时，可适当提高pz相对于pw的比值。②取容器的设计压力p等于或稍大于整定压力pz，即p≥pz。

3.4安全阀的优缺点［6］

（1）优点：只泄放超压部分的介质，在泄放后容器能很快恢复正常运行。

（2）缺点：①密封性较差，由于阀瓣为机械动作元件，与阀座一起受到频繁启闭、腐蚀和介质中固体颗粒磨损等的影响，易发生泄漏。②由于弹簧惯性及结构上的原因，阀瓣的开启有滞后现象，不能满足快速泄压的要求。③对于黏性介质或有结晶物析出的物料，阀瓣与阀座容易被粘住。④结构较复杂，产品规格、泄放压力和材料受到制造成本限制。

4　焊接接头系数的选取

焊接接头系数只为压力容器强度计算所用，并应根据焊缝型式和无损检测要求选取，焊缝熔敷金属的强度不应低于强度较低一侧母材的强度下限。规定的焊接接头系数值是以焊接接头设计及制造要求符合GB 150的规定为前提的。

焊接接头系数φ应根据对接接头的焊缝型式及无损检测的长度比例确定［1］。下面讨论钢制压力容器的焊接接头系数［1］。

4.1双面焊对接接头

双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头：

全部无损检测，取φ=1.0；

局部无损检测，取φ=0.85。

4.2单面焊对接接头

对于单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）：

全部无损检测，取φ=0.9；

局部无损检测，取φ=0.8。

焊接接头系数的选取与接头的焊接工艺特点、无损检测比例和对容器的要求有关。主要有以下几个问题［6］：

（1）当纵向接头与环向接头的结构、无损检测比例不一致时，如纵向接头采用双面焊、100%RT或UT，而环向接头为加垫板的单面焊且无法进行RT或UT检测时，在容器的设计计算中应正确采用焊接接头系数。

内压圆筒厚度计算公式是根据圆筒中周向总体（一次）薄膜应力的强度导出的，所以与之相对应的焊接接头系数应为圆筒的纵向焊接接头系数。在圆筒环向接头的极小断面中也存在着环向（周向）薄膜应力。尽管环向接头在圆筒轴向的应力仅为环向应力的一半，但是作为一台完整的压力容器，为确保整个圆筒的强度与安全，一般应要求环向接头与纵向接头具有同样的质量水平，即要求具有同样的焊接接头系数。若存在制造上的困难，可按GB 150中10.8.2.3款执行。此时环向接头的质量（焊接接头系数）虽然可能与纵向接头的质量（焊接接头系数）不完全相同，但计算圆筒厚度时，仍取纵向接头的焊接接头系数。设计者应对该焊接接头提出技术要求，以提醒制造厂用焊接工艺措施来保证焊接质量。

“对容器直径不超过800 mm的圆筒与封头的最后一道环向封闭焊缝，当采用不带垫板的单面焊对接接头，且无法进行射线或超声检测时，允许不进行检测，但需采用气体保护焊打底。”［1］

（2）封头拼接接头的焊接接头系数。GB 150中10.8.2.2款规定，对封头拼接接头应进行100% UT或RT检测，但对封头拼接接头的焊接接头系数如何选取未作规定。封头拼接接头的无损检测要求主要是针对封头成形时变形较大、缺陷容易扩展提出的，与封头厚度计算无关。尽管封头拼接接头要求进行100%UT或RT检测，但这种检测仍然只是整台容器检测的一部分，其合格指标仍按照对容器整体要求的合格指标而确定。因此，封头拼接接头的焊接接头系数一般取压力容器的纵向焊接接头系数。

对于整张钢板压制的小直径封头，由于不存在焊接接头，在厚度计算中当然取φ=1.0。

5　结语

本文中讨论的几个问题，是压力容器设计制造中的常见问题。笔者撰写此文的目的是使大家重视这些问题，以求在压力容器设计制造过程中避免这些问题，减少错误，即使遇到这些问题，也可使问题的处理更加合理顺畅。

［1］GB 150.1～GB 150.4—2011压力容器［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［2］陈朝晖.GB 150—2011《压力容器》问题解答与算例［M］.北京：新华出版社，2012.

［3］GB/T 25198—2010压力容器封头［S］.北京：中国标准出版社，2010.

［4］寿比南.GB 150—2011《压力容器》标准释义［M］.北京：新华出版社，2012.

［5］TSG R0004—2009固定式压力容器安全技术监察规程［S］.北京：新华出版社，2009.

［6］李世玉.压力容器设计工程师培训教程［M］.北京：新华出版社，2005.

Discussion on Common Problems in Design and Manufacture of Pressure Vessel

Liu LinlinZhang XuWang Yanyan

Common problems in the design and manufacture of the pressure vessel are analyzed，such as the labelling of the minimum molding thickness of the shell cover，the calculation of the maximum allowable working pressure，the setting of the safety valve and the selection of the welding joint coefficient.

Pressure vessel；Shell cover；Thickness；Working pressure；Safety valve；Weld

TQ 050.2

2015-03-26）

*刘琳琳，女，1986年生，助理工程师。辽阳市，111003。