设计阶段是压力容器安全的重要保障

刘福生

（海工英派尔工程有限公司 青岛 266061）

设计阶段是压力容器安全的重要保障

刘福生

（海工英派尔工程有限公司 青岛 266061）

设计是生产压力容器的第一阶段。设计阶段对于压力容器在整个寿命期间的安全保障起着重要的作用。本文作者通过压力容器设计阶段的九个方面，阐述了压力容器设计阶段中各个方面应该包含的内容并举例说明设计人员在设计阶段容易发生的一些错误，其中失效模式以及风险评估报告是按照最新的设计理念提出。

压力容器 设计 安全

压力容器广泛应用于国民经济各个行业，从航天军工到民居家庭都离不开压力容器。然而，由于压力容器承受了一定的压力有的甚至是承受高温高压或超高压，是具有相当危险的容器，以至于关乎人民的生命安全和财产保障，因此，世界大多数国家都将压力容器的管理纳入了特殊管理的范围。在我国，早在2003年3月11日颁布中华人民共和国国务院﹝373﹞令号《特种设备安全监察条例》[1]，将压力容器纳入了特种设备的管理范围，在2009年5月1日又实施了修改后的《特种设备安全监察条例》，于2014年1月1日颁布实施了《中华人民共和国特种设备安全法》[2]，将特种设备的生产、经营、使用、检验、检测和特种设备安全的监督管理纳入依法管理的轨道。

设计阶段是压力容器生产的第一步，是压力容器整个寿命的基础，压力容器的设计阶段对压力容器的安全保障起着重要的作用，本文仅从压力容器设计的各个方面阐述如何在设计阶段保障确保压力容器安全。

1 压力容器的设计条件

压力容器设计条件的准确与否对以后压力容器寿命期间的安全保障起着重要作用。无论是处在生产装置中、或者是在其他应用中，压力容器都是处在一定的使用环境中。因此，作为压力容器的设计人员，首先应该清楚所设计的压力容器在生产装置或其他应用中的使用的情况即操作条件，清楚压力容器操作条件的波动情况，所操作介质的性质，分析各种引起压力容器超温、超压的潜在因素，系统安全保障措施情况，还有一项，应该注意压力容器有多少工况，各个工况应对应，笔者就碰到过有设计人员将操作工况最大压力与再生工况温度组合成对应设计条件的情况。

2 介质性质与材料选择

明晰压力容器所操作介质的各种性质与压力容器壳体材料的选择正确与否是密不可的。设计人员首先要清楚所操作介质的物理性质和化学性质及对不同材料的腐蚀性能，要鉴别介质是否属于液化气体、介质毒性的危害程度、介质的可燃性能、在操作过程中介质性质如何变化，才能选择合适的压力容器材料类型，材料选好后，仍然要进一步分析材料对已选定材料的腐蚀作用及潜在腐蚀作用，要特别注意识别出那些能引起压力容器在外表毫无征兆情况下引起破坏失效的情况，例如材料是碳素钢的湿硫化氢应力腐蚀环境、奥氏体不锈钢的氯离子应力腐蚀环境、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀、碱脆、疲劳断裂等，从而在设计当中对材料、制造、检验、试验、使用及维护提出相应的要求，例如，对材料是碳素钢的湿硫化氢应力腐蚀环境的压力容器提出材料中硫磷含量的控制要求、钢板无损检测的要求及焊后消除应力的要求等。

3 识别所设计的压力容器的失效模式

压力容器失去其应有的使用功能或压力容器的破坏就意味着压力容器的失效，因此，设计人员识别出所设计的压力容器的失效模式至关重要，否则，就会给压力容器今后的安全留下极大的隐患，甚至导致压力容器的破坏而造成严重的后果。压力容器主要失效模式有：强度失效（包括：韧性断裂、脆性断裂、疲劳失效及蠕变失效）、刚度失效、失稳失效、腐蚀失效、设计寿命到期失效等。例如，干燥的氯气对碳钢容器没有腐蚀性，但是如果混入水分潮气腐蚀就会明显加速而迅速失效破坏；法兰密封泄漏就是法兰刚度失效的典型案例；再例如，在风载荷下，塔器都允许产生一定的弯曲，但是如果弯曲过量，塔盘上的介质分布不均匀程度就会加大，从而达不到要求的正常工作效果，这也是刚度失效的案例；奥氏体不锈钢在特定介质中会产生晶间腐蚀从而导致腐蚀失效；焦化装置的焦炭塔裙座壳体与塔体壳体连接部位处于高温蠕变和疲劳失效的组合作用，在该处加保温圈就有效地减少了温差应力幅度，从而有效缓和了该部位的疲劳应力水平；还要注意的是，有的失效并不是在设备正常工作状态时发生的，而是在开停工时发生的，典型的如加氢装置的加氢反应器，操作条件为高温氢以及高温硫化氢，加氢反应器壳体材质为铬钼钢内堆焊不锈钢，在操作状态下，反应器器壁中会吸藏一定量的氢，在停工的过程中，如果冷却速度过快，使吸藏的氢来不及扩散出来，造成过饱和氢残留在器壁内，就有可能引起亚临界裂纹进而扩展，产生脆性断裂失效，对设备的安全使用带来威胁，因此，停工时采用合适的降温速度就非常重要，必须使器壁所吸收的氢尽可能逸出来，此外，还应尽量避免紧急停车；这些都是设计人员应该引起注意的。

4 设计计算

压力容器的设计计算应按照GB 150．1~4—2011[3]进行，对于各种形式的压力容器如塔器、卧式容器等以及各种有色金属压力容器GB 150．1都指定了相应的设计标准。设计人员要做的是正确运用标准给定的计算方法和计算公式。但是，笔者就碰到一些设计人员的一些习惯认识，例如，认为只有当盛装液体介质时立式容器才考虑计入液柱压力，但是，对于像盛装散状催化剂或散状填料的立式容器的受压元件强度的计算都应考虑计入液柱静压力；对于带夹套容器设计中，设计人员经常出的问题是：用夹套设计内压校核内壳的外压稳定性而忘记了还应考虑以夹套的试验压力进行内壳的外压校核；卧式容器设计计算中，有设计人员将支座垫板计入对容器壳体有加强作用而在图纸中却忘记了将实际的支座垫板宽度取值与计算所采用的一致；常常会遇到多孔开孔补强的情况而设计人员仍然当作单孔开孔补强进行校核；在平盖设计计算中，有设计人员将平盖上所有开孔直径加起来作为平盖强度削弱的依据而忘记应该是取过中心横截面上的开孔作为平盖强度削弱的依据；换热器管板强度校核中，设计人员经常混淆什么时候用平均温度、什么时候用最高温度；使用计算程序计算输入塔器裙座数据时出现裙座壳体顶部温度输入错误；立式容器需要计入液柱静压力情况的开孔补强所用计算压力随开孔位置所在高度的不同而不同。

5 压力容器结构

压力容器整体结构一般为圆形、球形形状。但是，压力容器对外要有连接、有内件要支撑、壳体上设有人孔便于安装内件及进行内部检查检验。压力容器的结构不连续就会造成在一次薄膜应力之上产生局部应力和峰值应力，而且结构的不合理会导致容器局部区域的腐蚀加剧甚至会导致腐蚀形式的改变而超出预计的失效模式，那是很危险的。

例如，要尽量将焊缝布置得远离结构突变处以免焊缝受力恶劣与应力叠加，将接管与壳体相连接焊缝由角接焊缝改为对接或圆滑过渡，这都是为了缓和与改善容器结构突变处的应力；将焊缝设计成连续焊缝并圆滑过渡以防止缝隙腐蚀[4]，尽量避免死角结构以防止局部区域腐蚀介质浓度差异而产生相应的腐蚀加剧；还要防止因温度变化产生的附加应力的结构。

6 压力容器设计技术条件

技术条件是压力容器设计文件的一个重要组成部分，设计中所引用材料标准、制造、检验标准中的要求为一般通用性的最低要求，对于操作特殊介质以及高的设计参数的压力容器，只有这些要求是不够的，因此就要对压力容器材料、制造、检验和验收提出更高的要求，这些就应体现在压力容器设计技术条件中。例如，对于处在湿硫化氢腐蚀环境压力容器的设计技术条件大约包括以下几个方面：材料交货状态的要求、材料化学成分尤其是硫、磷含量的要求、材料腐蚀试验的要求、材料碳当量的要求、材料无损检测的要求、容器焊后消除应力热处理的要求、容器焊接接头硬度的要求等；还有其他需包含在设计技术条件内的如垫板、内件支撑等热处理前预先焊接的要求等。

7 风险评估报告

风险评估报告的内容贯穿压力容器从设计到使用管理以及事故处置的全过程，它反映了设计人员对于压力容器在相应设计条件下及其所处环境下的各种失效模式和破坏形式的识别，说明应采取的安全防护措施和依据，对于可能发生的失效模式和破坏形式，给出制定事故应急预案所需要的信息。

8 专业会签

专业会签是设计文件付之出版的最后一道关口。由于各种原因，很多设计人员往往对专业会签重视不够，引起以后的返工。例如，笔者就经历过制造厂已经做好的换热器拉到现场才发现土建基础的活动端与固定端做反了，引起现场重新修改基础，造成耽误工期，这就是会签专业人员会签时疏忽土建活动端的方向造成的。

9 其他

其他如重大维修、改变用途、闲置启用等都需要由有相应设计资质的设计单位重新计算、提出相应的检验、修改等意见，这些新设计压力容器要求不完全相同，设计人员需要掌握更多的规范、标准，而且对压力容器整个寿命全过程有全面的知识。

10 结论

从航天航空到民用，压力容器广泛应用于国民经济各个领域，由于压力容器要承受一定的压力和温度（高温和低温），而且所盛装的介质大多具有程度不同的毒性，有的介质易燃易爆。因此，要保证压力容器整个使用寿命期间的安全是绝对必要的，它反映在压力容器从生产到经营、使用、监督及事故应急全过程。压力容器的设计就是压力容器生产的第一步，也是压力容器诞生的第一步，而且从以上对压力容器设计过程的阐述可以看出压力容器的设计对于压力容器整个寿命期间的安全起着关键的作用。

[1] 特种设备安全监察条例（中华人民共和国国务院令﹝373﹞号）[S]．

[2] 中华人民共和国特种设备安全法（中华人民共和国主席令 第四号）[S]．

[3] GB 150．1～4—2011 压力容器 [S]

[4] 陈凤棉．压力容器安全技术[M]．北京：化学工业出版社，2004．

Designing is an Important Guarantee of Pressure Vessel Security

Liu Fusheng
(Cooec-Enpal Engineering Co., Ltd. Qingdao 266101)

Designing is the first stage of the pressure vessel’s production. The designing stage plays an important role for the whole life of pressure vessels’ security. In this paper, through nine aspects, the author expounds the various aspects that the pressure vessel designing stage should contains, and the author illustrates errors that the designers are prone to make in the pressure vessel designing stage. Among these, failure modes and risk assessment is put forward according to the latest design concept.

Pressure vessel Designing Security

X933．4

B

1673-257X(2016)12-0049-03

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．011

刘福生(1959～)，男，本科，高级工程师，从事压力容器设计工作。

2016-04-29）