化工压力容器设计中的选材和补强

李 亮

(阳煤集团寿阳化工有限责任公司，山西 寿阳 045400)

化工设计

化工压力容器设计中的选材和补强

李 亮

(阳煤集团寿阳化工有限责任公司，山西 寿阳 045400)

在压力容器设计过程中，选择合适的材料和满足强度的补强设计对压力容器的安全、平稳运行至关重要。对压力容器主要受压元件如何选材进行了介绍，对开孔补强设计技术的要领进行了探讨，提出了有针对性的设计建议。

选材；补强设计；化工压力容器

引 言

压力容器作为化工行业主要生产设备，同时也是特种设备的一类，在使用过程中，它的安全运行意义重大。压力容器主要受压元件的选材必须要符合相关法规和标准的要求，同时，还要满足其使用性能。在生产和使用过程中，由于受实际条件的限制，材料代用常有发生，增加了压力容器合理用材的复杂性，在容器设计、制造、使用的各个环节对技术人员提出了更高要求。

压力容器为了正常的使用操作，会在筒体和封头等受压元件上开孔，以便安装物料进出、仪表检测、检修人孔等工艺管口。开孔会削弱容器本体材料的承载能力，同时，由于接管和筒体的结构连接不连续，会在开孔处造成局部应力集中[1]。如何选择合适的补强设计方法和补强结构就显得尤为重要。

1 材料的选用

1.1 主体材料的选用

压力容器主体材料的选用对其安全性能起决定性的作用。在设计压力容器时，主体受压元件选样除了能要满足相关法规和标准的硬性规定外，还要选择能满足设备的力学性能、物理性能、工艺性能和介质相容性的材料，确保材料有优良的可加工性、足够的强度、耐蚀性等。

1) 必须根据介质特点和工作条件选出合适的钢材种类，进而确定用材牌号。所用钢材要抗容器介质腐蚀，确保使用寿命；其许用应力还要在相应设计温度和压力下能满足容器的强度要求。一些特殊介质可选用复合材料，基层用来满足力学性能，与介质接触的复层用来抗介质腐蚀，从而提高钢材的合理利用。例如，在高硫压力容器设计时，要限制材料中C、S、P、Ni、Mn等元素的含量，优先选用Q245R等碳素钢材[2]。

2) 压力容器选材要充分考虑到设备的制造性能，要有较好的焊接性能、成型性，高韧性以及较大塑性[3]。

3) 压力容器用材要避免不必要的浪费，提高其经济性，要避免“越厚越安全”、“性能越高越好”等直观误区。例如，钢材厚度的增加会增加设备抗压能力，但是同时也增加了设备自重，对设备支撑元件(鞍座、裙座等)提高设计要求，还存在失稳等重大隐患，并且，也造成了材料的大量浪费。

4) 近年来，随着我国装备制造向国外输出以及国际上优于国内钢材的使用，境外牌号的材料和新型材料越来越多地出现在国内压力容器用材上。针对境外牌号钢材的使用，首先，要有相似工作条件的使用实例。其次，材料性能、化学成分、相关质量证明文件等都要满足我国法规要求。再者，压力容器设计、制造等单位要掌握材料的加工性能和使用性能；新材料的使用要按照TSG 21-2016 《固定式压力容器安全技术监察规程》要求通过技术评审。

5) 压力容器选用材料应该购买具有相应资质的企业所生产的钢材。化工压力容器作为特种设备，如果一旦有事故发生，所造成的危害巨大。所以，国家质量监督检验检疫总局对压力容器的设计、制造、安装、使用各个环节实行严格监管，以确保压力容器安全运行。

1.2 压力容器设计中补强材料的选用

补强材料的选择要综合考虑到其理化性能、力学性能、焊接性能和经济性。补强材料应选用与主体材质牌号一致或相近的材料，若补强材料许用应力小于壳体材料的许用应力，补强面积应按壳体材料和补强材料许用应力之比增加，若补强材料许用应力大于壳体材料的许用应力，补强面积不得减少。可见，若补强材料与壳体材料不同会增大补强面积，降低设备的经济性。

1.3 压力容器选材设计的实例分析

某一企业需要进行压力容器的设计，温度为470 ℃，利用16MnR代替15CrMoR。从设计手册中查阅得到相关的强度，如表1所示。钢材替换后，在350 ℃内，与替换前钢材相比，指标都高，若温度>425 ℃，前者的强度指标就要比后者高[4]。所以，在一定的温度下，材料之间不能随便进行替代。在425 ℃的条件下，如果长时间使用碳素钢和碳锰钢，对于碳化物石墨的倾向应该进行考虑。在高温下，两种钢中的渗碳会逐渐进行分解，致使16MnR钢内珠光体逐渐消失，造成材料的强度及塑性降低，冲击值也明显下降，加大了生产的危险。

表1 多种温度下两种材料的应力

2 压力容器补强设计方法及补强结构分析

2.1 压力容器补强设计计算方法分析

目前，开孔补强的计算方法常用的是等面积补强法，在大开孔情况下一般用压力面积补强法，还有一种由美国压力容器研究委员会在圆筒和球壳上装有单根圆形径向接管研究得出的弹塑性失效补强法。

1) 等面积补强法

等面积补强法是目前运用最为广泛、使用经验最多的计算方法，它认为在壳体上由于开孔而削弱的承载面积，应当由壳体、接管、两者焊缝在有效补强范围内除承载压力之外多余的截面积来补偿。这种以开孔中心截面上的投影面积来衡量补强的方法没有考虑开孔处应力集中和开孔系数的影响[1]，因此，在开孔直径和壳体直径比值较小时，等面积补强法既可靠又简便，设计者使用较广，但在开孔直径和壳体直径比值较大时，此方法就偏冒进，不太可靠。

2) 压力面积补强法

当开孔直径超出了等面积补强法的适用范围，孔周围就会出现较大的弯曲应力，尤其是在薄壁容器中的大开孔。压力面积法是以压力载荷在壳体受压面积上与有效补强范围的壳体、接管、补强材料的承载压力面积相平衡为基础的。有效补强范围就是孔边高应力存在范围，即，以壳体在端部均布力作用时，壳体局部环向薄膜应力的衰减范围考虑。这种方法适用的开孔率可以达到0.8[4]。

目前，GB 150-2011《压力容器》中对于开孔补强的设计并没有将压力面积法作为设计依据，压力面积补强法作为大开孔补强计算方法出现在HG/T 20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》，但此行业标准目前也处于“无人监管”状态。针对超出等面积补强法适用范围的补强计算，设计者应该采用应力分析法。

3) 弹塑性失效补强法

此方法从应力分类中的安定性概念出发，利用金属的延展性和形变硬化性能，将峰值应力限定在材料的2倍屈服极限[5]，则开孔边缘并不会出现大面积塑性流动，开孔周围的不连续应力和一次薄膜应力叠加后小于3倍许用应力来计算所需的壳体和接管加厚量。采用此方法必须选用整体补强元件，并于壳体全焊透，相关结构尺寸要严格按照JB 4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》图10-2来执行。

2.2 补强结构分析

1) 补强圈补强

补强圈补强是一种较为常见的补强方式，利用开补强板的厚度来增加开孔周边容器壳体的补强强度。其结构比较简单，加工制造简便，应用经验丰富。设计时要充分考虑到补强圈、接管、壳体三者焊接的合理结构，便于制造[6]。

这种补强因为补强圈没有与接管和壳体形成整体，因此，抗疲劳性比较差，通常用于常温和静压下的中低压容器。

2) 厚壁管补强

厚壁管补强能使补强区域集中于应力集中区，比起补强圈补强更能有效地降低应力集中系数。其结构也较补强圈补强简单，不需要叠加焊缝。在使用厚壁管补强时，超出补强范围的接管部分可以利用减小壁厚到满足承压强度即可，这样可以节省部分材料。

3) 整锻件补强

采用整锻件的补强时，能够有效地降低应力集中系数，锻件强度优于管材和板材，且整体锻件和壳体焊接采用对接接头，可以保证焊接的质量，使热影响区和焊缝离开应力点的最大位置，抗疲劳性能比较好。常用于高温、高压、有毒有害介质的容器。

使用整体锻件，应考虑到锻件的加工周期较长、成本高等不利因素，以免耽误设备的制造周期。

3 总结

压力容器作为特种设备的一类，在设计过程中不单要满足其使用性能，更要考虑到其安全性。压力容器主要受压元件的选材关系到其使用过程中的安全、平稳、高效、经济等性能。开孔补强作为压力容器局部设计的重要部分，设计者要根据不同工况选择合适的补强方法，来保证容器整体设计正确、可靠。

[1] 李颖.压力容器开孔管选材及补强设计分析[J].中国石油和化工标准与质量,2011(11):132，183.

[2] 王宏，陆焱洪，张青松，等.川东北高含硫气田压力容器设计[J].管道技术与设备,2012(2):29.

[3] 高嘉楠.关于化工压力容器设计相关问题的分析[J].山东工业技术,2015(10):5.

[4] 陈燕.压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较[J].广州化工，2012，40(1)：105.

[5] 丁伯民，黄正林.化工容器[M].北京：化学工业出版社，2012:192-193.

[6] 马涛.压力容器设计中开孔补强设计的应用分析[J].学术争鸣，2016(23):268.

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LILiang

(ShouyangChemicalCo.,Ltd.,YangquanCoalGroup,ShouyangShanxi045400,China)

In the design process of pressure vessel, it is very important for the safe and smooth operation of pressure vessel to choose appropriate material and reinforcement design satisfying the strength. The material selection for main pressure parts of pressure vesselare introduced, technical points of opening reinforcement design are discussed, and targeted design recommendations are put forward.

material selection; reinforcement design; chemical pressure vessel

2017-03-06

李 亮，男，1988年出生，2011年毕业于湖南工业大学过程装备与控制工程专业，助理工程师，从事化工设备管理工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.28

TQ052.4

A

1004-7050(2017)03-0084-03