化工压力容器设计中的选材和补强分析

陈晓燕

中石油华东设计院有限公司 北京 100029

随着时代的不断进步，在化工生产中逐渐凸显了化工压力容器的重要性，为了保证容器的安全运行，就必须科学地进行补强设计以及容器选材工作。在深入分析化工压力窗口的补强与选择材料过程中，应结合实际经验，熟练运用相关行业和国家标准，保证所选材料可以在化工压力窗口中使用，具有较高的准确性[1]。但是现阶段，在运用化工压力容器的规范与标准中，化工压力窗口的制造单位与设计单位仍存在一些问题，稍有不慎就会导致运用时对人们的财产与生命安全造成威胁。因此，必须做好化工压力容器的补强设计和材料选择工作，才能有效解决这个问题，从而促进我国工业的快速发展，保证化工压力容器的正常运行。

1 化工压力容器设计中材料的选用

1.1 选用主体材料

要想保证压力容器的安全性，就必须正确选择主体材料。在设计压力容器过程中，除了要根据相关标准与法规等硬性规定来选择主体受压元件选样外，也要选择能满足设备工艺性能、物理性能、力学性能和介质相容性的材料，以此来保证所选择的材料有较强的耐蚀性、足够的强度以及优良的可加工性。

（1）应结合工作条件与介质特点选择钢材种类，对用材牌号进行确定。同时，还应保证使用寿命，所有钢材要抗容器介质腐蚀。在相应压力和设计温度下，其许用应力要满足容器的强度要求。同时，可选用复合材料作为一些特殊介质，与介质接触的复层可以对抗介质腐蚀，基层用来满足力学性能，以此来对钢材的合理利用进行有效提高。例如，在设计高硫压力容器时，应优先选用Q245R等碳素钢材，要对C、S、P、Ni、Mn等元素含量材料进行限制。

（2）要充分考虑设备的制造性能，来进行压力容器选材，既要有较大塑性、高韧性，也要有较好的成型性与焊接性能[2]。

（3）在选择压力容器材料时，还应提高其经济性，避免不必要的浪费，对于“性能越高越好、越厚越安全”等直观误区进行避免。例如，较厚的钢材会增加设备自重，增加设备抗压能力，大大提高对裙座、鞍座等设备支撑元件的设计要求，造成材料的大量浪费，并且还存在失稳等重大隐患[3]。

（4）我国向国际上以及国外输出的装备制造，优于国内使用的钢材料，所以，国内压力容器用材上逐渐出现了越来越多境外牌号的新型材料，在使用境外牌号钢材时，应注意的是：第一，相似工作条件的使用实例必须具有；第二，对于我国法规的要求，相关质量、化学成分、材料性能等证明文件必须满足；第三，对于材料的使用性能与加工性能，压力容器的制造与设计单位必须要了解与掌握。并严格按照《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG21-2016使用新材料，并通过技术评审要求。

（5）在选用压力容器材料过程中，应优先选择具有相应资质企业生产的钢材。作为特种设备，化工压力容器若发生事故，就会给企业造成严重损失。因此，对于压力容器使用、安装、制造、设计等各个环节，国家质量监督检验检疫总局都应进行严格监管，从而对压力容器的安全运行进行有效的保证[4]。

1.2 选用压力容器设计中补强材料

应综合考虑经济性、焊接性能、力学性能、理化性能来选择补强材料，并且保证所选材料与主体材料牌号相近或一致，若与壳体材料的许用应力相比，补强材料许用应力较小，应按照补强材料和壳体材料的许用应力之比，增加补强面积，若与壳体材料的许用应力相比，补强材料许用压力较大，就必须减少补强面积。总之，壳体材料与补强材料不同会降低设备的经济性，增大补强面积。

1.3 分析压力容器选材设计的实例

在设计压力容器时，某一企业利用16MnR代替15CrMoR，温度为470度。相关的强度可从设计手册中查阅得到，在350度内，替换钢材后，指标比替换前的钢材要高，前者的强度指标，若在温度大于425度时，就会高于后者。因此，材料之间在一定温度下，不可以随便替代。若长时间使用碳锰钢和碳素钢，在425度条件下，就必须考虑碳化物石墨的倾向问题。两种钢中的渗碳在高温下，会一一进行分解，并会导致16MnR钢内珠光体消失，直接降低材料的塑性与强度，加大了生产的危险，冲击值也会明显下降。

2 探讨压力容器补强结构及设计方法

2.1 分析补强结构

（1）补强圈补强。较为常见的补强方式就是补强圈补强，在对开孔周边容器壳体补强强度进行增加时，主要利用开补强板的厚度。其加工制造简便，结构较为简单，应用经验丰富。对于壳体、接管、补强圈三者焊接的合理结构，在设计时要充分考虑到，以便于制造。因为补强圈没有与壳体和接管形成整体，导致这种补强通常用于静压和常温下的中低压容器中，抗疲劳性较差。

（2）厚壁管补强。此种方法可以使补强区域集中在应力集中区，厚壁管补强与补强圈补强相比，对应力集中系数可以有效降低。其不需要叠加焊缝，结构比补强圈补强简单。对于超出补强范围的接管部分，在使用厚壁管补强时，可以利用减少壁厚来节省部分材料，满足承压强度[5]。

（3）整锻件补强。此种方法可以对应力集中系数进行有效降低，锻件强度优于板材和管材，采用接接头来焊接壳体和整体锻件，可以保证焊接质量，抗疲劳性能较好，使焊缝和热影响区离开了应力点的最大位置，在有毒有害、高压、高温介质容器中用到的较多，在使用整体锻件，为了不耽误设备的制造周期，可以对锻件成本高、加工周期长等不利因素进行充分考虑[6]。

2.2 分析压力容器补强设计计算方法

（1）等面积补强法。现阶段使用经验最多、运用最为广泛的计算方法就是等面积补强法，对于壳体上因开孔而消弱的承载面积，它认为应在有 效的补强范围内，由接管、壳体、两者焊接减少承载压力之外的截面积来对削弱的承载面积进行补偿。补强的方法通过开孔中心截面上的投影面积来计算，没有充分对开孔系数及应力集中进行有效的考虑，至此，这种方法壳体和开孔直径较小时，既简单又可靠，但是此方法在壳体直径与开孔直径较大时，不太可靠，就偏冒进了。

（2）压力面积补强法。对于等面积补强法的适用范围，当开孔直径超出后，就会有较大的弯曲应力出现在孔周围，特别是在薄壁容器中的大开孔 。压力面积补强法是以有效补强范围内（补强材料、接管、壳体）的承载压力面积与压力荷载在壳体受压面积上的平衡为前提。壳体在端部均布下，有效的补强范围，就是对壳体局部环向薄膜的衰减进行全面考虑，也是孔边高应力存在的范围，在开孔率达到0．8时比较适用这种方法。对于开孔补强的设计，在《压力容器》GB150-2011中并没有在设计依据中纳入压力面积法，作为大开孔补强计算方法，其仅仅存在于《钢制化工容器强度计算规定》中，而此行业标准的现阶段状态发展较为缓慢。因此，设计者应采用应力分析法，计算超出等面积法适用范围的补强。

（3）弹塑性失效补强法。从应力分类中的安定性概念出发，此方法利用金属形变硬化性能和延展性，在材料的两倍屈服极限，对峰值应力进行限定，这样不会有大面积塑性流动出现在开孔边缘，一次薄膜应力和开孔周围的不连续应力叠加后，所需的接管和壳体加厚量可用小于三倍的许用应力来计算。采用此方法主要用于壳体全焊透，并选用整体补强元件，依据《钢制压力容器-分析设计标准》JB4732-1995来严格执行相关结构尺寸。

3 结语

综上所述，作为一类特种设备，压力容器在设计过程中，既要考虑到其安全性，也应满足其使用性能。受压元件的选材直接关系到压力容器使用过程中的经济性、高效性、平稳性以及安全性。所以，作为压力容器局部设计不可忽视的重要部分，在设计开孔补强过程中，设计人员在选择补强方法时，应结合不同工况进行科学合理的选择，以此来保证容器整体设计的可靠性与正确性。