化工压力容器设计及不安全因素分析

曹志峰

东营市特种设备检验所 山东东营 257091

从压力容器的实际应用可以看出，可带来较好的经济和社会效益，因此受到了石化领域的青睐，其应用比值在石化领域中越来越重。但由于在具体应用压力容器时，会面临恶劣的自然环境，一旦设计过程中出现纰漏，可能会埋下不利隐患，从而降低其使用效率，甚至在某些情况下会形成严重的安全生产事故，因此必须重视石化领域中压力容器的设计工作。

1 化工设备压力容器设计的理论基础

压力容器其常规设计主要将最大化的主应力基本强度理论作为基础，主要选用弹性失效的基本准则，而该理论则认为压力容器在某一应力点一旦进入屈服的基本状态，或是造成材料出现塑性流动，就会丧失其弹性的基本状态，即为失效。常规性的设计在其应力方法分析上考虑单一的最大载荷工况，按一次施加静载处理，不考虑交变载荷，不区分短期和永久载荷，也不涉及疲劳寿命的问题，以简化的材料力学公式和板壳理论中的无矩理论公式为主。所有的应力采用统一许用应力值，为保证安全，通常选择安全系数较高的应力值，弥补应力点分析存在的问题。随着当前化工设备其压力容器自身参数的不断变化，尤其是随着互联网技术的发展，使得传统设计过程中存在的弹性失效基本准则已很难满足具体设计需求，同时以往常规性的设计方式过于保守，我们针对该问题应采取新型失效观点进行处理。其分析设计以最大剪应力理论为基础，采用以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法，在分析设计中考虑各种载荷条件可能的组合，打破以往应力计算工作的局限性，从而促进应力值的不断提升，还要确保压力容器自身稳定性和安全性。此外，在对压力容器进行设计时，还应利用多种基本准则，将失效准则作为基础，从而增加弹性失效和弹塑性失效，以及爆破失效准则等，保证化工设备压力容器工程设计工作的准确性和安全性[1]。

2 压力容器设计使用过程中存在的不安全因素

2.1 使用寿命过长

随着压力容器的使用时间的不断延长，其性能会出现一定程度的衰减，相关材料的质量也会出现下降。在生产过程中，压力容器的使用寿命过长，会导致其出现一系列的安全问题。相关专家学者研究表明，大量的化工企业对压力容器使用寿命都不够重视。在生产过程中，存在着大量的超寿命运行的的压力容器。一部分压力容器的相关部件老化极为严重，其在生产过程中存在着大量的安全隐患。基于上述原因，整个设计工作中要提高整个设备的使用寿命，保障压力容器的安全性。

2.2 材料选择不合理

材料选择和应用对压力容器的总体设计质量具有关键性的影响。在选择材料的过程中，要结合实际情况合理选择，要充分考虑其安全因素的影响，包括应用情况、结构特征等，既能够保障压力容器设计质量符合标准要求，也能够提升其安全性能和使用效果，为化工企业生产效率以及经济效益的提升大有助益。在对材料进行选择时，还要注重符合相关规定的要求标准，对材料质量进行严格的检查和把关控制，防止在应用过程中发生渗漏或者是腐蚀问题。此外还要注重充分考虑其应用环境以及人为操作等因素，保障材料选择的合理性和可靠性。

2.3 热处理技术不到位

目前我国大多数企业的压力容器的设计多存在处理技术不到位的问题，主要表现在压力容器的焊接接头处和壳体位置的热处理，过于重视而压力容器的弯管位置的热处理工作不到位，因为压力容器是一个统一的整体，如果在某一方面不能做到有效处理，则会大大降低压力容器的安全系数[2]。

2.4 加工误差变形

压力容器封头压制后，会出现封头曲率与标准封头的曲率超差，造成设备使用过程中，封头处的压力和设计预计值偏差较大，影响容器的安全性能。所以，加工及备料过程，是一种导致变形的因素。究其原因，大多是工人放置胚料的位置不正确或封头模具不标准等所致。备料误差所致的变形，一般是钢板方面。钢材在吊装、运输及存放过程中，经常承受各种外力的作用，导致弯曲、扭曲、翘曲等变形。

2.5 焊接质量问题

压力容器制造中焊接属于必要工序。压力容器的制造质量直接受焊接技术水平的影响，如焊接过程中焊接人员未能严格遵循技术规范要求，或具体焊接过程存在电流大小控制不准确情况，导致焊接部位承受强度能力将出现显著下降，同时出现较高的安全隐患。存在这类问题的焊接部位往往会很快在腐蚀性工作环境下出现腐蚀现象，进而导致安全事故的发生。

3 压力容器设计过程中问题的优化方式

3.1 设计方式选择的应对措施

对比分析设计和常规设计模式可以看出，对于前者而言，其在确定相关参数时，一般利用数值计算的方式，将第三或第四理论作为依据来进行计算。相较常规设计，此类设计方式可降低两到三成的材料成本，降低运输及制造等方面的成本输出。然而，对比常规设计各类要求，此类设计拥有更高的标准，如选择材料、检验等；对于后者而言，其同分析设计相较，整个过程易执行，且简单不复杂，属于传统保守层次。由于常规设计的参数依据源自最大应力，因此设计人员在进行设计的过程中，可以不考虑其中产生的峰值应力、边缘应力、局部应力及热应力等。当然这也使得此类设计方式拥有较高的安全性，但从其经济性可以看出，其耗费的成本较高。由此，相关人员在进行压力容器设计时，除了要充分考虑实际生产需要，了解其实际使用环境和成本支出，还应充分参考相关规范标准，科学合理的进行选择，以在提升压力容器质量的同时，降低其成本损耗[3]。

3.2 规范压力容器热处理流程

如何降低热切割钢板的变形，已经越来越受到各个领域技术人员的重视。热切割产生的变形，矫正难度很大，严重时会影响使用。防止热切割时产生变形，可采取在切割板材时跳留若干间断点段，使母材板与被切割工件的板材相连，抑制工件的上翘和冷缩现象。待完全冷却后，再将连接点断开；还可以使用工装将被切割工件夹好、固定，然后再进行切割操作，待工件完全冷却后，再松开。这两种方法都是实践证明，能有效的防止热切割变形的方法。

3.3 选择高质量的原材料

在实际的操作过程中，应当加大对压力容器材料的合理选择，按照有关的规定做好压力容器钢板的焊前焊后处理，焊前需要做好预热，焊后要做好热处理，以降低在电焊过程中产生的应力，一方面需要保证其性能，另一方面需要保证其稳定性。例如常见的模式是采用多层包扎式氨合成塔作为设计材料，这种材料设计起来比较简单，基本不需要高温加工，容器的配件在200℃左右的温度之下就能制作完成。在选择锅炉材料的时候，需要重视对材料使用温度和抗腐蚀性的考虑，做好锅炉材料的选择。管材一般为16Mn，底部三通管材质为15CrMo，壳侧选材为Q345R，温度控制在250℃左右，要使用合适规格的防冲蚀板，使热管受热均匀，也要考虑高温下热管的冲蚀，更好的发挥换热作用。

3.4 开孔补强问题的应对措施

从开孔补强的缘由可以看出，其主要有三个方面的因素：其一，在对压力容器进行开孔后，会破坏薄膜的均有应力，进而形成集中的分散应力；其二，接管开孔边缘时，其接口处会形成不稳定应力；其三，由于不规则的接管连接，而导致截面形成集中的应力。由此，在设计压力容器时，要注意各个连接和开孔环节。首先，要对其进行合理分析，以计算最佳的应对方式，目前通常用分析法和等面积原理来应对这一难点和重点。前者主要是深入分析壳体属性，找准其极限，得出的数据较为科学和合理，当然此方式会受到其中开孔尺寸的影响，具有一定的局限性；对于后者而言，其在计算模型上依据压力容器受拉伸开孔情况，在补强原则上以总体平均应力施加为基础，计算补强壳体相关数据。究其原因：因为开孔在壳体截面，因此需将补强的材料施加于开孔被削弱部分，以补偿其削弱情况。同时需注意：此类补偿计算方式，属于静力平衡模式，所以无法计算开孔疲劳强度；其次，在应对措施的选择上，拥有的方式有：可对筒体的厚度进行适量增加；可对接管厚度或补强圈厚度进行适量增大；可增加补强圈的整体宽度或对开孔周围筒体厚度进行增大[4]。

3.5 压力容器（槽车）充装安全质量管理

为贯彻执行国家有关移动式压力容器充装法规、规定，确保充装安全，保护人民生命财产不受损失，移动式压力容器充装质量管理从以下几个方面展开工作：管理职责。健全组织机构、岗位职责，做到从业人员人人参与质量安全管理，明确自己在作业中的职责和注意事项，努力做到人尽其责。管理制度。完善各项规章制度，根据各自不同的需要，制定相应的规章制度，例如生产区十大禁令、槽车充装十大禁令等；安全技术操作规程。指定作业的管理规程，如移动式压力容器内介质分析和余压检测操作规程、槽车充装规程、液相产品充装量复检操作规程、车超装后卸车安全操作规程、鹤管保养规程、应急处置操作流程等；装车场应急预案。制定现场应急预案，包括应急职责、液化气罐车发生泄露及发生火灾、恢复作业程序等，并定期进行演练，确保在突发事故发生时能做到及时应变，把损失降到最低；工作记录和见证材料。例如以下材料：充装介质充分检测报告、装车区进出车辆登记检查表、超装介质卸载处理记录、槽车充装记录、液化气装车加臭记录表、装车安全教育记录表、司磅记录单、装车场防雷防静电检查维护记录表、装车场防静电跨接线检查维护记录表、地秤检定维护记录表、压力容器巡检记录、事故汇总表等等；只有详实的记录，才能让管理实现精细化，保证充装质量。

3.6 强化焊接工序控制

焊接工序属于压力容器制造的关键环节。作为最常见的制造工序，焊接工序对质量的影响极为深远。焊接操作需要得到合格焊接工艺和高资质焊工的支持。相应焊接工艺设备和材料也直接影响焊接质量。焊接前预热对压力容器焊接质量有决定性作用。焊接预热能够降低焊接后的冷却速度，且能够有效减缓淬硬倾向，预防焊接裂纹。在焊接件预热温度较低时进行焊接，能够提高焊接工作效率，但会增加焊接裂纹出现的几率。这种情况下焊接人员需刨除焊缝重新焊接，不仅浪费时间和材料，还影响了整体的生产进度。因此，必须保证焊工认识到焊接预热的重要性，辅以适当的培训和技术交底，积极引进新型焊接工艺和设备，同时严格检查焊接质量，从而为提高压力容器制造质量提供支持。压力容器焊接质量检查中，需及时发现和消除安全隐患。此外，要做好良焊缝返修工作，以压缩制造成本，同时保证制造质量。

4 结语

综上所述，随着科学技术的逐渐发展，化工压力容器设计技术得到了极大的发展，因此要结合实际情况，对化工压力容器设计中的不安全因素进行全面分析，查找原因，提出合理的应对策略，压力容器设备的运行安全，直接影响到企业相关领域的工作开展可行性。通过对大量事故进行分析可知，事故的出现，多数原因是由于安全技术管理疏忽或技术操作失误，给企业与社会造成巨大影响。为有效规避相关问题的出现，应当对压力容器的设计、生产、安装、使用等过程进行严格管理。为有效提高压力容器设备的整体运行安全性与稳定性，需不断加强压力容器设备的安全技术管理工作。通过颁发相关的法律条规，对压力容器的使用管理进行明确规定。同时，国家成立了专门监察机构，对压力容器一类的特种设备，开展有效的技术监察工作，并对压力容器的质量保证体系进行有效健全，避免劣质设备流入市场，增加企业运营风险。只有全面重视材料质量管理、提升整体的建设品质，才能促进压力容器行业的更好发展。