压力容器设计若干技术问题的探讨

压力容器设计若干技术问题的探讨
发布时间：2023-03-07T02:59:44.267Z 来源：《工程建设标准化》2022年10月20期作者：吴剑1 居爱平2 包杰3
[导读] 在国内的压力容器生产中，由于其广泛应用于工业领域
吴剑1 居爱平2 包杰3
1身份证号：32101119830118****，江苏扬州 225000
2身份证号：32102319871011****，江苏扬州 225000
3身份证号：32108119891019****，江苏扬州 225000
摘要：在国内的压力容器生产中，由于其广泛应用于工业领域，由此对其技术的设计也提出了更高的要求。

但从整体角度来看，压力容器在设计时，仍然需要进行优化和完善，这不仅关系到压力容器制造成本，也关系到其后续应用的安全性。

因此，本文就压力容器设计中的几个技术问题进行了相关的分析，并就如何有效地解决这一问题进行了讨论，以期在提高压力容器的设计水平的基础上，为工业生产提供更多的安全保障。

关键词：压力容器；设计；技术问题
1 引言
随着我国工业的快速发展，压力容器在工业生产中应用越来越广泛。

压力容器是指被安装在管道、容器等设备中，用以实现流体输送、保护、密封和储存的一个重要结构。

而压力容器作为一个重要的承压设备，它能够对介质及各种流体的输送、储存和保护起到十分关键的作用，因此对于压力容器进行设计时，需要进行科学合理的优化及完善，笔者进行了相关的研究分析，希望能够对相关工作人员有所帮助。

2 压力容器设计的技术问题
2.1 压力容器设计中方法选择的问题
目前，压力容器的两种设计方法分别是常规设计和分析设计。

常规设计方法是按照弹性力学、材料力学等有关理论，以设计规范为依据，确定压力容器结构主要受压元件的尺寸。

这种设计方法通常适用于各种复杂形状的受压构件。

在大型钢结构和核电设备的工程设计中，采用常规设计是最常用的方法之一。

分析设计与常规设计方法有着明显的区别。

这种区别主要体现在：分析设计师在使用材料、力学理论等方面要比常规设计者更为深入和透彻，能够更好地满足实际工程要求，可以使压力容器结构具有更高的安全可靠性。

分析设计是利用最大剪应力原理，依据塑形失效准则、弹塑性失效准则和疲劳失效准则，对结构进行有限元计算。

相应的设计规范包括：《钢制压力容器-分析设计准则》JB4732，《压力容器建造一另一规则》，美国 ASME VII-2，《非接触火焰压力容器》，欧盟PrEN13445-3，《压力容器构造-另一标准》，日本JISB8250。

2.2 压力容器设计开孔补强的问题
在压力容器的设计与生产过程中，开孔补强是最为常见的一类技术问题。

在压力容器的结构设计中，由于某些特殊要求或者是工艺的需要，对其进行开孔。

通常情况下，开孔分为两种：一种是利用专门材料制作出的开口；另一种是利用机械加工方法制作出开口，一般都被称作为“开”与“补”。

而在使用过程中需要注意的是：如果在压力容器上进行开孔处理，那么必须严格按照设计规范要求进行开孔设计。

因此，在压力容器中存在很多潜在风险，产生这种现象的主要原因是：
(1)当壳体开孔后，原膜应力均匀地受到破坏，形成了一种非均匀的边界应力，这是一种局部的薄膜应力，并使得该区域的应力更加集中；(2)在所述外壳开口的边缘和所述导管的连接处所形成的不连续的应力；(3)由于横断面的不规则过渡，壳体与接管的连接角部区域的应力集中。

2.3 压力容器设计焊接的问题
焊接是压力容器生产中最为关键的一个环节。

在压力容器的制造过程中，焊接质量会直接影响到产品的使用寿命和安全可靠性。

压力容器的焊接问题主要有：裂纹、咬边、气孔、夹渣等；由于焊接缺陷，导致了断面上的受力不均和应力集中；由于焊缝的不均匀性、局部加热融化、快速加热、快速冷却等原因，在焊缝中必然会出现残余应力和变形，从而造成焊缝开裂。

2.4 压力容器设计腐蚀的问题
目前，大多数的压力容器都是用金属的。

由于压力容器与外界的相互作用，造成了材料的破坏、损坏或变质，称为压力容器的腐蚀。

根据其腐蚀机制，可以将其分为：物理性腐蚀、化学腐蚀、应力性腐蚀和电化学腐蚀。

影响其腐蚀的因素有：温度、压力、流速、各种溶液的 pH。

容器的耐蚀性取决于介质对物料的侵蚀速度和装置的使用寿命。

当管道的腐蚀允许值由管道的外壳腐蚀余量决定时，对于管道的开孔补强是不够的。

因此，在接管的耐蚀性上，应考虑到管内的腐蚀余量，而对于较小、较薄的管件，应采取适当的加固措施，例如使用硬壁管或锻造管。

3 压力容器设计问题相应的解决途径
3.1 压力容器设计中方法选择问题的解决
传统的压力容器设计，是一种相对保守的传统性设计方法，这种方法以最大应力为基础，不考虑热应力、局部应力、边缘应力和尖峰应力。

与传统的结构相比，通过分析设计可以节省20%~30%的材料，从而可以有效地降低加工工作量，降低运输成本。

然而，在材料选择、制造、检验和验收等方面，分析设计的要求都要比传统的设计更加严格。

因此，在压力容器设计中，应根据实际情况，综合考虑到生产和运输的费用，合理、科学地选择压力容器的设计方案。

3.2 压力容器设计开孔补强问题的解决
在压力容器的设计当中，开孔补强是一种重要的解决途径。

补强材料分为两种：补强壳体和补强接管。

在进行压力容器设计时，根据实际情况，应选择合适的补强材料。

如果需要对补强壳体进行开口补强设计，那么其补强量的计算方法就是开孔补强法。

开孔补强会使得在壳体受力情况下，补强材料承受较大的应力。

开孔补强法的基本原则可以分为等面积和分析两种方法。

等面积法是以大平板为计算模型，将一次加载后的整体平均应力作为其强度准
则。

由于壳体截面开孔，因此，受力区域的弱化必须选择补强材料，以同样的面积进行补偿。

另外，等面积法是以静平衡为基础进行补偿的，故不适合在有疲劳强度的情况下进行开孔补强。

该方法以有限元分析为主，其计算结果较等面积法更合理、更科学。

为解决开孔补强问题，压力容器应采取以下几种措施：1）增大管壁厚度；(2)增加加强环的厚度或接管的厚度；(3)增加圆筒在开口附近的厚度，或增加加强环的总宽度。

3.3 压力容器设计焊接问题的解决
如果压力容器的密封性能达不到要求，那么在使用的时候就会出现渗漏，不仅会影响到容器的内部，而且还会对工人的生命造成一定的危险。

解决焊接裂纹的方法有：
(1)选择使用低氢型的焊条；(2)在焊接布置之后需要进行淬火处理；(3)适当地选用合适的焊接工艺。

焊接咬边是在焊接过程中出现的凹痕。

目前，主要有以下几种预防措施：
(1)根据所选用的焊接工艺，对所选用的焊接工艺进行适当的调节，并对所需的电流进行适当的调节；(2)操作人员在进行焊接时，要时刻注意焊缝的各种变化，以便能及时发现并及时采取措施。

所谓的气孔，就是在焊接过程中，无法有效地将气体排出。

焊接孔洞的解决方法如下：
(1)确保接口、坡口周边的清洁；(2)对熔渣自身的浓度进行控制；（3）在任何时候都要更换焊条。

3.4 压力容器设计腐蚀问题的解决
为了能延长压力容器的寿命，通常采用以下几种方法：
(1)选择适当的材料；(2)施用用于减缓腐蚀的制剂；(3)提高焊接质量的压力容器；(4)涂有抗腐蚀涂层；(5)以衬里的形式进行保护；(6)将喷丸强化到容器的壁面上；(7)加强管理与保养。

4 结束语
综上所述，压力容器的设计与其在工业生产中的应用直接相关。

只有按照国家相关法规和行业标准，进行科学、合理的设计，才能确保压力容器在使用过程中的安全和可靠度，进而更好地提高产品在市场上的竞争力和经济效益。

参考文献：
[1]高明明.浅析压力容器设计若干技术问题[J].化工管理,2017,(05):190.
[2]童希亚.GB150《压力容器》设计若干技术问题探讨[J].石油和化工设备,2013,16(05):26-27+50.。