探析压力容器设计

探析压力容器设计

发表时间：2018-12-17T15:53:20.763Z 来源：《基层建设》2018年第29期作者：孙奎福

[导读] 摘要：压力容器在工业生产中应用广泛，压力容器的设计一般有工艺条件中获得操作温度、操作压力、介质成分及特性、容器的尺寸。

杭州杭氧化医工程有限公司浙江杭州 310014

摘要：压力容器在工业生产中应用广泛，压力容器的设计一般有工艺条件中获得操作温度、操作压力、介质成分及特性、容器的尺寸。本文从其设计方面问题进行探讨。

关键词：压力容器；设计；问题

压力容器的设计过程牵涉很多标准和规范，在设计期间，设计人员会遇到各种各样的问题，对相关政策法规标准的理解不透彻和对容器设计步骤的不确定，都会给压力容器的设计带来困难，以致对后来的生产和使用过程带来一定的安全隐患。在设计压力容器时,都应该参照有关的国家规范和标准的最新版本。设计得正确、合理与否,不仅涉及到制造、检验等环节的难易程度,影响到压力容器产品的制造成本和运转费用,而且直接关系到产品运行的可靠性。

1压力容器概述

近年来压力容器的应用率越来越高，在整个设备从设计到投入运行，要经过设计，制造，检验，安装，运行监督等多个环节，设计是最为关键的一个步骤。设计的正确合理与否，不仅设计到制造，检验的复杂程度，也影响到制造的成本和运转费用，并且直接关系到产品运行的可靠性。压力容器的设计一般有工艺条件中获得操作温度、操作压力、介质成分及特性、容器的尺寸。根据已知条件选定初步尺寸，考虑何时的材料和机构，然后依据规范进行强度计算，确定筒体、风头及各个受压元件的壁厚。容器设计中应注意以下因素：储存介质的特性，包括介质的毒性、腐蚀性、可燃性、密度、饱和蒸汽压力等；装量系数，特质容器内有液体和气体时，在温度变化时存在压力变化；温度，筒体在安装时与工作时存在较大的温差，需要在设计充分考虑温度补偿措施，否则易导致筒体不正常变形，严重影响容器的性能；容器的长泾比，要考虑工艺要求，不能单方面的扩大减小。从事设计的工作人员，必须是一个精通各方面专业知识的人才，比如说，设计人员要详细了解压力容器的内部构造，构成材料的性质，对零部件的受力情况进行分析，甚至对容器制造的过程进行监督和检验。

2压力容器的设计要求

压力容器的设计一般需要满足以下几个方面的要求：（1）保证安全可靠。这是设计的核心，即设计计算，强度计算。设计时不仅必须保证每个承压元件都具有足够的强度，刚度和稳定性，而且还要满足不同工况条件下能安全可靠的运行。（2）保证满足工艺生产。这就涉及到TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求，设计委托方应书面提供压力容器的设计条件，包括操作条件，使用地及自然条件，介质组分与特征，预期使用年限，几何参数和管口方位等设计需要的必要条件。（3）保证合理的经济成本。在当今节能时代，合理节约能源成为各行各业必须遵循的守则。压力容器的设计，要尽量结构简单、制造方便、重量轻、节约贵重材料以降低制造成本和维修费用。（4）制造、检验、交装、操作和维修方便。提出这一要求的目的，一方面是基于安全性的考虑，因为结构简单、易于制造和探伤的设备，其质量就容易得到保证，即使存在某些超标缺陷也能够准确地发现，便于及时予以消除；其次，这样做的目的也是为了满足某些特殊的使用要求，如对于顶盖需要经常装拆的试验容器，要尽量采用快拆的密封结构，避免使用笨重的主螺栓连接；又如对于有清洗、维修内件要求的容器，需设置必要的人孔或手孔；再是，这样做自然会带来经济上的好处，可以降低容器的制造成本。

3压力容器的设计问题

3.1容器设计中的结构设计问题

（1）总体结构的几何不连续而产生的不连续性，由于容器设计需要满足各种功能性，对原本结构有破坏，会产生不连续应力，需要在设计上要通过常规设计规范对其进行补偿。（2）常常是压力引起的应力，多数是局部弯曲应力，严重时回到石局部变形。但是局部应力的作用范围有限，一般通过局部强度检核可以解决此类问题。（3）应力集中，在机构中，会存在应力集中情况，要分析应力集中部位，避免应力超过限值。

压力容器结构设计涉及工艺、选材等等，对于承压容器，结构设计中应力和强度的处理显得尤为重要，在设计中要针对具体设计容器具体结构设计。此外《压力容器安全技术监察规程》将压力容器分为三类，并对其设计、选材、制造检验及使用管理提出不同要求。

3.2总体结构设计中局部应力问题

当各个部件组合成为一个容器整体时，会出现以下状况：（1）容器接管开孔与容器筒体连接破坏了筒体内薄膜应力分布，也会产生不连续应力和应力集中。（2）封头和筒体连接时，筒体的几何连续结构破坏，会出现不连续应力。（3）容器在受到各种局部机械载荷时，容器筒体上产生叠加局部应力，目前没有统一解决方法，但是设计中要予以考虑。

4压力容器的设计分析

4.1设备材料选取

压力容器材料的基本要求：要有较高的强度、刚度，良好的制造性能，并且与压力容器介质有良好的相容性。由于压力容器在制作中设计开孔焊接等等制造工艺，在设计时要对材料的制造性能进行设计上的考量。譬如钢材，铸铁类焊接性能差，脆性高，要对其减少焊接结构设计。

4.2常规设计

常规设计的理论基础是弹性失效准则，认为容器内某一最大应力点达到屈服极限，进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效。在应力分析方法上，是以材料力学及板壳薄膜理论的简化计算为基础，不考虑边缘应力、局部应力以及热应力等，也不考虑交变载荷引起的疲劳问题。所有类型的应力均应采用同一的许用应力值（通常为1倍许用应力）；为了保证安全，通常采用较高的安全系数，以弥补应力分析的不足。

4.3分析设计

分析设计放弃了传统的弹性失效准则，采用了弹塑性或塑性失效准则，合理地放松了对计算应力的过严限制，适当地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性。我国的分析设计的标准为JB4732-95《钢制压力容器一分析设计标准》，是以第三强度理论即最大剪