压力容器设计中的安全可靠性分析

压力容器设计中的安全可靠性分析

张宇飞

东莞市盛和化工有限公司

摘要：本文主要从压力容器设计上分析其常见问题、引发爆炸的原因、可靠性的衡量指标、安全评定在压力容器和管道技术中的应用等方面进行了探讨。

关键词：压力容器；设计；可靠性

引言

压力容器是一种能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛，它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。其中以在化学工业与石油化学工业中用最多，仅在石油化学工业中应用的压力容器就占全部压力容器总数的50%左右。压力容器在化工与石油化工领城，主要用于传热、传质、反应等工艺过程，以及贮存、运输有压力的气体或液化气体；在其他工业与民用领域亦有广泛的应用，如空气压缩机。

一、压力容器的常见问题设计

由于容器设计的重要性，往往我们非常重视它的设计阶段，在我们对压力容器的设计流程中，专业设计人员都会谨遵国际通用的设计规范和标准的要求，但是有时会对标准规范中一些潜在的说明存在疏忽和遗漏的问题，这便导致了设备设计安全性无法保证，存在严重的错误以致生产的隐患无法根除。以下列举了设计阶段频繁存在的问题并对其提出来合理化建议：

1.1储气罐的设计

储气罐是压力容器的载体形式，在设计流程中必须要综合考虑到其投入实际生产领域中的应用。首先是材料的选用，用于工作环境的特殊性，要求能抵抗住高温高压以及强腐蚀的金属。但是在实际观察中得出的结论，选用趋近完美的金属材料不一定会带来生产的安全，还要综合考虑到储气罐的各种参数值，例如它的体积，尽量把它设计在合理范围之内才能应对特殊的工作环境。

1.2开孔补强的设计

1.2.1补强圈的补强性能

补强圈的内部和外部直径比率与容器的开孔直径大小密切相关。当压力由小变大时，随着开孔直径的不断变大，补强圈的内部和外部直径比率也在不断变大中。但是当开孔直径超出了一定范围时，补强圈的外径则相应减少了，这时的容器表面也承受了巨大的压力值，此时应当合理增加补强圈的厚度来想方设法使补强金属部分尽可能接近开孔位置。

1.2.2换热器内部的补强

开孔补强是换热器开孔中的一个极为重要的步骤，在其实施之前需提前计算测量，构想补强圈等，这一系列操作都是为改善由于管箱和补强范围不合适而造成的缺漏。也就是说，纵然我们添加了补强圈，也还是无法得到理想效果，在忽视比例构图的情况下是很容易造成这种局面的。

1.3管壳程相关问题

在管壳程试压的过程中，其压力要求是正压，且壳程试验压力应大于管程试验压力，当管程设计压力大于壳程设计压力时，为达到对管子与管板连接接头试验效果，需要考虑适当提高壳程的耐压试验压力，并以最高试验压力校核壳程各受压元件强度，不满足时增加壁厚，但同时要考虑增加壁厚时的经济性、合理性，但是个别部分的承压状况却没有得到足够的重视。

1.3.1管法兰的承压能力

在对试验壳程水压进行压力提高后，就无法继续按照通常情况进行处理，所以，也就不可以选择壳程管法兰应有的承压等级，这就使得操作产生一定的困难，带有一定的危险。所以，也就有了试验水压比正常温度下的压力小1.5倍的说法。

1.3.2管板应具备的强度

在试验壳程压力和试验管程压力一样的情况下，我们要对管板实施校核，这是为了保护工作人员的人身安全。在校核中，在温度不变的前提下，把设计管程压力调为零，并将其作为壳程压力，最大就可以按照不带法兰的固定管板进行计算。

1.3.3或按HG/T20584《钢制化工容器制造技术条件》的附录A、附录B、附录C试验方法对壳程进行泄漏试验。

1.4接头处连接的设计

圆筒经线的半径曲率和球形封头、圆筒连接的环向接头的分布是相关联的，若其发生变换，相应的结构等也会发生改变。有规定依照接头的不同而分为两种：A类为纵向承受力，B类为轴向承受力，A类的承受力是B类的两倍之多。对于球形封头和圆筒连接的环向接头，可以将其半径进行缩短，缩小封头球形在几何上的面积，亦或者是通过堆焊的方式将其厚度提高。这种方法下可以使该物体拥有更加良好的受力，但是不足就是使得制作成本上升，因为无折边曲度的深度加大了，所以在这种方法实施前，要仔细的考量一下优缺点，权衡之后再进行操作。

1.5分气缸的问题

设计分气缸的问题时，要对其进、出气口给予足够的重视，是十分重要的，因为在这项操作中，这个问题是比较容易被人忽略的。因为这样，所以在对分气缸的设计中就要依据每一个详细的施工参数对进、出气口的距离进行不断的调整，以确保最终得到一个最合理的距离。除此之外，掌握好环焊缝和分气缸开口之间的长度也尤为重要，在施工中工作人员应注意躲避焊缝的地方开孔，而且还要保证足够的安全距离，使得局部应力不受影响，从而达到机器正常运作，企业正常生产，工作人员安全工作。在进行分气缸支架的架构时，应根据具体安排进行合理调整，依据数字说话，不能妄下结论，最大限度上保证其安全性。

二、压力容器引发爆炸的问题原因

压力容器使用范围广，像换热器，锅炉都属于压力容器的范围。其内部要承受很大的压力，在设计、制造、修理、安装、改造时稍有问题就容易发生事故，危险的时候甚至会发生爆炸，造成极大的危害。

（一）焊缝出现问题，这种情况下筒体和封头会分离，一般都是封头会因为压力原因被炸飞，像炮弹一样飞出。

（二）母材出现问题，也就是筒体被破坏。有的情况下焊缝的屈服强度（可以理解为抗压能力）高于钢材本身的时候，那么完整的筒体上强度最薄弱的地方会破裂，瞬间释放出大量压力和内部介质，产生强大冲击力。

考虑到爆炸的危险性，所有的压力容器上都会安装安全泄压装置，像泄压阀或者是爆破片，一旦泄压装置出现问题，那么爆炸也没法避免。

此外，因为有极大可能性会产生二次爆炸，比如A容器出现事故爆炸了，产生了极大的热量和冲击力，然后边上的B容器虽然容器本身状况良好，但是因为受到很大能量后也不可避免的出现故障，紧接着B容器也可能会爆炸。

2.1压力容器爆炸后会出现的事故问题

（一）冲击波破坏建筑物，设备或直接伤人

（二）压力容器碎片伤人或击穿设备

（三）器内介质外溢，产生连锁反应

（四）如果爆炸范围较大，短期内大量通讯导致的暂时性通讯中断。大量人群转移导致的交通拥堵。

（五）未知的爆炸物伤害、二次爆炸、以及可能存在的有毒烟雾。

（六）当容器所盛装的介质为可燃液化气体时，容器破裂爆炸在现场形成大量可燃蒸气，并迅即与空气混合形成可爆性混合气，在扩散中遇明火即形成二次爆炸，常使现场附近变成一片火海。

2.2压力容器安全注意事项

（一）在设计上，应采用公道的结构，如采用全焊透结构，能自由膨胀等，避免应力集中、几何突变；针对设备使用工况，选用塑性、韧性较好的材料；强度计算及安全阀排量计算符合标准。

（二）制造，修理、安装、改造时，加强焊接治理，进步焊接质量并按规范要求进行热处理和探伤；加强材料治理，避免采用有缺陷的材料或用错钢材、焊接材料。

（三）压力容器用过程中，加强运行治理，保证安全附件和保护装置灵活，齐全：进一步提高容器维护工人自身素质，防止产生误判、误操纵等现象。

（四）在压力容器使用中，加强使用治理，避免操纵失误，超温、超压、超负荷运行，失检、失修、安全装置失灵等。

（五）加强检验工作，及时发现缺陷并采取有效措施。

三、压力容器可靠性的衡量指标

对压力容器而言，除了将因长期运行材料劣化到极限状态而寿命终结视为不可修复系统之外，一般都可当作可修复系统来处理问题。可靠性衡量指标可归纳为下面两类：

1.概率指标。包括可靠度R（t）、不可靠度F（t），可用度A（t）、不可用度（强迫停运率）Q（t），概率密度函数f（t）、故障入（O）和修复率件（t）等。

2.时间指标。包括平均故障间隔MTBF、失效前平均时间。MTTF、故障的平均持续时间MTTR等。从压力容器设计，制造、使用的全过程来说，其可靠性又分为固有可靠性（设计制造确立的）、工作可靠性（运行时的可靠性）和使用可靠性（使用中由于各种因素影响而获得的），对压力容器的固有可靠性要求为99.9%，对工作可靠性的主观概率为100%。为此，必须对压力容器从设计、制造、使用环境、操作状况、检修等各个方面采取措施，开展可靠性工作。

所有的容器都含有某些尺寸及型式的缺陷，如材料缺陷、焊接缺陷或设计几何的偏差等。这些缺陷能降低发生断裂时的应力。因此，如在一容器中有足够大的缺陷时，其断裂应力可低于规范中一般按最大变形考虑所规定的许用应力。从上面的事故统计数字中也可看出缺陷对事故的重要影响。近来，许多机构已要求将评定这些缺陷的影响作为压力容器设计规范的一部分，并努力提高这些方法的准确性，以提高压力容器的可靠性。

四、安全评定在压力容器和管道技术中的应用

断裂力学的出现和发展，为压力容器的安全评定提供了有力的手段。由于实际和工程构件的断裂力学评定所依据的基本事件具有不确定性，而实际应用中断裂力学都采用定性定量，这就使断裂力学的工程分析方法的可靠性很低，自然带来了偏差和不确定性因素。考虑压力容器所承受载荷、材料断裂韧性、裂纹尺寸等参数的随机特征，应用可靠性理论来解决更具准确性。

安全评定在压力容器和管道技术中的应用，自70年代已引起了广泛的重视，主要是由于核电和海上采油事业发展的需要。日本早在1975年即在钢结构协会成立“安全可靠性研究组”，1978年无损检测委员会进行了“设备使用中定期检查有效性”研究，1983年JWES断裂力学缺陷评定规范中已列入可靠性方法的评定。英国在80年代初就颁布了可靠性标准。我国于80年代初开始对压力容器可靠性工程进行研究，在球罐、高温高压换热器、贮罐等装置中取得了一定进展，获得显著的经济和社会效益；开展了带焊接缺陷结构的完整性研究，并将模糊集理论引入压力容器可靠性评估。由于核容器的安全性一直是大家很关注的问题，国外学者在核容器的可靠性分析及核容器和核管道的结构完整性评定中采用概率断裂力学方法进行了大量研究，取得了大量成果。

结束语

在对压力容器进行设计的时候，一定要对该容器的承压性、耐温性、抗腐蚀性和安全性能等方面给予足够的重视，这就要求我们在设计的时候，一定要遵循科学。文章指明压力容器的设计中，经常被工作人员忽视的相关问题，以期提高该容器的安全性和稳定性，最大程度上减少人为可控制的安全事故的出现，避免在人身、经济财产方面造成不必要的损失。

参考文献

[1]陆江丽.可靠性方法在压力容器设计中的应用研究[J].西北大学.2012.04.

[2]许锐敏.压力容器设计中的常见问题及防范策略[J].产业与科技论坛.2013.10.