浅析化工压力容器的设计和选材技术

浅析化工压力容器的设计和选材技术

巩春坤

山东天元压力容器有限公司 山东临沂 276000

摘要：材料的选择与补强设计方面，在整个化工压力容器设计中占据着非常重要的地位，材料性能自身的优劣以及补强设计技术含量，会在很大程度上影响到化工压力容器实际的作业质量以及效率。所以，本文主要立足于化工压力容器的选材与补强设计，展开了深入的研究与分析，以此期望为我国今后在对于相关问题研究过程时，提供一些参考性的建议。

关键词：压力容器；设计；选材

引言

化工压力容器整体结构，在化工实际操作过程当中有着重要意义，那么其壳体材料的选择，是一定要严格的按照相关的标准规定。目前我国的一些化工压力容器设计与制造之间，是会存在着很多不同程度上的偏差，可能会导致压力容器在投入试用、运行阶段出现问题。

一、化工压力容器的选材

1.1选材原则

化工压力容器选材时，需要考虑压力容器的具体使用条件，如：耐腐蚀性、力学性能、抗压性、冷热性能、可焊性、材料来源等，而且在同一台设备设计中，压力容器尽量要选择统一的材料，并要遵循经济适用原则。在具体化工压力容器材料选用时，要求根据国家标准规定进行，综合考虑容器工作压力、温度、介质特性及使用环境等因素，并与材料自身特性相结合，通过具体的分析，综合选择具有最佳效果的材料，确保化工压力容器使用的安全。

1.2主体材料选用

大部分化工原料为易燃易爆物品，且具有毒性，对人体和环境威胁较大。因此具体设计化工压力容器时，需要严格对材料选择进行控制，以保证化工产品生产过程的安全性。对于以强度为主的普通容器，当其板厚要求在8mm以上时，在满足其他要求的前提下，宜选择力学性能较好的碳素钢、合金钢，当装置设计以刚度和结构为主时，受压壳体宜采用碳素结构钢。对于以强度为主导的装置，材料选择时需要与设计温度、介质特点及设计压力等要求相结合，根据相关的国家标准选材并通过强度设计计算。

1.3补强材料的选择

化工压力容器补强主要以三种方式进行，具体包括补强圈补强、整体壳体加厚补强及厚壁接管补强。在利用补强圈补强设计时，补强圈材料需要与壳体材料保持一致，当补强材料许用应力小于壳体材料许用应力时，则要求适当增加补强面积。对于补强材料许用应力高于壳体材料许用应力时，则所需补强面积也不得减少。目前在化工压力容器设计时，基于经济性考虑，整体壳体加厚补强方式在实际压力容器补强设计时应用较少，对于不符合补强圈补强使用情况的，建议采用厚壁接管补强方式，但在具体应用这种补强方式时，需要将接管厚度与壳体开孔处的厚度比控制在0.5~2。当接管材料与壳体材料不一致的情况下，宜引入强度削弱系数（设计温度下接管材料与壳体材料应力的比值）。具体选择补强材料时，还需要参考化工压力容器的温度、压力、主体材料特性等因素，选择适宜的材料并计算合格。

1.4化工压力容器选材时的注意事项

化工压力容器选材时，要求材料在满足具体设计要求和规范的基础上，还需要控制材料的价格和成本，并运用先进的技术手段来检测材料的质量，通过多重实验来保证材料与具体要求相符。另外，还要考查材料生产企业，确保生产厂家具有较好的信誉，能够保证材料的质量，这样才能进一步保障压力容器的稳定性和安全性。

二、开孔补强设计

对化工压力容器进行补强设计时，应根据标准规范要求进行准确的计算来确定所需要的补强面积。当开孔补强面积确定后，应选取适宜的补强方式来完成具体的补强工作。在针对非高、极度危害介质的中低压化工压力容器补强设计时，宜采用补强圈进行补强，具体设计上补强圈的厚度可以大于（但不得大于开孔所在壳体厚度的1.5倍）、等于或是小于壳体厚度。在具体针对化工压力容器补强设计时，多采用补强圈与壳体厚度相等的补强方式，这样可以采用壳体卷板余料来制造补强圈。在针对中高压化工压力容器补强设计时，多会采用厚壁接管补强方式，其效果十分显著。

开孔补强方法大致包括三种，具体为等面积补强法、极限分析法和压力面积法。在等面积补强法中，容器与接管连接处周围的补强面积与壳体开孔时所减少的截面积相等，这种补强方法具有较好的安全性和可靠性，使用十分简便，在中低压容器开孔补强中应用较多。极限分析法通过对实际开孔处应力进行分析，针对不同接管和不同参数来对应力集中参数进行测量，并进行曲线绘制，根据具体的曲线图来完成计算。通常在设备要求不高且只受蠕变范围内恒定压力作用的化工压力容器开孔补强中会应用到极限分析法。压力面积法适用于法向圆形开孔与壳体内径比d^­_i/D_i超过GB/T150.1~4《压力容器》中的范围，同时根据开孔位置不同还应满足其他要求。压力面积法计算方便快捷、补强结构简单，是除等面积补强法以外使用最多的方法。

三、开孔补强设计在压力容器设计中的运用

3.1补强圈补强设计

在压力容器设计中应用补强圈补强设计时，需要将一块补强板焊接在压力容器壁上，进一步增加开孔处的承载面积，增加承受应力的金属面积，能够将开口边沿的应力峰值降低。在具体设计过程中，补强圈的位置与容器应力值的变化具有直接关系，而且也会对应力值带来直接的影响。针对于补强圈设计与应力值变化之间的关系进行具体的试验表明，在压力容器不同位置处增设相同截面积的金属材料补强圈时，会对应力系数变化带来较大的影响。而当补强材料均匀分布在容器内外两侧时，由于补强材料在容器内外两侧具有较好的对称性，不会有附加弯矩和弯曲应力产生。因此，通过补强圈的设计提高了压力容器开孔位置的抗疲劳性能。

3.2整体锻件补强设计

在针对压力容器补强设计时，整体锻件补强设计方法的应用可以降低压力容器外壳的应力值，少量新应力的出现而对容器的整体性能影响不大，可以实现最大化的补强效果。但在实际整体锻件补强设计应用过程中，要求壳体过渡时要保持平缓度，并要严格控制过渡中某一点应力过于集中。而且在整体锻件补强设计过程中，过渡焊缝位置要求较高，这也导致施工难度较高，在具体操作过程中任何一个条件满足不了要求，必然会影响到压力容器补强效果。

3.3厚壁接管补强设计

利用厚壁接管补强设计进行容器壁开孔补强是较为常用的一种设计方法，在厚壁接管补强设计中，材料选择至关重要。通常情况下厚壁接管补强材料会与容器材料保持一致，材料强度等级一般也会选择与容器壳体相同等级的强度。而且厚壁接管补强设计时，通过利用无缝钢管与锻件进行加工，有利于控制加工误差，对提高容器的性能具有较好的效果。

四、开孔补强实际操作应该注意的问题

在化工压力容器设计中，开孔补强设计具有非常重要的作用，可以有效地提高压力容器的性能，确保压力容器设计的合理性。因此在具体开孔补强设计应用过程中，要符合相关标准规范要求，以提高设计的质量，确保压力容器使用时的安全性和可靠性，保证化工生产的安全有序进行。

4.1严格把关接管厚度

严格按照标准规范的要求计算接管厚度，在实际接管设计时，接管厚度过大会影响焊接质量，厚度过小无法抵御反复压力的冲击，因此要保证接管厚度与具体的设备设计相符。接管补强面积不得小于压力容器开孔截面所需金属面积，在具体进行开孔补强设计过程中，往往为了能够满足强度要求会出现加大厚度的情况，这时则可以将接管伸入到压力容器壁内，使接管在壳体内外部均含有效使用的金属面积，可有效通过减少接管厚度，确保设计的科学性和合理性。

4.2导热类压力容器开孔补强设计计算

对于导热类压力容器开孔补强设计，在具体计算时需要考虑到容器的长度，在符合范围内的补强操作的基础上，要针对超出范围的部分给予更多的重视，容器厚度不宜随意增加，这样不仅会影响压力容器的散热，而且还会造成容器压力增加的情况发生。

五、结束语

综上所述，本文重点阐述关于化工压力容器的实际选材以及补强设计方面所要遵循的原则，之后对材料选择设计的具体影响因素进行分析表明，期望为相关的设计人员提供一些参考建议。只有不断增强对其的重视，才能够切实的提升对其设计的效率以及质量水平。

参考文献：

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[2]周新房.浅谈化工压力容器设计选材问题[J].科技视界,2014(26):121+301.