压力容器设计阶段的质量控制要点分析

压力容器设计阶段的质量控制要点分析

钟晓妹  

徐州工程学院     214500

摘要:压力容器被广泛应用于多个行业，特别是在国内快速发展的石油化工产业中。为确保设备的安全和稳定运作，其在设计阶段的质量管理显得尤为重要。本文将分析并讨论设计阶段的质量控制要素，包括设计方法的选择、设备结构的优化、材料挑选、设计文件的完备性以及设计图纸的精确性，还有设计人员的能力。通过严格控制这些因素并进行优化，可以提高设计的整体质量，确保设备安全运行。

关键词：特种设备；压力容器；质量控制；设计阶段

1设计阶段控制点分析论述

在设计压力容器之前，使用单位必须根据工艺需求提供详细的设计条件。这些条件包括压力容器的操作参数（如工作压力、温度范围、液位和接管载荷）、使用地点及其自然条件（如环境温度、抗震等级、风雪载荷）、介质成分与特性、预期使用寿命、几何参数和管道接口位置等[1]。压力容器的设计质量水平对后续阶段有直接影响，如果设计阶段出现错误，那么即使设备还没有被制造出来，其本身就可能存在缺陷。

1.1压力容器设计方法的正确选择

目前，国内外众多设计院在压力容器设计方面主要采用的是规则设计和分析设计方法[2]。选择设计方法时需要从多个角度进行考量，主要是根据设备的失效模式进行分析，并据此选择最合适的设计方法。同时，值得注意的是，近年来法规和产品标准更新较为频繁，因此在设计时必须确保所依据的法律、规程和标准都是最新的现行版本。

压力容器失效可能由多种因素引起，但其最终表现通常包括断裂、变形和泄漏。压力容器的失效模式主要分为以下几种：首先是强度失效，这种失效是由于材料屈服或断裂导致的；其次是刚度失效，即设备变形严重到影响其正常运作；第三是失稳失效，这种失效是在外部压力作用下，设备突然失去原有形状；最后是泄漏失效，即设备出现泄漏问题[3]。

由于设计规则中的计算简便，不需要进行复杂的结构和应力分析，因此仍然是许多压力容器设计院的首选设计规范。然而，随着石油化工行业的快速进步，设备趋向于更大规模、结构更加复杂、工作条件更加严苛，规则设计的局限性变得越来越明显[4]。在这种情况下，分析设计方法的优势在于解决非标准问题。以下是应考虑采用分析设计方法的情况：首先，当压力容器在运行过程中不仅要承受机械载荷，还存在热应力，并且这些载荷波动较大时；其次，当容器存在结构不连续的局部区域，这些区域由于应力集中而可能导致疲劳失效时；最后，对于规则设计无法解决的非常规结构和载荷情况，分析设计不仅能够提供解决方案，还能对设备进行优化，减少材料浪费和制造成本。

2对设备的结构进行优化设计

在设计设备时，应当充分考虑到结构的合理性，以避免由于结构不合理导致的设备应力分布不均和应力集中等问题。例如，在压力容器的设计中，如果可能的话，应选择标准椭圆封头而不是蝶形封头。这是因为蝶形封头的曲率变化较大，会导致封头结构的不连续，从而在承受压力时产生不均匀的应力分布，这会增加设备使用过程中的安全风险。

2.1选择合理的设备材质

设备的材质选择是否恰当，会直接影响设备的使用寿命和运行安全。在选择压力容器的材料时，需要全面考虑容器的使用环境、介质的相容性以及材料所需具备的性能等因素。

2.1.1设备的使用条件

对于高压容器的设计，通常要么选择高强度钢板，要么通过增加普通钢板的厚度来达到所需的强度。然而，增加普通钢板的厚度会导致设备变得笨重并造成材料浪费。选择高强度钢板时，虽然能满足强度要求，但需要注意这可能会牺牲材料的韧塑性。屈强比（屈服强度与抗拉强度的比值）是衡量金属材料塑性储备的一个指标。屈强比低表示材料具有良好的塑性，而屈强比高则表明材料塑性较差，断裂时塑性储备较少。对于低屈强比的材料，如果设备承受交变载荷，事故发生时可能会由脆性材料的无塑性变形直接断裂爆炸转变为设备未爆炸而先泄漏，从而提高设备的运行安全性。高屈强比的材料相比低屈强比的材料，在相同工作条件下制造的压力容器可以节省材料用量。但是，高屈强比材料虽然优势明显，也存在缺点，如不耐疲劳、对应力集中敏感，以及容易产生加工硬化等问题。2.2.2相容性

相容性涉及两个不同的方面：首先，是指压力容器的材料必须与其盛装的介质相容，这意味着介质和金属材料之间不会发生物理或化学反应。其次，是指在压力容器的制造过程中，焊接时使用的钢板材料与焊接材料之间应相容，这指的是焊接完成后，焊缝、熔合线和热影响区的力学性能、化学成分和组织形态都应满足材料标准的要求，并且焊接接头不应有冷裂纹、热裂纹等焊接缺陷。

2.2.3材料的功能

在确定材料的使用功能后，需要根据这些功能提出相应的材料性能要求，包括但不限于强度、耐高温、耐低温和耐腐蚀等。例如，对于介质腐蚀性不强、壁厚不大的低压容器和锻件，可以选择使用碳素钢。筒体和封头作为受压元件，其主要功能是形成所需的承压空间，并且直接与介质接触，对于介质腐蚀性不强的中、低压压力容器，它们应该选用专用的压力容器钢板。在腐蚀性较强的环境中，例如盛装硫酸、盐酸、强碱等强腐蚀性介质的设备，可以选择使用搪玻璃等非金属材料或带有非金属衬里的压力容器，如搪玻璃、石墨、塑料等，以非金属材料来提供所需的耐腐蚀性。对于医用或食品生产企业的压力容器，则应选择不锈钢材料，以满足其特定的卫生和安全要求。

2.2.4设计文件应齐全及设计图纸的内容应准确完整

在设计压力容器的图纸时，尺寸数据和工艺数据必须精确且完整。设计人员需要仔细核对接管管口的尺寸、位置和方向，封头上非竖直管口的倾斜角度，以及设备内部组件的数量和尺寸等。同时，对于工艺数据，如无损检测的方法、技术等级、比例、合格标准，热处理的方式和温度范围，耐压试验和泄漏性试验的方法及压力，以及特定工艺的特殊要求，设计人员应详细查阅相关标准，并深入理解产品标准以确保设计的准确性和合规性。

设计文件的完整性和设计图纸内容的准确性对于压力容器的制造过程至关重要。它们不仅影响着制造、焊接、无损检测、热处理、耐压试验和泄漏性试验等各个工艺的编制和执行，而且直接决定了容器最终的质量和固有安全性。因此，设计文件的准确性和完整性是确保容器质量和安全的关键因素。

3设计单位应配备相应能力的设计人员

现在，随着煤化工以及其他化工企业的持续增长，设计单位数量迅速增加，遍布各地。但是，这些设计单位中的设计人员能力不一，造成了设计产品质量的波动，设计文件中可能包含不同程度的设计错误。这种状况直接导致了最终制造出的产品质量无法保证，存在严重质量问题。

设计单位应当配置具备相应能力的设计、校对、审核和批准人员，并且应该定期对设计人员进行能力提升培训，以增强他们的理论知识。只有当设计人员的专业水平达到一定高度，他们设计出的设备产品才能保证质量和安全性。设计人员应当亲自到现场进行考察，深入了解现场的具体情况，以确保设计文件的准确性和严谨性。笔者曾经历过这样的情况：一家化工企业计划更换一台浮头式换热器（现场与换热器连接的管路未进行更改），并要求设计单位重新进行设计。由于设计人员在实地考察时的疏忽，制造单位按照设计图纸制造完设备后，现场安装时发现换热器总长度短了20毫米，导致现场管路与设备无法牢固连接。这最终导致设备需要返厂，工期延误，给设备使用单位造成了经济损失。因此，设计人员需要亲自到现场进行多次考察，确保设计数据的准确性。

4结束语

综上所述，在设计阶段，设计单位需要严格把控压力容器的各个设计环节，包括选择合适的设计方法、优化设备结构、选取适当的材质、确保设计文件和图纸的完整性与准确性，以及配置合格的设计团队。通过实际检验中遇到的问题案例，可以看到这些控制点的重要性。合理地管理这些关键因素，不仅能够保证产品的设计质量，而且对于设备后续的制造、安装、使用，以及整个使用周期内的安全运行都具有极其重要的影响。

参考文献：

[1]成洲,郭洪强.压力容器制造过程中的质量问题与优化策略[J].化学工程与装备,2023(10):149-151.

[2]陈学东,范志超,陈永东等.我国高端压力容器设计制造与维护技术进展[J].机械工程学报,2023,59(20):18-33.

[3]张翔兮.压力容器设计及制造过程中降低应力集中的措施[J].现代制造技术与装备,2023,59(09):174-176.

[4]李彬楠.试论化工设备压力容器规范设计及发展[J].当代化工研究,2023(17):147-149.