石化行業(yè)設(shè)計(jì)中的壓力容器技術(shù)分析

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關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計(jì)；技術(shù)問題

從壓力容器的實(shí)際應(yīng)用可以看出，可帶來較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，因此受到了石化領(lǐng)域的青睞，其應(yīng)用比值在石化領(lǐng)域中越來越重[1]。但由于在具體應(yīng)用壓力容器時(shí)，會(huì)面臨惡劣的自然環(huán)境，一旦設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)紕漏，可能會(huì)埋下不利隱患，從而降低其使用效率，甚至在某些情況下會(huì)形成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，因此必須重視石化領(lǐng)域中壓力容器的設(shè)計(jì)工作。

1壓力容器設(shè)計(jì)重要性

壓力容器的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的工程問題，若不對(duì)其進(jìn)行合理而規(guī)范的設(shè)計(jì)，不僅可能會(huì)降低設(shè)備的應(yīng)用效果，甚至還有可能發(fā)生嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。因此，壓力容器的設(shè)計(jì)有非常重要的意義：其一，在提升該設(shè)備穩(wěn)定性的同時(shí)，提升其性能的輸出，讓其擁有更佳的使用壽命；其二，依據(jù)該設(shè)備的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，在拓展該設(shè)備應(yīng)用范圍的同時(shí)，讓其保持性能先進(jìn)性；其三，可保障壓力容器設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升該設(shè)備的質(zhì)量輸出。

2壓力容器設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)問題

2.1設(shè)計(jì)方式選擇

目前壓力容器有兩個(gè)設(shè)計(jì)方向，即分析設(shè)計(jì)方向和常規(guī)設(shè)計(jì)方向。對(duì)于前者而言，其在進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，主要依據(jù)三準(zhǔn)則、一原理的方式，明確如何設(shè)計(jì)其中相關(guān)元件尺寸的方式，即原則：偏勞失效、彈塑性失效及塑形失效；原理：最大剪應(yīng)力。在國內(nèi)該設(shè)計(jì)主要標(biāo)準(zhǔn)為《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》（JB4732），國外該設(shè)計(jì)主要標(biāo)準(zhǔn)為《壓力容器構(gòu)造-另一標(biāo)準(zhǔn)》（JISB8250，日本）、《非接觸火焰壓力容器》（PrEN13445-3，歐盟）等[2]；對(duì)于后者而言，其在理論上將第一強(qiáng)度理論作為出發(fā)點(diǎn)，遵循彈性失效準(zhǔn)則，參考最大主應(yīng)力在殼體的應(yīng)用情況，且以明確其在材料使用范圍的方式，明確如何設(shè)計(jì)其中相關(guān)元件尺寸。在國內(nèi)該設(shè)計(jì)模式主要標(biāo)準(zhǔn)為《壓力容器》（GB150），國外該設(shè)計(jì)模式主要標(biāo)準(zhǔn)為《壓力容器構(gòu)造》（JISB8243，日本）、《壓力容器》（ASMEⅧ-1，美國）等。

2.2壓力容器設(shè)計(jì)各類問題

2.2.1開孔補(bǔ)強(qiáng)由于某些因素的影響，在設(shè)計(jì)和制造壓力容器時(shí)，會(huì)對(duì)其進(jìn)行開孔處理。而由于開孔會(huì)破壞壓力容器的整體性，進(jìn)而會(huì)削弱構(gòu)成材料的強(qiáng)度，同時(shí)還會(huì)形成局部峰值應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及薄膜應(yīng)力[3]，這些應(yīng)力會(huì)集中在開孔區(qū)域，影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2.2焊接設(shè)計(jì)在整個(gè)壓力容器工藝流程中，由于焊接質(zhì)量會(huì)影響該設(shè)備最終的質(zhì)量輸出，因此是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)因素。在設(shè)計(jì)焊接流程時(shí)需要注意以下問題：其一，焊接過程可能會(huì)形成的缺陷，如夾渣、氣孔及裂紋等[4]；其二，要保障截面在焊接過程中擁有均勻的受力，降低集中應(yīng)力的形成；其三，要控制焊接過程不穩(wěn)定因素，如急速冷卻、迅速升溫及局部加熱融化等，以降低焊接變形或剩余應(yīng)力的產(chǎn)生。

2.2.3腐蝕設(shè)計(jì)目前，金屬材料是構(gòu)成壓力容器的主材。成型的壓力容器會(huì)受到外界各類因素的影響，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而促使材料變質(zhì)或損壞等，即容器腐蝕。從腐蝕的效果可以看出，其主要包含以下幾類：即電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、化學(xué)和物理性質(zhì)腐蝕等。而造成這些因素的原因主要是，溶液酸堿度、流速、壓力及溫度等。

3壓力容器設(shè)計(jì)過程中問題的優(yōu)化方式

3.1設(shè)計(jì)方式選擇的應(yīng)對(duì)措施

對(duì)比分析設(shè)計(jì)和常規(guī)設(shè)計(jì)模式可以看出，對(duì)于前者而言，其在確定相關(guān)參數(shù)時(shí)，一般利用數(shù)值計(jì)算的方式，將第三或第四理論作為依據(jù)來進(jìn)行計(jì)算[5]。相較常規(guī)設(shè)計(jì)，此類設(shè)計(jì)方式可降低兩到三成的材料成本，降低運(yùn)輸及制造等方面的成本輸出。然而，對(duì)比常規(guī)設(shè)計(jì)各類要求，此類設(shè)計(jì)擁有更高的標(biāo)準(zhǔn)，如選擇材料、檢驗(yàn)等；對(duì)于后者而言，其同分析設(shè)計(jì)相較，整個(gè)過程易執(zhí)行，且簡(jiǎn)單不復(fù)雜，屬于傳統(tǒng)保守層次。由于常規(guī)設(shè)計(jì)的參數(shù)依據(jù)源自最大應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，可以不考慮其中產(chǎn)生的峰值應(yīng)力、邊緣應(yīng)力、局部應(yīng)力及熱應(yīng)力等。當(dāng)然這也使得此類設(shè)計(jì)方式擁有較高的安全性，但從其經(jīng)濟(jì)性可以看出，其耗費(fèi)的成本較高。由此，相關(guān)人員在進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，除了要充分考慮實(shí)際生產(chǎn)需要，了解其實(shí)際使用環(huán)境和成本支出，還應(yīng)充分參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)合理的進(jìn)行選擇，以在提升壓力容器質(zhì)量的同時(shí)，降低其成本損耗。

3.2開孔補(bǔ)強(qiáng)問題的應(yīng)對(duì)措施

從開孔補(bǔ)強(qiáng)的緣由可以看出，其主要有三個(gè)方面的因素：其一，在對(duì)壓力容器進(jìn)行開孔后，會(huì)破壞薄膜的均有應(yīng)力，進(jìn)而形成集中的分散應(yīng)力；其二，接管開孔邊緣時(shí)，其接口處會(huì)形成不穩(wěn)定應(yīng)力；其三，由于不規(guī)則的接管連接，而導(dǎo)致截面形成集中的應(yīng)力。由此，在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，要注意各個(gè)連接和開孔環(huán)節(jié)。首先，要對(duì)其進(jìn)行合理分析，以計(jì)算最佳的應(yīng)對(duì)方式，目前通常用分析法和等面積原理來應(yīng)對(duì)這一難點(diǎn)和重點(diǎn)。前者主要是深入分析殼體屬性，找準(zhǔn)其極限，得出的數(shù)據(jù)較為科學(xué)和合理，當(dāng)然此方式會(huì)受到其中開孔尺寸的影響，具有一定的局限性；對(duì)于后者而言，其在計(jì)算模型上依據(jù)壓力容器受拉伸開孔情況，在補(bǔ)強(qiáng)原則上以總體平均應(yīng)力施加為基礎(chǔ)，計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)殼體相關(guān)數(shù)據(jù)。究其原因：因?yàn)殚_孔在殼體截面，因此需將補(bǔ)強(qiáng)的材料施加于開孔被削弱部分，以補(bǔ)償其削弱情況。同時(shí)需注意：此類補(bǔ)償計(jì)算方式，屬于靜力平衡模式，所以無法計(jì)算開孔疲勞強(qiáng)度；其次，在應(yīng)對(duì)措施的選擇上，擁有的方式有：可對(duì)筒體的厚度進(jìn)行適量增加；可對(duì)接管厚度或補(bǔ)強(qiáng)圈厚度進(jìn)行適量增大；可增加補(bǔ)強(qiáng)圈的整體寬度或?qū)﹂_孔周圍筒體厚度進(jìn)行增大。

3.3焊接設(shè)計(jì)問題的應(yīng)對(duì)措施

若在設(shè)計(jì)過程中，焊接處存在一定問題，那么其具體應(yīng)用過程中，可能會(huì)出現(xiàn)泄露事故，除了會(huì)降低保護(hù)介質(zhì)的效果，還會(huì)嚴(yán)重威脅到相關(guān)人員的人身安全。所以需對(duì)其進(jìn)行合理的控制。首先，焊接裂紋的應(yīng)對(duì)措施為：①焊條應(yīng)選用低氫型材質(zhì)；②需將淬火處理施加于焊接后的部位；③依據(jù)材料特性及使用需求，選擇符合條件的焊接方式。其次，焊接咬邊是指在焊接的時(shí)候焊接的位置發(fā)生凹槽。防止焊接咬邊的方法主要有：①選擇與焊接材料相適應(yīng)的焊接方法，合理調(diào)整焊接的電流大小和角度；②工人在進(jìn)行焊接時(shí)，需要隨時(shí)觀察焊接處的各種變化，確?？梢约皶r(shí)察覺焊接咬邊并及時(shí)的給予有效的處理。最后，焊接氣孔是指焊接的時(shí)候熔池當(dāng)中的氣體不能得到有效的析出。解決焊接氣孔的途徑有：①確保對(duì)接口、坡口周邊的清潔。②管控溶渣本身的濃度。③隨時(shí)更換焊條。

3.4腐蝕設(shè)計(jì)問題的應(yīng)對(duì)措施

為使壓力容器的使用期限延長(zhǎng)，一般所采取的解決措施有：①選用合適的材料；②應(yīng)用延緩腐蝕的制劑；③提升壓力容器的焊接質(zhì)量；④應(yīng)用防腐蝕的涂料；⑤襯里形式的防護(hù)；⑥在容器壁表面噴丸強(qiáng)化；⑦加強(qiáng)管理和維護(hù)。

4結(jié)語

綜上所述，石化行業(yè)屬于高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，壓力容器作為行業(yè)中關(guān)鍵的設(shè)備，其科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，能保障設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而帶來預(yù)期的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需對(duì)其予以高度重視，要結(jié)合每項(xiàng)設(shè)備具體應(yīng)用環(huán)境和工藝條件，選擇合理的設(shè)計(jì)技術(shù)方法。本文就設(shè)計(jì)壓力容器過程中的若干技術(shù)問題及其相關(guān)技術(shù)展開分析，期望可以給相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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作者：李良 單位：海洋石油工程股份有限公司