探析压力容器的安全设计及运行控制

江帆

【摘 要】鉴于压力容器设备具有易发生爆炸或泄漏、造成人身伤害、环境污染、设备建筑物毁坏事故的危险性，因此从压力容器的安全设计、安全管理等方面，制定有效的预防和控制措施，确保压力容器的安全运行和系统功能的正常发挥。

【关键词】压力容器；安全设计；安全管理

1.压力容器安全设计

压力容器的设计是否安全可靠，主要取决于设计过程的材料选择、结构设计和容器壁厚确定是否合理。另外还要考虑适应生产能力，保证强度和稳定性、密封性，以及制造、运行、安装、检修的方便性和总体设计的经济性。

压力容器的安全设计主要包括以下三个方面：

（1）合理选用材料。合理选用材料，是保证压力容器安全运行的一个重要措施，如果材料选择不当，即使具有较大的强度裕度，也可能在运行中发生破坏事故。选择压力容器用钢材，不仅要从操作条件和使用环境方面来考虑，即要求材料对工作介质、压力、温度、载荷特性等操作条件和气温、湿度等使用环境具有必需的适应能力；还要从压力容器的制造方面来考虑，即要求所选用的材料容易加工成形，在工艺加工过程中不易产生缺陷。因此，在压力容器的选材上，应充分考虑材料的力学性能（强度、韧性、塑性、硬度）、物理性能、耐腐蚀性、制造工艺性能（可焊性、可锻性、切削加工性以及研磨性、冲压性、热处理性等）。压力容器选材的一般原则是：在保证塑性指标和其它性能指标的要求下，尽量选用强度指标较高的材料。

（2）选择合适的结构形式。在压力容器的破坏事故中，有相当一部分是由于结构不合理引起的，结构不合理，往往使得压力容器在制造和使用过程中容易产生缺陷。因此首先要求结构便于制造，以利于保证制造质量和避免、减少制造缺陷；其次是要求结构便于无损检验，使制造和使用中产生的缺陷能及时、准确地检查出来；第三是结构设计中要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中。

（3）满足强度的要求。为保证压力容器安全运行，其承压部件必须具有足够的强度，即具有适当的壁厚以抵抗外加载荷的作用。在结构设计中除了结构特殊、使用条件复杂或特别重要的压力容器需要以应力分析进行设计外，一般的是以薄膜应力来确定所需的壁厚。至于压力容器结构不连续部位的附加应力和应力集中，则从结构形式或尺寸上加以限制。

压力容器的结构比较简单，基本上都是由筒体、封头、接管、法兰、支座等零部件组成。压力的机构设计应该遵循以下基本原则：

①结构不连续处应该平滑过渡。受压器件在几何结构突变和不连续过渡区域会产生较高的不连续应力，并可能导致应力集中，致使压力容器的疲劳破坏，因此应该避免这种情况的出现。

②引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开，避免高应力的叠加。

③避免采用刚性过大的焊接结构。刚性大的焊接结构不仅使焊接构件因施焊时的膨胀和收缩受到约束而产生较大的焊接应力，而且使壳体在操作条件波动时的变形受到约束而产生附加的弯曲应力。

④受热系统及部件的胀缩不要受限制。受热部件的热膨胀如果受到外部或自身的限制，在部件内部就会产生热效应。

压力容器的结构设计主要应包括容器的整体结构设计、零部件结构设计（焊缝结构结构设计、容器各部位开孔设计等），应符合以下技术要求：

①各受压部件应有足够的强度，并装有可靠的安全保护设施，防止超压。

②受压元件、部件结构的形式、开孔和焊缝的布置应尽量避免或减小复合应力和集中应力。

③承重结构在承受设计荷载时应具有足够的强度、刚度、稳定性以及防腐蚀性。

④容器的整体结构应便于安装、检修和清洗。

用常规的方法进行压力容器设计时，总是把各种有关参数，如材料的强度指标，零部件的尺寸，所造成的荷载看成是确定量，忽略了由于各种条件的变化而使这些参数发生变化的随机因素，因而所设计的压力容器及零部件结构尺寸就不能准确适应实际工作的要求。此外，由于对设计参数的统计规律缺乏了解，在确定材料系数时，为了“保险”起见，总是取值偏大，使所设计的压力容器及零部件的结构尺寸偏大，引起不必要的浪费。运用可靠性设计，是在设计中，考虑到各种随机因素的影响，将全部或部分设计参数作为随即变量处理，对其进行统计并建立统计模型，运用概率统计方法进行计算，能够全面的描述设计对象。所得的结果更符合实际情况。压力容器的可靠性设计可以分为两个方面进行：第一，根据事先给定的可靠度要求，计算压力容器及零部件的有关尺寸或应力；第二，根据已有的容器或零部件校核其可靠性。

2.压力容器的制造管理

为了确保压力容器的安全使用，制造过程应严格控制制造工艺质量和产品质量。如焊工考核、材料可焊性鉴定、焊接工艺评定、材料标记及标记移植材料、复验、零部件冷热加工成型、焊接试板、筒节施焊、焊缝外观及无损检测、焊接返修、容器组装、容器整体或局部热处理、强度试验、气密性试验、包装等工作质量及产品质量控制等。

3.压力容器的安全运行

压力容器的安全运行管理的目的是为了达到正常，满负荷开车，生产合格产品，是压力容器的工艺参数、生产负荷、操作周期、检修、安全等方面具有良好的技术性能，促使压力容器处于最佳工作状态。压力容器的运行首先要求其安全可靠，合理使用和严格管理是提高压力容器的安全可靠性，保证其安全运行的重要条件。

压力容器的安全使用包括正确的操作，维护保养和定期检修等方面。在具体的操作过程中，应做到以下几点：

①平稳操作：在操作过程中尽量保持压力容器的操作条件（如工作压力和工作温度）相对稳定。

②防止过载：防止压力容器过载主要是防止超压。

③发现故障，立即停车：压力容器在运行过程中如果发生故障，严重威胁设备及人身安全时，操作人员应该马上采取紧急措施，停止容器运行，并报告上级主管部门。

④制定合理的安全操作规程：为保证压力容器的安全运行，切实避免盲目或误操作引起事故，容器使用单位应根据生产工艺需求和容器的技术性能制定各种容器的安全操作规程，并对操作人员进行教育培训。

⑤严格实行岗位责任制。

4.压力容器的定期检验

压力容器在运行和使用过程中，要受到反复升压、卸压等疲劳荷载的影响，又经常受到外部环境的影响，还要受到有腐蚀性介质的腐蚀，或在高温深冷等工艺条件下工作，其力学性能会随之发生变化，容器制造过程中的小缺陷也会随之扩展增大，对压力容器进行定期的全面地技术检验，是及早发现容器存在的缺陷，消除隐患，从而保证压力容器安全运行，避免发生事故的一项行之有效的措施。

压力容器的定期检验的主要检验项目应包括：材质检验（材质不符、材质劣化）、结构检验、缺陷检验。检验的方法主要有：宏观检查、测厚检查、壁温检查、腐蚀介质含量测定、表面探伤、射线探伤、超声波探伤、硬度测定、金相检验、应力测定、声发射检测、耐压试验、气密性试验、强度校核、化学分析、光谱分析。

压力容器经过定期检验以后，应根据检验结果对其安全状况进行评定，并以安全等级形式反映出来。对安全等级级别较低的、缺陷严重、难于或无法修复的压力容器设备应坚决予以报废。

【参考文献】

[1]魏新利.吴金星.压力容器现代设计与安全技术.化学工业出版社，2004，7.

[2]陈凤棉.压力容器安全技术.化学工业出版社，2004，5.