探讨压力容器设计方法

孙希宁　杨春玲　董以恩

摘 要：压力容器正确完整的设计应达到保证完成工艺生产，运行安全可靠，保证使用寿命、制造、检验、安装、操作及维修方便易行，经济合理等要求。基于此，本文就压力容器的设计要求和设计方法进行分析和阐述，希望可以为压力容器的优化设计提供借鉴。

关键词：压力容器；设计要求；设计方法

随着工业不断发展和工业规模的不断扩大，压力容器的操作条件越来越苛刻，结构也越来越复杂。压力容器所处理的介质往往是易燃易爆或者有毒的，一旦发生事故将造成不可估量的损失。因此对压力容器的安全及优化设计就显得极为重要，探索更好地设计方法也是促进其予以更好发展的重要根基。

1 压力容器概述

一般来说，压力容器就是符合《固定式压力容器安全技术监察规程》中所定义的容器，即工作壓力≥0.1MPa；容积大于或者等于0.03m³并且内直径（非圆形截面指截面内边界最大几个尺寸）≥150mm；盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。

压力容器具有极为广泛的用途，诸如石化、科研、能源、军工等都是其重要的应用领域，并在多部门中担任重要设备。压力容器一般情况由筒体、封头、接管、法兰、密封元件等元件组成，因为其对密封、承压、介质的应用，极容易发生爆炸和环境污染，对其进行优化设计就显得极为重要。

2 压力容器设计方法

压力容器的设计可以采用规则设计方法或者分析设计方法，必要时也可以采用试验方法或者可对比的经验设计方法。压力容器的设计应当给予设计条件，综合考虑所有相关因素、失效模式和足够的安全裕量，以保证压力容器具备足够的强度、刚度、稳定性和抗腐蚀性，确保压力容器在设计使用年限内的安全。

2.1 规则设计方法

规则设计方法就是采用弹性失效准则，对容器各处实际存在的应力一般不进行严格而详细的计算，在对材料、结构、制造、检验等作出相应限定后，用比较简单的计算公式确定元件厚度以保证容器安全性的設计方法。规则设计是对材料力学、板壳薄膜理论的简化，其仅是对“最大荷载”工况的考虑，以一次施加的静力荷载作为处理原则，忽略边缘应力、局部应力，以及热应力，对于容器的疲劳寿命同样不再考虑范围内。一般来说，较高安全系数的采用，能够对应力采用统一许用应力值分析不足的情况予以弥补。

2.2 分析设计法

应力容器除了薄膜应力之外，还存在局部应力和温差应力，一旦局部应力超越了材料的局限值，容器的整体部分，或者说其大部分区域都将处于弹性状态之中，屈服的局部区域因为受到弹力区的影响，其变形量则会增加，极容易导致整个容器应用效能的丧失。这时候常规设计就无法进行计算。计算机的应用对于此种问题的产生给予更好的解决措施，软件的应用及推广，让分析设计应运而生，其依托于计算机分析软件，结合失效观点来对其设计过程中的各种数据进行分析，从而让压力容器的设计更为科学。

2.3 试验方法

对某些难以用解析方法或者数值方法进行应力分析的压力容器元件，借助应力测定或验证性压力试验等以证实该元件的结构参数是否合理或确定其最大许用工作压力。

2.4 可对比的经验设计方法

对某些难以用解析方法进行应力分析的压力容器元件，容器结构复杂难以确定结构要素，并且所设计的容器具有长期使用经验，可以借助在用容器的使用经验证明该元件的结构参数是否合理或确定其最大许用工作压力。可对比的经验设计属于经验设计范畴。

在上述四种设计方法中，前两种设计方法是普遍应用的。规则设计方法应用的情况较为广泛，但是其设计的结果更为保守，所进行的结构设计容易存有瑕疵。分析设计主要采用弹塑性失效准则，对容器各处应力进行比较严格而详细的计算。分析设计法相比较规则设计方法来说，其费用较高，但是所进行的设计则更加科学、合理，在应用过程中也更加能够促进压力容器特点及优势的发挥，越来越受到人们的关注和欢迎。

另外首次引入基于风险的设计理念，也就是基于失效模式的设计方法。压力容器事故的主要原因是受压元件的失效。由于压力容器本身所具有的爆炸能量，以及所含介质外泄可能导致的次生危害，都会对人员和设施构成危险，因此使用压力容器本身就具有一定的风险。近年来，压力容器向大型化、高参数、长周期、高风险方向发展，损伤模式更加复杂，维护和检验的难度加大，失效的风险性增加。在设计阶段全面考虑压力容器的风险控制，根据其可能出现的失效模式采取相应的防护措施，保障在使用过程中的安全是一全新的设计理念。在设计阶段进行风险评估要求设计者对压力容器的机械设计和安全附件设计进行风险管理，通过对全设计寿命中的危害识别、风险评估和风险控制来完成风险管理。

3 结语

工业时代的发展对于压力容器的需求量越来越大，做好压力容器是时代发展的要求，更是工业发展的必然发展。严格遵守可靠性、安全性、完整性、经济性等原则来进行优化设计，才能够真正推动压力容器的发展，才能够让压力容器的应用效能越来越高，才能够真正提升容器的设计质量，让压力容器的发展成为国家经济发展的强大支撑。