压力容器设计存在问题及对策研究

张佳骏

摘要：压力容器作为工业生产制造中的重要设备，同时也是特种设备的一类，其在设计过程中涉及的内容较多，而且压力容器使用环境十分复杂，这也就需要在具体设计时注意材料的选择，并严格要求以提高压力容器的安全系数，有效保障压力容器使用效果。本文简单分析了压力容器的设计方法，并探讨了压力容器设计存在问题及相关对策。

关键词：压力容器；设计；问题；对策

在现代工业生产技术中，压力容器设计是非常重要的一个环节。压力容器相对比较特殊，若有设计问题，便会滋生各种严重的爆炸事故，对群众的生命安全带来巨大的威胁。所以，有关部门或是企业应当对压力容器进行优化设计，改善容器品质和相关性能。在压力容器设计时，需要针对不同的部位来选择最适宜的材质、结构型式、焊接方法，确保压力容器质量达到最佳状态。压力容器设计过程中涉及的层面较多，这也使整个设计过程中更具复杂性，因此在具体设计过程中，要对工业生产中的各项质量要求认真分析，从而制定出科学的设计方案，对材质、结构形式、焊接技术等方面内容进行明确，确保压力容器设计的质量，为压力容器使用过程中的安全奠定良好的基础。

1壓力容器设计方法

1.1常规设计

常规设计原理是弹性失效准则，容器内某一最大应力点达到屈服极限，进入塑性，丧失纯弹性状态即为失效。在应力分析方法上，是以材料力学及板壳薄膜理论的简化计算为基础，不考虑边缘应力、局部应力以及热应力等，也不考虑交变载荷引起的疲劳问题。所有类型的应力均应采用同一的许用应力值，例如1倍许用应力；为了保证安全，通常采用较高的安全系数，以弥补应力分析的不足。

1.2分析设计

为了适应现代压力容器的发展，分析设计放弃了传统的弹性失效准则，采用了弹塑性或塑性失效准则，合理地放松了对计算应力的过严限制，适当地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性。我国的分析设计的标准为《钢制压力容器—分析设计标准》，是以第三强度理论即最大剪应力理论为基础，认为不论材料处于何种应力状态，只要最大剪应力达到材料屈服时的最大剪应力值，材料就发生屈服破坏。

2压力容器设计存在问题

2.1材料选择问题

压力容器所使用的材料对其质量、性能和安全性都具有直接的影响。在实际设计时，设计人员往往对材料涉及的相关因素考虑不全面，这必然会影响设计的质量，也不利于压力容器使用的安全性。另外，压力容器材料选择时还要考虑其经济性，但在具体设计时，设计人员往往更注意性能，而对经济性考虑有所欠缺。

2.2法兰设计问题

在当前压力容器设计工作中，法兰设计环节所存在的问题是比较突出和明显的，尤其是尺寸和强度方面，经常出现不满足实际设计需求现象，降低了压力容器设计的安全系数，在使用过程中存在较大的安全隐患。造成这种问题的根本原因，是在进行法兰设计时，出现较大计算误差，导致法兰设计匹配度角度，其尺寸和强度都不合理。

2.3使用寿命问题

一般对任何一个产品的寿命均有要求，特别是像对压力容器这类特种设备的使用寿命有着更高的要求，寿命太短会直接增加生产成本，一般对容器寿命的规定中，在初步设计时，将有关单位标明好，并标注预计使用的年限，而对于使用过的器具同样要做好标注，这一点往往很容易遭到忽视。

2.4温度处理问题

在压力容器设计过程中，需要根据各种不同材质拼合后选择适当的时间给予适当的温度，确保各种金属成本性能都能达到最佳状态，这才能有效保证设计的质量。但在实际设计过程中，对于铸造和冷却环节的温度调试较为忽视，尽管不会对整体效果带来不利影响，但一些细节部位如接口和底座等还会存在一些安全隐患。

3压力容器设计对策

3.1合理选择材料

在压力容器设计时，需要对压力容器材料的温度、压力、材料焊接属性及不同温度下的加工性能等多方面进行综合考虑，同时，设计人员还要通过对设计工艺优化来有效地降低材料成本。在设计压力容器时，主体受压元件必须根据介质特点和工作条件选出合适的钢材种类，进而确定用材牌号。所用钢材要抗容器介质腐蚀，确保使用寿命；其许用应力还要在相应设计温度和压力下能满足容器的强度要求。一些特殊介质可选用复合材料，基层用来满足力学性能，与介质接触的复层用来抗介质腐蚀，从而提高钢材的合理利用。例如，在高硫压力容器设计时，要限制材料中C、S、P、Ni等元素的含量，优先选用Q245R等碳素钢材。

3.2准确计算法兰值

法兰设计是压力容器设计中的关键环节，其设计效果会直接影响到整体设计质量，加强对法兰设计的控制，对提高压力容器设计水平和设计质量意义重大。国际上较为通行的压力容器法兰设计方法为Waters法。法兰的应力由三部分组成：法兰力矩产生的应力；由压力直接作用于法兰本体（包括法兰环、锥颈和直边段三部分）上引起的轴向和环向应力（法兰环上可忽略）；由组成法兰的三个部分间由于压力作用下变形协调引起的边界力产生的应力。在实际操作过程中，应对压力容器法兰设计进行准确计算，从法兰结构连接方式、受力特性、所用材料性能等几方面进行综合考虑，根据压力容器设计及使用要求，得到较为精准的法兰设计参数，包括法兰设计尺寸、强度、厚度等，确保法兰设计的科学性及合理性，以提高压力容器设计的安全系数。

3.3增长使用寿命

设计人员应提高对压力容器使用寿命问题的重视力度，明确其具体寿命数值，在生产制造时应以此作为标准，保证压力容器质量及性能的良好性，另外，压力容器的维护与更新也需要参照该寿命数值进行。对于设备使用年限的考虑，一般采用预计使用年限的做法，对使用年限做到一个把控，将影响设备使用年限的因素考虑在内，比如哪一种优质材料能有效延长压力容器的使用寿命，比较同一材质下，按照标准设计压力容器底部是否会更加坚固，计算公式为：容器底部受到的压强P=P1+P2=ρ液gh+mg/S，并且不一样的设计方案对容器的质量也具有一定的影响，设计者要给予足够的重视。

3.4科学控制设计温度

压力容器设计涉及到的一个重要技术就是热处理技术，主要包括加热、保温和冷却三个程序。这其中温度调试是一个难点问题，也直接关系到压力容器的质量。在进行热处理时，主要是在冷成型、温成型的压力容器元件方面，设计人员在开展设计时，要对设备开展的主题做到心里有数，重视细节设计问题。在对压力容器进行热处理时，应将标准的作业流程和操作方式，在设计图纸中清楚、详细的标注出来，并严格图纸标注内容进行，提高热处理的规范化和程序化程度，实现更加理想的热处理效果。此外，还应该做好包括封头、壳体、接管等各个部件的热处理工艺，严格把控每一个部件的热处理工艺，提升整体设计效果。

结束语

总而言之，压力容器的设计必须遵循行业设计规范，设计人员务必认真研究压力容器的标准以及法规的技术及管理规定，不断提高解决压力容器设计问题的能力，在满足设计任务目标要求的前提下提出最佳的设计方案，使其满足功能需要的同时实现安全可靠、节约成本的效果，确保压力容器的使用质量，提高相关企业的生产效益。

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