浅析压力容器设计的一般要求及技术进展

　　摘要:随着社会的不断发展与进步,重视压力容器设计具有重要的意义.本文主要探讨压力容器设计的一般要求及技术进展的有关内容.
　　关键词:压力，容器，设计，要求，技术，进展
　　引言
　　现今社会，随着计算机在工程设计中的广泛应用以及计算机软、硬件的飞速发展，使得压力容器分析设计得到越来越多的应用，并且在实际工程项目中越来越起到了更为重要的作用。
　　1.国内外压力设备标准、规范和法规的发展
　　标准体现行业综合技术水平和管理水平，先进的标准促进行业的发展，提高压力容器产品的竞争性和质量。我国压力容器标准化技术委员会自1984年成立以来，迄今已是第三届。经过我国压力容器标准化工作者的努力，已制定了以GB150《钢制压力容器》为核心的一系列产品的标准、基础标准和零部件标准，构建了压力容器的基本标准体系。全国压力容器标准化技术委员会1999年12月在上海召开的第三届第二次全体会议，对标准的修定程序做了修改。从原来的标准编者组稿，编制组进行协调、送审、修改、报批和出版发行的修订程序，更科学合理地改为以标准修订提案审查制度为核心的现代压力容器标准制定修订程序。
　　压力容器标准国际化、一体化的趋势更加明显。欧洲议会在1997年5月正式批准了统一的压力设备指令，于1999年11月引入欧盟成员国的法规，并于2002年5月在欧盟内强制执行。欧洲标准化委员会正争取将欧洲标准上升至国际标准。美国和日本等国家也为争夺国际市场，积极采取措施加速国际标准的制订。ISO提出ISO15386国际锅炉压力容器标准草案，主要内容是国际标准的基本要求、质量体系、结构安全性等要求和各国标准成为国际标准的注册认可程序等。2000年4月在悉尼召开的ICPVT-9全体会议，探讨国际标准的内容，拟定压力设备通则，消除因各国标准的差异可能出现的技术壁垒，达到各国标准的相互认可，实现压力容器产品的自由贸易。会议报告从不同侧面介绍了欧共体在压力设备标准、规程、法规等方面的发展状况和指导思想，对别国相应的标准、规程、法规很具参考价值，对标准的国际化起了促进作用。
　　2.压力容器设计的要求
　　由于石油、化学工业的生产过程复杂，设备生产工艺过程中任何1台设备出了事故，都会影响产品质量或使生产无法继续进行，甚至会危及设备和人身的安全。因此，1台石油化工用压力容器一般需要满足5方面的要求：
　　（1）保证完成工艺生产。石油化工压力容器必须能承担工艺过程所要求的压力、温度及具备工艺生产所要求的规格（直径、高度、容积）和结构（开孔接管、密封等）。以氮肥生产中的氨合成塔为例，由于氨的合成率和氨的合成压力有关，若由于种种原因，氨合成塔承受不了设计压力，只能降压使用，就将导致氨的合成率下降，不仅直接影响产量，而且造成生产成本的大幅度上升。
　　（2）运行安全可靠。化工生产的物料往往具有强烈的腐蚀性、毒性，容易燃烧引起火灾，甚至发生爆炸等恶性事故。压力容器工作时，内部储存着一定的能量，一旦发生破坏，容器内部储存的能量将在极短的瞬间释放出来，具有极大的摧毁力。此外，由于生产的连续性，一旦容器发生事故，不仅造成容器本身的损坏，往往还会危及其他装置的安全，造成连锁性的破坏。这就意味着设计压力容器时，不仅必须保证每个承压零部件都具有足够的强度、刚度和稳定性，而且还要满足在不同工况条件（如腐蚀、高温、低温、疲劳载荷、热冲力等）下能安全可靠地运行。
　　（3）预定的使用寿命。影响石油化工用压力容器使用寿命的主要因素是化工物料对壳体结构材料的腐蚀，它会使容器器壁减薄，甚至烂穿，因此在设计容器时必须考虑附加腐蚀裕量来保证满足使用年限的要求。对某些强腐蚀性物料，在设计时要选用适宜的耐腐蚀材料，或在结构设计中采取防腐措施，以达到所要求的设计寿命。
　　（4）制造、检验、安装、操作和维修方便。提出这一要求的目的，一方面是基于安全性的考虑，因为结构简单、易于制造和探伤的设备，其质量就容易得到保证，即使存在某些超标缺陷也能够准确地发现，便于及时予以消除。其次，这样做的目的也是为了满足某些特殊的使用要求，如对于顶盖需要经常装拆的试验容器，要尽量采用快拆的密封结构，避免使用笨重的主螺栓连接。又如对于有清洗、维修内件要求的容器，需设置必要的人孔或手孔。第三，这样做自然会带来经济上的好处，可以降低容器的制造成本。
　　（5）经济性。压力容器的设计，要尽量结构简单、制造方便、重量轻、节约贵重材料，以降低制造成本和维修费用。
　　3.压力容器设计技术的进展
　　3.1压力容器应力、应变的详细分析与评定
　　对压力容器应力、应变的详细分析与评定，其实质就是运用较精确的计算应力分析和实验应力分析方法，对其强度进行全面的校核。不同性质的应力具有不同的重要性，它们对容器破坏所起的作用不同，导致容器失效的形式也各不相同。容器各部位实际应力、应变状态分析的完善精确程度，是进行全面强度校核的基础。目前，许多国家在设计要求较高的容器时，均应用近代的计算应力分析和实验应力分析技术，详尽分析各种应力的实际情况，并广泛接受与采用美国ASME规范第1卷第2册中确定的应力分类法，以及对各类应力强度的限制，将容器中不同的应力分别限制在不同的数值，以防止可能出现的各种失效。和传统的设计方法相比，详细的应力分析方法既降低了安全系数，减轻了产品重量，节约了材料，又有效地防止了不同应力可能引起的不同失效，确保了容器的运行安全，具有多方面的优越性。应力分析设计这一设计方法虽然合理而且先进，但却需要进行大量复杂的分析计算，只有借助于电子计算机才能完成，因而设计费用极高。为此，只有当设计高参数、重要的容器时，才采用这种方法。
　　3.2塑性失效设计方法的研究
　　塑性失效设计准则是建立在弹塑性理论基础上的。对于局部薄膜应力、弯曲应力的应力强度，可以允许有较大的许用数值，亦即允许出现局部塑性变形，而又不导致失效，这就是塑性失效设计准则。对于只在局部地区发生的局部薄膜应力和沿壁厚方向非均匀分布的弯曲应力而言，当其最大应力达到屈服极限时，只能引起局部屈服，而容器大多数区域仍处于弹性状态，因而不会导致失效。在这种情况下，如果还以弹性失效作为破坏准则，就会使大部分材料的潜力得不到发挥。以塑性失效为准则的强度设计称之为极限设计，它作为防止过渡变形的准则是十分可取的。
　　3.1概率设计
　　概率设计是用近代数理统计的方法，全面评价容器的安全程度和经济合理性。失效的可能性大小可用概率设计计算，同时，概率设计可以根据某一具体产品所要求的最低可靠性概率，向各个零部件合理分配其必须具备的可靠性概率，这样，既满足了总体要求，又改善了经济性。
　　结束语
　　压力容器从设计到投入运行，要经过设计、制造、检验、安装、运行监督和维修等多个环节，设计是其中一个十分重要的环节。设计得正确、合理与否，不仅涉及到制造、检验等环节的难易程度，影响到压力容器产品的制造成本和运转费用，而且直接关系到产品运行的可靠性。
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