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压力容器设计中常见问题及分析

发布时间:2018-11-17 22:28 作者:李清 来源:连云港灵动 点击: 字号:

在设计压力容器时,都应该参照有关的国家规范和标准的最新版本。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。经过我对压力容器设计知识的学习和自已在设计过程中的不断摸索,对压力容器设计及容易忽视的问题有下面的了解:压力容器设计中常见问题及分析,压力容器是石油、化工、冶金、轻工、能源以及航空航天等部门广泛应用的承压设备,多数压力容器所处的工况既复杂又恶劣。

压力容器设计中常见问题及分析

1概述

压力容器投入运行之前,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,遵照某一实用的标准和规范。按我国标准化法的规定,标准可分为国家标准、行业标准和企业标准。压力容器的规范和标准为了适应设计、制造和检验各个方面的发展,必须定期进行审查并做出修订。

2压力容器设计

2.1压力容器的设计要求石油、化学产业的生产过程非常复杂,设备生产工艺过程中任何设备出了事故都会影响产品质,或使生产无法继续进行甚至会危及设备和人身的安全。因此石油化工用压力容器一般需要满足以下几个方面的要求:

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、厚度、容积)和结构(开孔接管、密封等)。

2)运行交全可靠。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时间释放出来,具有极大的摧毁力。

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。

4)制造、检验、交装、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;再是,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。

2.2压力容器的设计方法

1)常规设计。常规设计的理论基础是弹性失效准则,认为容器内某一最大应力点达到屈服极限,进入塑性,丧失了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(通常为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。

2)分析设计。随着压力容器参数的增高,高强钢的采用以及近代计算与试验技术的发展采用弹性失效的观点使许多问题难于解决,常规设计的结果过于保守,设计的结构尚有很大承载潜力。为了适应现代压力容器的发展,必须采用新的失效观点来解决这些问题。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JB4732-95《钢制压力容器一分析设计标准》,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。对于压力容器设计所采用的失效准则,除弹性失效准则、弹塑性失效准则和塑性失效准则外,还有爆破失效、断裂失效以及可靠性设计等。

3压力容器设计中容易忽视的问题

3.1材料化工用钢材的选用必须考虑设备的设计压力、设计温度、介质特性、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构外,还需要考虑经济合理性。盲目地提高钢板等级是错误的。

1)当设计压力较高、结构尺寸较大而使设备壳体壁厚较大时,如壳体材料仍选用碳素钢(如Q235)将导致壁厚增大、质量增加,不仅多用金属材料,而且导致制造、运输、安装、土建基础等的费用提高,因而提高了总的工程造价。一般在以强度控制为主的情况下,当壳体壁厚超过8mm时,应优先选用低合金钢。当设计压力较小、直径较大、以刚度控制或以结构设计为主时,应尽量选用普通碳素钢。

2)HG20581—1998《钢制化工容器材料选用规定》中第5.1.2条“同时符合下列条件的高温压力容器主要受压元件用钢应按炉罐号,复验设计温度下的屈服强度值,其值不得低于相应许用应力值的1.6倍(奥氏体钢为1.5倍)。包括:设计温度大于300℃;设计压力大于1.6MPa;钢材厚度大于等于20 m m;钢材主要截面以承受一次薄膜应力为主,且其厚度取决于强度计算的结果。

3.2制造和检验与验收

1)热处理“GB 150—1998 10.4.2:冷成型或中温成型的受压元件,凡符合下列条件之一者应于成型后进行热处理。”“GB150—199810.4.2.1:圆筒钢材厚度凡符合以下条件者:碳素钢、16MnR的厚度不小于圆筒内径Di的3%;其他低合金钢的厚度不小于圆筒内径Di的2.5%。”对此项要求,大多设计者在设备主体筒体的设计中基本上都注意到了,但在接管的设计中却容易忽视。例如:设计单位对d426m m×14 m m、d 530 m m×16 m m的卷制接管不提热处理要求等。容器的筒体不需要热处理时,往往会忽视了对厚度超限的卷制接管、人孔接管提热处理要求。

2)小直径压力容器B类焊缝无损检测比例及长度在小直径压力容器设计过程中,一般都尽量采用无缝钢管作筒体,这样就省去了卷筒及纵缝无损检测的工序,且缩短了制作周期,也节省了成本。但在制造过程中,其B类焊接接头的无损检测在检测要求上只进行20%RT,如一台用d 325 m m×8 m m的无缝钢管制作的压力容器,B类焊接接头作20%RT,双臂单影透照法,其检测长度为205mm。一次透照有效长度210mm,由此可见,作20%RT只需用一张片即可,但其探伤长度却不足250mm,对d325mm以上的规格更是如此。而GB150中10.8.2.1“B类焊接接头无损检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%,且不小于250mm”,而图样上未注明不少于250mm。

4结语

压力容器的设计必须遵循有现行设计规范,同时设计者应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,安全可靠,节约成本。在压力容器的设计、制造、检验过程中,经常会有一些对压力容器的法规、标准、规范理解不透彻的地方,因而会出现很多像上述例子的错误。对此,我们应不断地分析、总结、学习。同时,同行业应加强经验、技术交流,熟悉各项标准、规范,才会尽量不犯原则性的错误,我们的业务水平才会不断提高。

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