浅谈压力容器设计中的常见问题及对策

2018-10-15于巧玲

中国设备工程 2018年18期

于巧玲

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

1 压力容器的相关内容

1.1 压力容器的概念与分类

压力容器的含义是，可以承载一定压力，用来盛装气体或者液体的密闭性设备。就其承压等级而言，它涵盖了超高压容器、高压容器、中压容器与低压容器。就盛装介质而言，它涵盖了剧毒、非易燃无毒、易燃有毒等。从压力容器的类型来看，它涵盖了贮运容器、分离容器、换热容器与反应容器。如下图1、图2。

图1 易燃容器

图2 超高压容器

1.2 压力容器的重要性

压力容器应用广泛，尤其在石化领域中的作用十分重要。它的功能性非常特殊，稍有不慎就可能造成人身财产损失。因为这种破坏性，容器被界定为特种设备。在建造安装压力容器的过程中，其设计会在很大程度上影响其可靠性与安全性，压力容器的设计会对生命安全和生产安全产生很大影响。压力容器的设计和制造要具有较强的专业性，设计人员应该具备较强的综合素质和高超的专业素养，其材料选择，强化措施，受力分析，结构设计，操作简便、制造安装、检验、维护与使用等，都应该综合考虑。但是在设计压力容器的过程中，一些生产企业的设计人员，不能完整地理解国家标准或制造安装规范，严重依赖计算机辅助设计，在设计过程中不能周密地考虑，设计条件过度理想化。如此以来，在设计压力容器的过程中，形成了安全隐患，对压力容器的可靠性和安全性产生了严重影响。

2 压力容器的设计要求与常见问题

2.1 压力容器的设计要求

石化产品的生产过程是复杂而且存在危险，其中压力容器的质量安全，一旦发生事故，会直接危及生产过程的安全性等，因此，应用于石化产品生产加工过程的压力容器，一般要达到以下要求。

（1）确保实现工艺生产。石化领域用到的压力容器，必须要满足生产工艺规定的温度、压力要求，符合生产工艺的相关规格(比如容积、厚度、直径)与结构（密封、开孔接管）。

（2）运行可靠安全。在化工生产的过程中，物料通常具有较强的毒性与腐蚀性，易于燃烧并导致火灾，乃至于出现爆炸等在内的各种恶性事故。压力容器在实际工作的过程中，一定能量存储于其中，一旦遭受破坏，储存于压力容器中的能量，会在非常短暂的时间内释放出来，具有极大的摧毁力。

（3）预定的使用。按照我国《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG—2016），其中第3.1.3设计条件和3.1.4设计文件中，明确要求设计单位应在设计图样上注明压力容器设计使用年限和有关参数等内容，以为防止压力容器超年限运行引发安全问题。满足与之相应的强制要求。以下是科学的设计途径：设计人员在决定其设计使用年限的情况下，尽可能地关注相关因素带来的影响，科学地确定材料与腐蚀裕量，制定检验、制造、操作的要求，一个非常主要的因素就是腐蚀裕量。所以，在设备使用的过程中，应该限定它的最大腐蚀速率，按照腐蚀裕量与最大速率，能够反推出压力容器的最大使用年限。设计人员只要规定了压力容器的最大腐蚀速率等相关工况，就能够得出清楚的结论。必须要指出的是，其设计年限未必等于它的实际使用年限，使用年限是设计人员按照设备的预期运用条件，估计设备的使用寿命，它的作用是提示各位监督者与使用者。

如果超过了它的设计年限，必须采用必不可少的措施，如缩小检验周期、定期测量厚度等，以规避发生安全事故。所以，不管是依据世界上设计压力容器的惯例，抑或是为了增强设计的权威性与水平，必须在设计图纸上注明它的设计使用年限。如此以来，才能切实表明对设备的可靠性、对用户的安全性高度负责。

（4）便于制造、检验与交装以及维修、操作。这个规定的主要目标，首先是出于安全性的需要，这是因为，易于探伤、制造和结构简单的仪器和设备，易于保障它的品质，哪怕存在着部分超标缺陷，也可以精准地发现它们，有利于第一时间消除它们。其次，它主要是为了达到部分特殊的应用需求，比如试验容器的顶盖经常需要装拆，它的密封结构应该尽可能采取快拆形式，规避采取笨重的主螺栓连接；如果容器的内件需要定期维修、清洗，应该设置必不可少的手孔或者人孔；此外，这些措施会带来一定的经济效益，节约制造容器的费用与成本。

（5）经济性。在设计压力容器时，应该尽量设计简单的结构，便于制造，质量较轻，可以节约价值较大的原材料，减少制造成本和维修费用。

2.2 压力容器设计中的常见问题

（1）使用年限设计中的问题。在实际设计压力容器的过程中，使用年限方面的设计居于重要地位,是一个关键环节。如今，在设计它的使用年限时，有一定缺陷与问题，它重点体现在下列两个领域：第一，有关设计人员对其使用年限不能高度重视,在此基础上，他们在设计压力容器的过程中，不能具体地标注压力容器的使用年限，给后续的使用与生产带来了相当多的困扰，甚至会发生安全性问题。第二，在设计部分压力容器时，尽管它的使用年限已经被标注，然而这些使用年限数值一般都是按照设计人员的主观经验而加以判断和标注的，易于发生许多偏差问题。这也是如今使用年限设计中普遍的问题。

（2）压力容器材料选择的主要问题。材料是非常关键的因素，它会在很大程度上影响机械产品的实际性能，使用不同材料制成的产品，具有不同的属性，如果这些原材料的质量未能达到，会对成品性能产生严重影响。它也适用于压力容器的产品性能，材料问题是设计压力容器中的一个主要问题。使用压力容器的环境非常恶劣，易于遭受腐蚀等负作用。所以，在设计压力容器时，会选用优良的施工材料。

图3 不锈钢管道

图4 镀锌管道

（3）压力容器材料代用后的设计更改。通常情况下，以厚代薄会让壳体的受力从原来的平面应力状态转变为平面应变状态，非常不利于压力容器设备的受力状态，厚壁容器易于出现三向拉应力方面的平面应变脆性断裂。①容器采取了原设计中和封头间属于等厚度焊接的方式，如对容器壳体中的极少数部件采取了以厚代薄的操作，只增大了封头的厚度，但是筒体厚度没有发生变化，容器壳体自身的几何不连续程度肯定会增大，导致应力集中，增加了筒体进而封头连接位置的局部应力，在很大程度上危害具备应力腐蚀性的容器。如果容器受到了交变载荷，可能会出现疲劳裂纹，严重者会发生疲劳断裂。②在厚板代替薄板时，通常情况下连接结构会发生变化，如厚度增大的封头连接相关筒体时，一般情况下，首先彼此对封头开展外削边处理。如果筒体设施由管道做成，在筒体壁厚度增大的情况下，封头与筒体之间的连接处，部分情况下应该对筒体侧作内削边进行及时的处理。在筒体与平盖和管板的对焊连接结构中，存在着同样的问题。在厚度增加较大的情况下，焊接结构会发生一定变化。比如壳体中A、B类对接上头的焊缝，可能从之前的单V型(适用于5mm～20mm板材)过渡到X型坡口(适用于16mm～60mm板材)。改后能够规避缺陷的存在，降低焊缝填充量，降低焊接残余的应力与变形，焊接接头自身的金属使用性能也得到了较大增强。如图3、图4所示。

（4）压力容器气密性试验设计中存在的问题。在稳步促进工业化进程的过程中，压力容器被越来越多地运用到化工、军工、石油、能源等多个领域中，在此过程中，这些行业不断提升对压力容器的设计质量标准和要求。对于介质毒性程度为极度、高度危害以及介质为TIBA和TEAL的设备，必须进行气密性实验。气密性试验的含义是，利用相关操作和试验，对压力容器的相关联结部位有没有泄漏现象进行检验。通常情况下，在使用盛装了危害性较大、毒性较高的介质的压力容器前，务必要开展气密性测试。有的操作人员不能高度关注气密性试验的实际过程，或者他们缺乏较高的专业素质，不能胜任气密性试验的操作，造成了不准确的试验结果。如果压力容器的气密性不达标，但却被投入使用，可能会泄漏相关介质，危害比较严重。

（5）焊接接头无损检测过程中的主要问题。通常情况下，焊接接头无损检验涵盖了两个部分，分别是外部检验与内部检验。前者是指有关人员采取量具或者目测等方式进行测量检验；后者是指采取红外检验、超声检验、射线检验、涡流检验、磁粉检验等方式。开展无损检测的主要目标，是确保全部接头均处于良好的接触状态，让压力容器可以正常地开展工作。因此必须检测全部焊接结构。然而有的工作人员不能高度重视无损检验的极端重要性，在检测中敷衍了事，检测过程缺乏严格性，不能及时找出各自问题，对后续的容器使用产生了影响。如图5、图6、图7所示。

图5 压力容器焊接

图6 管道焊接探伤检测

图7 法兰与管道焊接图

3 压力容器设计常见问题的解决措施

3.1 改进使用寿命设计的策略

就其设计使用年限而言，设计人员必须依据压力容器的各项指标和规定，从多个方面分析和思考，切实依据最新版本的《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG—2016）的相关规定和指标进行设计。这也是设计人员必须要恪守的基础性原则，也就是说，各张设计图纸中均须注明其设计使用年限的情况。为了科学地设计它的使用年限，设计人员应该最大限度地分析和把握它的具体使用环境，增强它的可靠性等，尽可能地降低相关的安全隐患；按照它使用的各种材料，测算其外部与内部的压力差，耐腐蚀性能力等，从而求出它的腐蚀性承受度，更科学的计算它的使用年限。

3.2 防范设计材料变更的策略

在选择设计材料方面，设计人员应该高度重视材料的力学特性、来源和特性，查看其能否满足容器的耐腐蚀性要求和使用条件等。用户提出变更压力容器的相关要求时，设计人员既要关注材料减少可能造成的安全隐患，又要重视由于材料增加而触发安全风险的可能性。如要求容器变薄，设计人员应该重新分析压力容器的具体受力情况，在此基础上可以计算出容器能够承担的最高减薄程度。在设计压力容器时，工作人员应该对材料变更高度重视起来，实施更主动的应对策略。

3.3 气密性试验中主要问题的防范策略

为了预防泄漏毒性介质，相关人员应该做好压力容器的气密性试验。第一，在进行试验前，必须要开展液压试验，确保它的液压达到合格标准。第二，在进行气密性试验时，应该确保所安装的全部安全附件都已经齐全，确保试验过程的可靠性与安全性。第三，在开展气密性实验的过程中，应该科学地选用所用气体，理想选项是清洁、干燥的氮气或者空气等，这些都是惰性气体，反应很慢。而且，在气密性试验中，应该逐步增加它的压力，坚决不可迅速把压力提高到所需压力位。在升高到提前确定的压力位后，这个压力必须保持足够长的时间，把压力降低到提前确定的压力位。然后，对压力容器的全部连接部位或者焊缝，涂上肥皂水，开展全方位的检查。假如压力容器各个部位均未发生泄漏现象，应该认定该压力容器是合格的；假如出现了部分泄漏的情况，必须修补该压力容器，然后再次开展气密性试验。如果压力容器由低合金钢或者碳素钢制作而成，应该对试验温度进行严格控制，确保最低温度不低于5℃。

3.4 焊接接头无损检测问题的相关防范策略

虽然如今人们可以采取很多方法，对焊接接头进行无损检验，然而工作人员在具体应用中，仍然应该采用合理的检验方法。通常情况下，射线检测对夹渣、气孔等体积性的不足更加敏感，但是不能准确地检测面状的缺陷。所以，在对压力容器进行无损检验，以查看是否存在内部缺陷时，应该结合具体的生产加工状况，慎重地分析。在此过程中，如采用不同方法检测同一位置时，工作人员应该采取不同的检测标准，坚决不可采取同样的检测标准来对待不一样的检测方法。在完成了无损检验后，工作人员应该对重点部位实施抽检，确保检测结果的准确性与合理性。随着科技持续发展，有关人员应该抓好科研工作，持续提升无损检测的水平，尽可能地借助最新的物理成果与技术，切实增强无损检测的定位准确性；强化其自动化技术，增强自动化检测的能力与效率等。