压力容器设计及容易忽视的问题

g2 3 卷第2 期 2 0 1 3 年 6 月 江 汉 石 油 科 技 J I ANGHAN P E TRO L E UM S C I E NC E AND T EC HN0 L OGY Vo 1 2 3 No 2 J u n 2 01 3 压 力容器 设计及容易忽视 的问题 孙 兴梅 ( 承德江钻石油机械有限责任公司，河北承德 0 6 7 0 0 0 ) 摘要：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。设计的正确、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。及时解决压力容器设计在材料的选用和制造、检验与验收中容易忽视的问 题，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。 关键词 ：压力容器；设计；问题 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、地方标准和企业标准。为了适应国家新能 源、新材料、新工艺、新技术等各个方面的发展， 压力容器的规范和标准要定期进行审查并做出修 订 。 1 压力容器设计 1 1 压力容器设计的要求 压力容器在石油、化工产业的生产过程中应用 很多，在复杂的生产工艺过程中任何设备出了事故 都会影响生产 ，严重 的可能会造成停产 ，甚至会危 及人身的生命安全。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 ：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 )； 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 的时间释放出来，具有极大的摧毁力；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；制 造、检验、安装、操作和维修方便。提出这一要求 的目的，一方面是基于安全生的考虑，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； 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。 1 2 压力容器的设计方法 1 2 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l 倍许用应力 )；为 作者简介：孙 兴梅 ，女 ，工程师 ，石油大学本科 矿 业机械专业毕业 ，一 直从 事压力容器设计 工作 。 7 8 江 汉 石 油 科 技 第2 3 卷 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 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 J B 4 7 3 2 - 9 5 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。 2 压力容器设计 中容易忽视的问题 2 1 材料的选用 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 陛能 、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。 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 ( 11 Q 2 3 5 ) 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8 m m 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 。 H G 2 0 5 8 1 2 0 1 l 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 焊接 图1 垫 板下 面的焊 缝 板 图2 2 r 范 围 内的焊 缝 ( 奥氏体钢为1 5 倍 )。包括 ：设计温度大于3 0 0 ；设计压 力大于 1 6 M P a ；钢 材厚度大 于等于2 0 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。 2 2 1 造 、检验与验收 热处理“ G B 1 5 0 4 2 0 1 1 8 1 1 ：钢板冷成型的受 压元件，凡符合下列条件之一者应于成型后进行相 应热处理恢复材料性能。 对碳 钢 、低 合金 钢 ，成 形前厚 度 大 于 1 6 ra m 者”对此项要求，大多设计者在设备主体简体的成 形 中 基 本 上 都 忽 视 了 ， 他 们 大 多 是 根 据 “ G B 1 5 0 4 2 0 1 l 8 2 2 ：碳 素钢 、低合金钢钢板焊接 接头厚度大于3 2 m m 的应进行焊后热处理” ，而对 于厚度在1 6 3 2 m m 之间的碳素钢、低合金钢钢板 既没有焊后热处理要求， 又没有中间的筒体成形热 处理要求。对卷制的厚度大于1 6 m m的人孑 L 接管也 是 如 此 。 因 此 今 后 设 计 者 应 注 意 厚 度 在 l 6 3 2 ra m 之间的碳素钢 、低合金钢钢板的成形热处理 要求。 局部无损检测比例及长度 对于非低温容器，图样 上一般要求无损检测长度不少于各焊接接头长度的 2 0 ， 且 不 小 于 2 5 0 m m。 实 际 上 G B 1 5 0 4 _ 2 0 l l 第2 期 孙兴梅 ：压力容器设计及容 易忽视的问题 1 0 3 2 中另有两条要求 ：凡被补强圈 、支座、垫 板、内件等覆盖的焊接接头，如图l 中所示的垫板 下面的焊缝 ；对于满足G B 1 5 0 3 2 0 1 1 中6 1 3 不另行 补强的接管 ，自 开孔中心沿容器表面的最短长度等 于开孔直径的范围内的焊接接头应进行 1 0 0 检测 ， 如图2 中2 r 范 围内的焊缝 ；这个测量长度可计人局部 检测长度之内， 这是在工艺设计和制造过程中容易 忽略的，当然 ， 设计者设计时应尽量避免焊缝的覆 盖 ，使开孔远离焊缝。 3 结论 压力容器的设计必须遵循现行设计规范，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 。 ( 编辑胡素梅 ) 易钻复合材料桥塞在外部市场推广应用 2 0 1 3 年4 月，由江汉石油管理局井下测试公司承担施工的华北油田分公司渭新1 井 ，经过丢手、验封、 探塞等工序，完成了该井第一层易钻复合材料桥塞施工，根据施工要求 ， 该井将对8 个储层进行测试，需要 下入7 个易钻复合桥塞进行分层试气。 这是该公司自主研发的易钻复合材料桥塞首次在外部市场推广应用