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压力容器论文设计使用寿命论文：压力容器设计与制造常见问题探讨摘要：压力容器能否安全运行，在很大程度上取决于设计与制造质量，而设计与制造质量又与工程技术人员能否对标准、法规正确理解密切相关。文章借推出的固定式压力容器安全技术监察规程，结合多年压力容器设计实践，就压力容器设计与制造中容易忽视的压力容器设计使用寿命及材料代用等问题进行了探讨。关键词：压力容器 设计使用寿命 材料代用一、概述压力容器的安全运行，关系到国家财产与人民群众的生命安全及社会的稳定。 容器承压部件的断裂破坏伴随着介质的能量释放会形成爆炸，具有巨大的破坏力，常造成大面积的、立体性的破坏和群体伤害，不仅损坏设备本身，而且损坏周围的设备和建筑，并常常造成人身伤亡，甚至涉及承装有毒有害介质的还会对受影响的民众造成遗留后遗症，后果极其严重。为了保证压力容器的安全运行，作为设计者，一定要从了解工艺及介质属性，正确合理设计类型及选用承压材质，有必要根据对应操作环境正确给定检测及试验要求。特定情况的需要气密性试验或特殊处理要求的绝不能漏掉。在材料代用的时候，不能凡是“厚的”就一定是安全的。而且，压力容器的设计除了满足强度计算要求、结构合理外，其设计使用寿命也是必须要考虑的。作为压力容器的使用单位一定要合理的做好定期检测工作，并认真对待检测好的数据结果，以此来参考设备的安全使用寿命还能有多久。二、压力容器设计的使用寿命问题我们知道任何事物都是有寿命的，压力容器也不例外。因此， 2009年推出的固定式压力容器安全技术监察规程将原容规中第32条提出的：“为防止压力容器超寿命运行引发安全问题，设计单位一般应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命”。改成3.4.2.2中的强制要求。事实上，压力容器的设计使用寿命应该由设计者在图样上标注，设计者在设计时应考虑到影响容器使用寿命的因素，主要有：1.材料的力学性能如高温蠕变和高温断裂对时间的依赖性；2.腐蚀裕量中包含的设计寿命因素；3.载荷如周期性载荷等的时间性；4.违规操作或恶劣环境等非正常因素。因此，正确的设计途径应是：设计者在确定容器设计使用寿命的基础上，充分地考虑以上四个因素的影响，合理地选择材料、确定腐蚀裕度、提出制造、检验和操作要求。其中对于设计工作者腐蚀裕量至关重要。因此，我们可以限定设备使用中最大腐蚀速率，根据最大速率和腐蚀裕量就可以反推出设备的最大使用寿命。毕竟，相同的设备，不同的工作环境和使用工况对其影响都很大，作为设计工作者很难掌握这么明细，尤其现在有很多以系列产品而研发推出的压力容器更是如此。但是，只要设计者限定了最大的腐蚀速率工况，便可以得到明晰。当然应该指出，压力容器的设计寿命不一定等于实际使用寿命，它仅仅是设计者根据容器预期的使用条件而给出的估计，其作用是提醒使用者和监督者。当超过压力容器的设计寿命时应采取必要的措施，如经常测量厚度和缩短检验周期等，避免发生安全事故。因此，无论是按国际压力容器设计的惯例，还是为了提高设计的水平和权威性，都应该在图纸上标注压力容器的设计使用寿命，这样做才能真正体现对用户和对设备安全高度负责，同时也避免设计者承担无限责任。没有使用寿命是不合理的，如果不写使用寿命，那就终身负责。三、对于设计过程中容易忽视的需要热处理要求的研究1.碳素钢、16mnr钢板厚度不小于3%di，其它低合金钢厚度不小于2.5%di的冷成形圆筒应经热处理合格。对此项要求，大多设计单位在设备主体筒体的设计中，基本上都注意到这一点，但是在接管的设计中却很容易忽视。例如一设计单位对一325x12的接管提出可以使用16mn的无缝管，也可以用16mnr钢板卷制，却没有提出对卷制的接管进行成型后的热处理要求。又如428x14的卷制人孔接管没提出热处理要求。的筒体不需要热处理时，往往对厚度超限的卷制人、手孔接管也忽视了热处理要求。钢板冷卷后，晶粒发生破碎、歪扭，由于冷作硬化，钢材的强度和硬度上升，而塑性下降。钢板越厚，直径越小的筒体冷卷后变形率越大，冷作硬化程度越大，钢板的内应力也越大，塑性大幅度下降，甚至有产生裂纹的可能，这将严重威胁到设备的安全运行。这时通过再结晶退火可以使钢板的强度和硬度下降，塑性提高，从而使材料的力学性能得到改善。gb150-1998第10.4.2.1是根据长期的实践经验得出的结论，因此，厚度超限的钢板冷作加工后进行再结晶退火处理是完全必要的。2.管箱热处理当碳钢管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱，在施焊后作消除应力的热处理。四、压力容器制造中材料代用的“以厚代薄”问题“以厚代薄”往往使壳体的受力由平面应力状态向平面应变状态转变，对容器的受力状态有害而无利，厚壁容器更容易产生三向拉应力的平面应变脆性断裂。1.对于原设计中与封头之间为等厚度焊接的容器，如对容器壳体个别部件进行“以厚代薄”(如仅增加封头厚度而简体厚度不变)时，势必增加容器壳体的几何不连续程度，从而引起应力集中，使封头与筒体连接部位的局部应力增大，对有应力腐蚀倾向的容器有很大危害。对于受交变载荷的容器，则有可能引起疲劳裂纹甚至疲劳断裂。2.当厚板代薄板时，往往要引起连接结构的变化，如加厚的封头与简体的连接，往往都必须对封头进行外削边处理。对于用管道做简体的设备，当简体壁加厚时，筒体与封头的连接处有时也必须对简体侧作内削边处理。对于筒体与管板及平盖的对焊连接结构也同样存在这些问题。当厚度增加较多时，常常还涉及到焊接结构的变化。如接管与壳体焊缝及对接焊缝都有可能从原来的单v型（适合326mm板材）改为x型坡口（适合1260mm板材）。改后可以减少焊缝填充量，避免产生缺陷，减少焊接残余变形与应力。大大提高了焊接接头的金属使用性能。3.对于容器壳体整体上的以厚代薄，虽然不会使筒体与封头连接部位的局部应力增加，但是仍会造成以下几种不利影响。首先，壳体厚度增大后,原设计选用的焊接方式、探伤方法等可能相应发生变化；其次，壳体增厚势必增加容器的重量，于是将对容器的支座和基础不利；第三，对于壳体兼作传热部件的容器，增加壳体厚度会影响换热容器的传热效果。4.钢板许用应力与其厚度密切相关，从gb150-98中可见钢材随着板厚的增加材料许用应力呈下降趋势，如q345r在20150下板厚从16mm增加到18mm时，许用应力由170mpa下降到163mpa。“厚代薄”有可能导致强度不足，因此，当处于这些临界状况下的厚代薄时，还必须对强度进行验算。5.对于膨胀节、波纹管、挠性薄管板和薄管板等元件，原则上不应采用厚代薄。因为随着元件的加厚，其刚性相应增大，从而削弱了补偿变形效果。因此，“以厚代薄”也必须如其它形式的材料代用那样“事先取得原设计单位的设计修改证明文件,对改动部位应作详细记载”。由设计单位来综合考虑以厚代薄造成的种种不利影响，决定是否可行并对可实施以厚代薄的容器的焊接工艺、探伤方法、支座、基础等作适当的调整，以消除或减少各种不利影响。五、人、手孔法兰的选用目前在我国的行业标准中，标准人、手孔的法兰全部采用管法兰。许多设计单位在设备设计时也都愿意选用标准人、手孔，其原因大概就一个方便。但从设计的合理性和经济性来看，选用标准人、手孔并不理想。其原因有三：一是从法兰的受力情况来看，为了达到理想的密封效果，为了法兰承受尽可能小的力矩，在螺栓设计中应尽可能控制较小的螺栓孔中心圆直径。查阅hg2059320595和jb/t47014703可以看到，同公称压力、同公称直径的法兰，管法兰的螺栓孔中心圆直径比设备法兰的螺栓孔中心圆直径大得多；二是由于二者如上所述的结构差异，导致管法兰的厚度要比设备法兰厚得多，加上管法兰的外圆大得多，如此整个人、手孔的制造成本比采用设备法兰设计、制造的人孔要高。三是在有的工作环境中，选用标准法兰显得比较浪费钢材。如工作压力为2.8mpa，此时选用标准法兰得用到4.0 mpa，如自行设计，可大大减少钢