壓力容器設計步驟及常見問題

壓力容器設計步驟：

一. 確定容器類別
      容器類別的劃分在國家質量技術監督局所頒發的《壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱容規）第一章第6條（p7）有詳細的規定，主要是根據工作壓力的大小(p75)、介質的危害性和容器破壞時的危害性來劃分(p75)。本例穩壓罐為低壓（<1.6MPa）且介質無毒不易燃，則應劃為第Ⅰ類容器。

另：具體壓力容器劃分類別見培訓教材 p4  1-11
        何謂易燃介質見 p2  1-6
        介質的毒性程度分級見 p3  1-7
        劃分壓力容器等級見  p3  1-9
二. 確定設計壓力
      我們知道容器的最高工作壓力為1.4MPa，設計壓力一般取值為最高工作壓力的1.05～1.10倍。
      至于是取1.05還是取1.10，就取決于介質的危害性和容器所附帶的安全裝置。
      介質無害或裝有安全閥等就可以取下限1.05，否則就取上限1.10。
      本例介質為無害的壓縮空氣，且系統管路中有泄壓裝置，符合取下限的條件，則得到設計壓力為 Pc=1.05x1.4=1.47MPa。

另：什么叫設計壓力？計算壓力？如何確定？見p11  3-1液化石油氣儲罐設計中，是如何確定設計壓力的？
三. 確定設計溫度
      一般是在用戶提供的工作溫度的基礎上，再考慮容器環境溫度而得。
      比如為華北油田設計的容器，且在工作狀態無保溫的情況下，其工作溫度為30℃，其冬季環境溫度最低可到－20℃，則設計溫度就應該按容器可能達到的最惡劣的溫度確定為－20℃?！度菀帯犯郊╬77）提供了一些設計所需的氣象資料供參考。本例取設計溫度為200℃即可。
四. 確定幾何容積
      按結構設計完成后的實際容積填寫即可。
五. 確定腐蝕裕量
      由所選定受壓元件的材質、工作介質對受壓元件的腐蝕率、容器使用環境和用戶期待的使用壽命來確定，實際上應先選定受壓元件的材質，再確定腐蝕裕量。
     《容規》第三章表3-3（p23）和GB150第3.5.5.2節（p5）對一些常見介質的腐蝕裕量進行了一些規定。工作介質對受壓元件的腐蝕率主要按實測數據和經驗來確定，受使用環境影響很大，變數很多，目前無現成的數據。
      一般介質無腐蝕的容器，其腐蝕裕量取1～2mm即可滿足使用壽命的要求。本例取腐蝕裕量為2mm。
另：什么叫計算厚度、設計厚度、名義厚度、有效厚度？何謂最小厚度？如何確定？見p12 3-5  3-6
六. 確定焊縫系數
      焊縫系數的標準叫法叫焊接接頭系數，GB150的3.7節（p6）對其取值與焊縫檢測百分比進行了規定。 
      具體取值，可以按《容規》第85條（p43）所規定的10種情況選擇。

      其焊縫系數取1，即焊接接頭應進行100%的無損檢測，其他情況一般選焊縫系數為0.85。
      本例選焊縫系數為0.85。
七. 主要受壓元件材質的確定
      材質的確定在滿足安全和使用條件的前提下，還要考慮工藝性和經濟性。
壓力容器設計常見問題：
1、 壓力容器設計使用壽命
壓力容器的設計使用壽命是設計文件中的重要內容，它是設備投入運行后制定檢驗計劃、在定期檢驗時進行安全等級評定的重要依據，一般由設備專業設計人員根據工藝專業提供的設備工作環境考慮腐蝕裕量、疲勞、蠕變等綜合因素給出?！秹毫θ萜靼踩夹g監察規程》（以下簡稱容規）第32條明確規定“設計單位一般應在設計圖樣上注明壓力容器設計使用壽命”。但大多的設計單位在設計圖紙上卻避免了這一問題，其原因是影響壓力容器設計使用壽命的因素很多，與設備的運行管理也密切相關。但就本著提高設計文件質量，對用戶負責，對人民的生命財產安全負責的精神，還是應克服種種困難，解決這一難題。
2、 對有不可拆保溫層的壓力容器，對全部焊接接頭進行X射線探傷的要求。

作者簡介：熊從貴（1982- ），男（漢族），重慶市萬州區人，從事壓力容器設計制造技術工作。 
      敷設有保溫層的壓力容器，而保溫層又是不可拆結構，這時給設備的定期檢驗帶來很多的不方便：不能探傷，不能測厚等。這就要求在設計制造時提出更高的要求以保證設備的安全運行，提高設備的安全性。容規第50條規定“圖樣上應提出對全部焊接接頭進行無損檢測等特殊要求”，這里的全部焊接接頭當然也包括C、D類焊接接頭，而實際上有的設計圖紙不僅沒有對C、D類焊接接頭提出無損檢測要求，甚至A、B類焊接接頭也沒有提出全部無損檢測的要求。這里沒有對無損檢測的合格級別作出規定，本人認為可以是A、B類焊接接頭X射線探傷，III級合格；C、D類焊接接頭著色或滲透探傷，I級合格。容規和相關標準已規定A、B類焊接接頭必須全部做無損檢測的壓力容器不在此列。
3、 碳素鋼、16MnR鋼板厚度不小于3%Di，其它低合金鋼厚度不小于2.5%Di的冷成形圓筒應經熱處理合格。
      對此項要求，大多設計單位在設備主體筒體的設計中，基本上都注意到這一點，但是在接管的設計中卻很容易忽視。例如一設計單位對一φ325X12的接管提出可以使用16Mn的無縫管，也可以用16MnR鋼板卷制，卻沒有提出對卷制的接管進行成型后的熱處理要求。又如φ428X14的卷制人孔接管沒提出熱處理要求，此類例子很多。容器的筒體不需要熱處理時，往往對厚度超限的卷制人、手孔接管也忽視了熱處理要求。 
      鋼板冷卷后，晶粒發生破碎、歪扭，由于冷作硬化，鋼材的強度和硬度上升，而塑性下降。鋼板越厚，直徑越小的筒體冷卷后變形率越大，冷作硬化程度越大，鋼板的內應力也越大，塑性大幅度下降，甚至有產生裂紋的可能，這將嚴重威脅到設備的安全運行。這時通過再結晶退火可以使鋼板的強度和硬度下降，塑性提高，從而使材料的力學性能得到改善。GB150-1998第10.4.2.1是根據長期的實踐經驗得出的結論，因此，厚度超限的鋼板冷作加工后進行再結晶退火處理是完全必要的。
4、 人、手孔法蘭的選用
      目前在我國的行業標準中，標準人、手孔的法蘭全部采用管法蘭。許多設計單位在設備設計時也都愿意選用標準人、手孔，其原因大概就一個——方便。但從設計的合理性和經濟性來看，選用標準人、手孔并不理想。其原因有三：其一、從法蘭的受力情況來看，為了達到理想的密封效果，為了法蘭承受盡可能小的力矩，在螺栓設計中應盡可能控制較小的螺栓孔中心圓直徑，查閱HG20593～20595和JB/T4701～4703可以看到，同公稱壓力、同公稱直徑的法蘭，管法蘭的螺栓孔中心圓直徑比設備法蘭的螺栓孔中心圓直徑大得多；其二、由于二者如上所述的結構差異，導致管法蘭的厚度要比設備法蘭厚得多，加上管法蘭的外圓大得多，如此整個人、手孔的制造成本比采用設備法蘭設計、制造的人孔要高。其三、在有的工作環境中，選用標準法蘭顯得比較浪費鋼材。如工作壓力為2.8MPa，此時選用標準法蘭得用到4.0 MPa，如自行設計，可大大減少鋼材厚度。在市場競爭激烈的今天，這對自行設計、自行制造的單位很有必要。
5、 造過程中發生加工尺寸變更的處理
      在壓力容器制造過程中常常發生材料代用和加工尺寸變更的情況。材料代用時，往往都按照設計修改通知單的要求在竣工圖上按要求修改，但對加工尺寸的變更卻常常忽視。如一塔設備筒體高18m，采用的鋼板公稱寬度1.8m，這樣剛好用10節筒體，但實際鋼板寬度為1.8～1.82m不等，為了節省工時，多余的寬度不切割，如此一來，塔的總高就會高出約100mm，而在設備竣工圖上這一更改卻沒有反映出來，致使管道專業在確定設備上管道標高時仍按原來的標高，這樣給設備的安裝和管道布置都將帶來不應有的麻煩。在容規第63條第1款明確規定制造中發生的材料代用、加工尺寸變更應在竣工圖樣上直接標注，標注處應有修改人與審核人的簽字?？梢?，加工尺寸的變更與材料代用都是重大變更因素。
6、 甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭與殼體或短節間連接焊縫的檢測要求
      在筆者看過的壓力容器設計圖中，有大部分設計單位在容器內為無毒、非易燃介質，同時帶有時，沒有對設備法蘭與容器殼體或短節間連接焊縫提出檢測要求，這明顯是與JB/T4700-2000的技術要求相違背的。JB/T4700-2000中6.6.1.3規定，“對甲型或乙型平焊法蘭，法蘭與圓筒、封頭或短節間的焊縫表面應進行磁粉或滲透檢測，檢測方法按JB4730，檢測結果I級合格”。
7、 小直徑壓力容器B類焊縫無損檢測比例及長度
      無縫鋼管用作壓力容器筒節的情況比較常見，是因為用無縫鋼管作筒體省去了卷筒及縱縫無損檢測工序，不僅縮短了制作周期，也節省了成本。但小直徑壓力容器在制造過程中，其B類焊縫的無損檢測常常只進行了20%RT，其檢測長度不能滿足GB150中規定的進行局部無損檢測的A、B類焊接接頭“檢測長度不得少于……，且不小于250mm”的要求。如一臺用φ325×8的無縫鋼管制作的壓力容器，環縫只作20%RT，雙壁單影透照法，其檢測長度為205mm。一次透照有效長度210mm，由此可見，作20%RT，只需用一張片即可，但其探傷長度卻不足250mm，對φ325以下的規格更是如此。 此類設備在其環縫的返修過程中也存在相同問題。
      壓力容器的制造廠為節省成本，不顧標準和圖紙的要求，擅自改變焊縫的檢測長度，其原因是容規沒有這一規定，這種說法是強辯，因為國家質檢總局多次強調，在容規與GB150發生沖突或有不一致時，按較嚴者執行。