压力容器设计中容易忽视的问题

压力容器设计中容易忽视的问题

郭君

荆门宏图特种飞行器制造有限公司 湖北省荆门市 448000

摘要：压力容器是工业生产中重要的仪器，在工业生产制造中起着十分重要的作用，设计人员如果对标准的条款理解有偏差，可能会对容器的设计造成较大的影响。本文对压力容器设计中容易忽视的问题进行探讨，以供相关的工作人员参考。

关键词：压力容器；焊接接头系数；许用应力；措施

随着压力容器行业的快速发展，目前很多公司均采用SW6计算软件对压力容器进行设计计算，部分设计人员对规范的部分条款的理解并不深入，在部分参数或结构在设计过程中容易被忽视。而压力容器是工业生产中重要的仪器，如果出现设计错误，不仅会影响容器的使用，还会对工业生产以及相关人员的生命安全造成影响，所以在设计时应尽量提高对标准条款的理解，提高压力容器的设计质量。

1. 等面积法开孔补强，当设备焊接接头系数是0.85时，开孔处壳体焊接接头系数如何取值

对于上述问题，设计人员的分歧还是较大，大致总结如下：

①．部分设计人员直接采用了SW6默认1.0进行开孔补强计算；

②．部分设计人员认为开孔处没有A、B类焊缝，重点放在了“开孔处”；这里可以认为是从局部来考虑。从局部来看，开孔处壳体因为没有焊缝，强度没有被削弱，所以可以用更小厚度来承受压力载荷，从这一点上来讲，此开孔处壳体焊接接头系数取1.0没有问题。但这个局部到底是多大范围，在设计图中是否有体现这个技术要求。实际上，很少有设计人员对开孔的位置有这样的要求，也很难给出一个确定的范围使得A、B类焊缝对开孔是没有影响。

③．还有一些设计人员认为就算开在焊缝上但进行100%的无损检测，所以可以用取1.0的焊接系数去计算开孔处的计算厚度。这样的说法有一定的道理，因为100%检测合格后的焊缝可认为强度是没有削弱的，那么可用于补强的富裕厚度当然可以多一些。然而，实际在制造时A、B类的焊缝一般都是在开孔以前就进行的无损检测，这时候0.85焊接系数的设备进行20%的无损检测，如果没有特别提醒，实际无损检测的位置很有可能不会覆盖因开孔而需要100%检测的A、B类焊缝。

个人理解，对于设备焊接接头系数是0.85时，开孔处壳体焊接接头系数取设备本体的焊接接头系数更为合适。

2、高合金钢的许用应力选取问题

对于高合金钢板及锻件的许用应力选用应特别注意，不少设计人员会忽略GB150.2-2011表5及表11中的注1：该行许用应力仅适用于允许产生微量永久变形之元件，对于法兰或其他有微量永久变形就引起泄漏或故障的场合不能采用。因为法兰有轻微的变形可能就会造成泄漏，尤其是盛装介质为极度或高度危害时，一旦法兰发生变形而导致泄漏，可能会造成很严重的影响。所有在设计高合金钢的法兰或凸缘时，许用应力应选取表中第二行相对应的值，以保证满足标准的要求。

3、开孔不另行补强计算

在等面积法开孔补强计算中，如果满足GB/T 150.3-2011第6.1.3条不另外补强的最大开孔直径要求的全部条件时，包括设计压力、相邻开孔中心间距、接管规格、接管厚度以及接管位置和焊接结构的要求时，可以不另行补强。

GB/T 150释义对GB/T 150.3-2011第6.1.3条不另行补强条款的解释：

①．容器产品的壳体厚度往往超过实际强度需要。这种情况下，可看作容器已被整体加强；

②．在通常设计条件下，接管的最小壁厚往往多于实际需要，多余的金属已经起到补强作用；

③．大量的实验得出，随着接管开孔直径的减小，应力集中系数降低，所以标准给出了不管接管外径不超过89mm的不另行补强所对的应接管壁厚要求。

在实际运用该条款时，这些判定条件部分需要设计人员自行判断，比如两相邻开孔的中心间距、开孔位置等是否符合条件；而另一些判定条件在计算软件SW6中输入相关数据，计算软件会自行判断是否满足GB/T 150.3-2011第6.1.3条，从而判断是否可以不另行补强，免除开孔补强计算。可是当设备厚度富裕量较少时，虽然满足了GB/T 150.3-2011第6.1.3条不另行补强的条件，但如果按等面积法进行计算时，基本上是不能通过计算的，而且很多时候补强面积都是差40%以上。

另外，对于偏心的非径向接管的开孔免除，HG/T 20582-2011中第6.3.4条还对壳体的名义厚度和开孔大小也进行规定。这条与ASME免除开孔的要求相似，但ASME的原文是指“required minimum thickness”。

实际在利用SW6进行封头偏心非径向接管不另行补强的判断时，发现在不同的压力或对不同管口大小时，利用SW6计算时，软件会在一定偏心范围内直接利用GB/T 150.3-2011第6.1.3条进行免除判断；然而，一旦超过SW6软件设定的免除范围时，即使与免除的偏心距离只差1mm，计算出来的等面补强结果可能会不满足要求，而且差距可能会比较大。

所以设计人员应根据筒体富裕程度以及所装载介质的危害性综合考虑是否采用该条款，特别是装载介质为极度或高度危害时，建议都按等面积法补强进行计算，以保证设备的安全性。

4、爆破片的设计爆破压力注意事项

大部分压力容器设计人员接触爆破片的机会较少，对爆破片的设计爆破压力一般是按照GB/T150.1-2011附录B第B.5条的要求来选用，然而在按规则定出设计爆破压力时没有给出相对应的温度，从而可能会导致在实际应用时提前爆破的情况。在实际使用中，爆破片的实际爆破压力与温度是有关系的，温度高时爆破片的爆破压力会有所降低。举个例子，设计爆破压力为1.51MPa@20℃的爆破片，在实际应用中，如果温度上升到50℃时，该爆破片实际爆破的压力大约会降低3%左右。所以在订购爆破片时，应当综合考虑容器在不同工况下，温度对爆破片的影响，给出一个合理的设计爆破压力值，具体的不同温度对爆破片的影响应向专业的爆破片制造商进行咨询。

5、SW6软件对于材料许用应力跳档的问题

在利用SW6进行设计计算时要特别注意许用应力的跳档问题，举个例子，Q345R在16mm在100℃时许用应力为189MPa，当厚度上升到18mm时，100℃时许用应力为185MPa。因为许用应力在一些特定的厚度有跳档的现象，所以在利用SW6校核封头厚度时应名义厚度的数值应考虑封头加工的减薄量，因为如果没有封头的加工减薄量，那么校核时采用就是许用应力跳档前的数值，与实际制造时封头采用的厚度的许用应力不一致。

在这个问题上，SW6的设计是有点小问题的，因为SW6里没有输入减薄量选项，为了采用封头跳档后的许用应力，同时有效厚度又要与图纸保持一致，这样只能把封头的加工减薄量加在腐蚀裕量一栏上，这样在封头校核时才没有问题。但这样的处理对后面开孔补强计算又会造成影响，因为封头的腐蚀裕量包括了减薄量，与开孔接管本身真正的腐蚀裕量不一致，这样就会造成接管的内伸长度就会多出一个封头减薄量的长度。

6、结束语

对于这些容易被忽视的问题，虽然有些可能不会影响到实际的产品设计，但压力容器设计本身就需严谨规范，只有提高对相关标准的理解，才能提升容器的设计质量。

参考标准

[1]GB/T 150-2011《压力容器》

[2]HG/T 20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》