压力容器设计步骤及常见问题

压力容器设计步骤：

一. 确定容器类别
      容器类别的划分在国家质量技术监督局所颁发的《压力容器安全技术监察规程》（以下简称容规）第一章第6条（p7）有详细的规定，主要是根据工作压力的大小(p75)、介质的危害性和容器破坏时的危害性来划分(p75)。本例稳压罐为低压（<1.6MPa）且介质无毒不易燃，则应划为第Ⅰ类容器。

另：具体压力容器划分类别见培训教材 p4  1-11
        何谓易燃介质见 p2  1-6
        介质的毒性程度分级见 p3  1-7
        划分压力容器等级见  p3  1-9
二. 确定设计压力
      我们知道容器的最高工作压力为1.4MPa，设计压力一般取值为最高工作压力的1.05～1.10倍。
      至于是取1.05还是取1.10，就取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。
      介质无害或装有安全阀等就可以取下限1.05，否则就取上限1.10。
      本例介质为无害的压缩空气，且系统管路中有泄压装置，符合取下限的条件，则得到设计压力为 Pc=1.05x1.4=1.47MPa。

另：什么叫设计压力？计算压力？如何确定？见p11  3-1液化石油气储罐设计中，是如何确定设计压力的？
三. 确定设计温度
      一般是在用户提供的工作温度的基础上，再考虑容器环境温度而得。
      比如为华北油田设计的容器，且在工作状态无保温的情况下，其工作温度为30℃，其冬季环境温度最低可到－20℃，则设计温度就应该按容器可能达到的最恶劣的温度确定为－20℃。《容规》附件二（p77）提供了一些设计所需的气象资料供参考。本例取设计温度为200℃即可。
四. 确定几何容积
      按结构设计完成后的实际容积填写即可。
五. 确定腐蚀裕量
      由所选定受压元件的材质、工作介质对受压元件的腐蚀率、容器使用环境和用户期待的使用寿命来确定，实际上应先选定受压元件的材质，再确定腐蚀裕量。
     《容规》第三章表3-3（p23）和GB150第3.5.5.2节（p5）对一些常见介质的腐蚀裕量进行了一些规定。工作介质对受压元件的腐蚀率主要按实测数据和经验来确定，受使用环境影响很大，变数很多，目前无现成的数据。
      一般介质无腐蚀的容器，其腐蚀裕量取1～2mm即可满足使用寿命的要求。本例取腐蚀裕量为2mm。
另：什么叫计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度？何谓最小厚度？如何确定？见p12 3-5  3-6
六. 确定焊缝系数
      焊缝系数的标准叫法叫焊接接头系数，GB150的3.7节（p6）对其取值与焊缝检测百分比进行了规定。 
      具体取值，可以按《容规》第85条（p43）所规定的10种情况选择。

      其焊缝系数取1，即焊接接头应进行100%的无损检测，其他情况一般选焊缝系数为0.85。
      本例选焊缝系数为0.85。
七. 主要受压元件材质的确定
      材质的确定在满足安全和使用条件的前提下，还要考虑工艺性和经济性。
压力容器设计常见问题：
1、 压力容器设计使用寿命
压力容器的设计使用寿命是设计文件中的重要内容，它是设备投入运行后制定检验计划、在定期检验时进行安全等级评定的重要依据，一般由设备专业设计人员根据工艺专业提供的设备工作环境考虑腐蚀裕量、疲劳、蠕变等综合因素给出。《压力容器安全技术监察规程》（以下简称容规）第32条明确规定“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”。但大多的设计单位在设计图纸上却避免了这一问题，其原因是影响压力容器设计使用寿命的因素很多，与设备的运行管理也密切相关。但就本着提高设计文件质量，对用户负责，对人民的生命财产安全负责的精神，还是应克服种种困难，解决这一难题。
2、 对有不可拆保温层的压力容器，对全部焊接接头进行X射线探伤的要求。

作者简介：熊从贵（1982- ），男（汉族），重庆市万州区人，从事压力容器设计制造技术工作。 
      敷设有保温层的压力容器，而保温层又是不可拆结构，这时给设备的定期检验带来很多的不方便：不能探伤，不能测厚等。这就要求在设计制造时提出更高的要求以保证设备的安全运行，提高设备的安全性。容规第50条规定“图样上应提出对全部焊接接头进行无损检测等特殊要求”，这里的全部焊接接头当然也包括C、D类焊接接头，而实际上有的设计图纸不仅没有对C、D类焊接接头提出无损检测要求，甚至A、B类焊接接头也没有提出全部无损检测的要求。这里没有对无损检测的合格级别作出规定，本人认为可以是A、B类焊接接头X射线探伤，III级合格；C、D类焊接接头着色或渗透探伤，I级合格。容规和相关标准已规定A、B类焊接接头必须全部做无损检测的压力容器不在此列。
3、 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φ325X12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φ428X14的卷制人孔接管没提出热处理要求，此类例子很多。容器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。
4、 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：其一、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HG20593～20595和JB/T4701～4703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；其二、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。其三、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，可大大减少钢材厚度。在市场竞争激烈的今天，这对自行设计、自行制造的单位很有必要。
5、 造过程中发生加工尺寸变更的处理
      在压力容器制造过程中常常发生材料代用和加工尺寸变更的情况。材料代用时，往往都按照设计修改通知单的要求在竣工图上按要求修改，但对加工尺寸的变更却常常忽视。如一塔设备筒体高18m，采用的钢板公称宽度1.8m，这样刚好用10节筒体，但实际钢板宽度为1.8～1.82m不等，为了节省工时，多余的宽度不切割，如此一来，塔的总高就会高出约100mm，而在设备竣工图上这一更改却没有反映出来，致使管道专业在确定设备上管道标高时仍按原来的标高，这样给设备的安装和管道布置都将带来不应有的麻烦。在容规第63条第1款明确规定制造中发生的材料代用、加工尺寸变更应在竣工图样上直接标注，标注处应有修改人与审核人的签字。可见，加工尺寸的变更与材料代用都是重大变更因素。
6、 甲型平焊法兰、乙型平焊法兰与壳体或短节间连接焊缝的检测要求
      在笔者看过的压力容器设计图中，有大部分设计单位在容器内为无毒、非易燃介质，同时带有时，没有对设备法兰与容器壳体或短节间连接焊缝提出检测要求，这明显是与JB/T4700-2000的技术要求相违背的。JB/T4700-2000中6.6.1.3规定，“对甲型或乙型平焊法兰，法兰与圆筒、封头或短节间的焊缝表面应进行磁粉或渗透检测，检测方法按JB4730，检测结果I级合格”。
7、 小直径压力容器B类焊缝无损检测比例及长度
      无缝钢管用作压力容器筒节的情况比较常见，是因为用无缝钢管作筒体省去了卷筒及纵缝无损检测工序，不仅缩短了制作周期，也节省了成本。但小直径压力容器在制造过程中，其B类焊缝的无损检测常常只进行了20%RT，其检测长度不能满足GB150中规定的进行局部无损检测的A、B类焊接接头“检测长度不得少于……，且不小于250mm”的要求。如一台用φ325×8的无缝钢管制作的压力容器，环缝只作20%RT，双壁单影透照法，其检测长度为205mm。一次透照有效长度210mm，由此可见，作20%RT，只需用一张片即可，但其探伤长度却不足250mm，对φ325以下的规格更是如此。 此类设备在其环缝的返修过程中也存在相同问题。
      压力容器的制造厂为节省成本，不顾标准和图纸的要求，擅自改变焊缝的检测长度，其原因是容规没有这一规定，这种说法是强辩，因为国家质检总局多次强调，在容规与GB150发生冲突或有不一致时，按较严者执行。