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压力容器的机械强度设计研究

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摘要:压力容器在民用、军工等生产制造部门较为常见,还经常应用在科学研究领域中,其中以石油化工、化学工业中应用频率最高,压力容器占石油化学工业总容器的50%左右,主要用于反应、传质、传热、运输、存储等环节,压力容器应用普遍性可见一斑,一旦压力容器机械强度无法得到保障,将直接影响工业企业生产加工综合成效。本文通过简单探讨压力容器机械强度可靠性设计方略,以期为提高压力容器机械强度提供依据。

关键词:压力容器;机械强度;可靠性;设计

压力容器(pressurevessel)主要是指承装液体或气体且承载一定压力的设备,该设备呈密闭状态,为保障压力容器安全稳定、可以有效应用在工业企业及相关领域中,我国推行《压力容器安全技术监察规程》,针对压力容器介质危害性、工作压力、生产作用进行规范,确保压力容器设计、制造、应用安全有效。然而,相较于西方发达国家,我国压力容器设计、制造经验相对较少,加之与压力容器机械强度相关研究基础较为薄弱,无法保障压力容器机械强度全部达标,这也为本次研究创造条件。基于此,为提高压力容器机械强度,在总结以往研究与实践经验基础上,简单探讨压力容器机械强度可靠性设计方略显得尤为重要。

1简单探讨压力容器机械强度可靠性设计基础理论

压力容器泛指一切承受压力的密闭容器,如空气压缩机、贮气罐、油水分离器、冷却器、蒸发器等,压力容器具有以下几个特点:一是将≥0.1MPa设为工作压力;二是将≥0.15m设为压力容器内部直径,将≥0.25m3设为该容器容积;三是将《压力容器安全技术监察规程》视为压力容器机械强度可靠性设计规范,其介质是与标准沸点相等的气体、液体。为保障压力容器机械强度可靠性设计科学、合理,需从几个方面分析相关基本理论:一是设计工艺参数。设计工艺参数作为保障压力容器机械强度可靠性的基础,囊括温度、压力、介质三大方面,其中设计压力在设计温度下产生,在确定该容器属性基础上,对其元件尺寸、壁厚进行设计,依据压力容器正常工作状态下,金属元件所需承受的温度予以设计,介质参数设计囊括易燃介质(空气爆炸上限、下限均等于20%,或空气混合爆炸下限<10%)、毒性介质(轻度危害、中度危害、高度危害、极度危害)、腐蚀介质(盐酸、硫酸、硝酸、环氧酸等),依据相关规范及压力容器使用需求予以设计,为落实压力容器机械强度可靠性设计目标奠定基础;二是制定压力容器机械强度设计基本要求。针对压力容器强度(抵抗过量变形、破裂的能力)、刚度(抵抗弹性变形的能力)、稳定性(抵抗外部载荷的能力)、耐久性(抵抗机械磨损的能力)、密封性(抵抗介质泄露的能力),依据压力容器分类情况制定设计要求;三是规范压力容器机械强度可靠性设计成果检验标准。在设计得出压力容器后,需针对该容器基本结构(储罐、扩大器、加热容器、收缩器、分离器、特殊容器等)、基本组成(筒体、封头、端盖、法兰、接管、支座、手孔等)、安全附件(安全阀、压力表、液位计、温度计、阀门等)、内件(折流板、导流挡板、折流碗等)等设计检验标准,避免压力容器元件出现影响其机械强度可靠性消极现象;四是压力容器机械强度可靠性设计原则。压力容器机械强度可靠性设计需秉持经济性、安全性并重原则,确保该容器密闭性良好、结构完整,可以最大程度上节省设计及制造所需原材料,降低该容器后期运维成本[1]。

2简单探讨压力容器机械强度可靠性设计基本步骤

基于压力容器类型、作用存在差异性,其对机械强度可靠性设计的要求不尽相同,为此设计人员需从实际出发,在经济性、安全性并重原则指引下,遵循《压力容器安全技术监察规程》,依据压力容器设计参数,大体将其机械强度可靠性设计分为以下几个步骤:第一,计算设计参数。在明确压力容器工艺参数后,将其带入压力容器设计公式中,通过计算得出其机械强度可靠性设计数值,为精准落实设计目标奠定基础;第二,明确工件故障概率。影响压力容器机械强度的因素很多,为此设计人员需在设计前掌握工件故障概率,继而通过科学设计降低该容器故障发生几率;第三,掌握故障分布规律。容器大小、壁厚、口径、腐蚀率等因素均会影响压力容器机械强度可靠性,为此设计人员需从压力容器整体出发,在工件故障概率加持下,探寻该容器常规应用条件下故障分布规律,并确定其机械强度可靠度指数;第四,合理选择制造材料。压力容器对制造材料参数有一定要求,如受载参数、形变参数、抗腐蚀参数等,为此需依据设计标准合理选择制造材料,达到保障压力容器机械强度可靠性的目的;第五,计算应力均值。在掌握压力容器故障分布规律基础上,依据可靠度指数设计该容器应力均值;第六,压力容器尺寸与应力均值存在关联,在得到应力均值后可设计压力容器壁厚尺寸,助力技术人员完成压力容器设计任务[2]。

3简单探讨压力容器机械强度可靠性设计价值

所谓“可靠性”主要是指压力容器在正常应用情况下,其可充分发挥相关功能,不会出现影响该容器所在企业及工艺流程生产制造正常性、稳定性、安全性,压力容器运维成本可控,使用寿命相对较长,继而凸显压力容器机械强度可靠性设计价值。为保障设计人员可有效践行压力容器机械强度可靠性设计理论,并依据该容器设计步骤完成相关工作,保障压力容器机械强度达标,需对压力容器机械强度可靠性设计价值予以简单探讨,旨在引导设计人员树立压力容器机械强度可靠性设计意识,为落实该容器可靠性设计目标夯实人力基石。(一)提高产品质量。压力容器种类繁多,依据工业企业及科学研究等领域对压力容器的切实需求,该容器结构、类型、元件配置复杂程度将不断提升,影响该容器机械强度可靠性的因素随之增多,需技术人员在生产制造压力容器前做好设计工作,从该容器实际应用需求着手,深入分析影响该容器可靠性的因素,以此为出发点制定设计方案,确保压力容器性能稳定、结构合理、安全可靠,为充分发挥该容器应用能效,提高该产品质量奠定基础。(二)推动压力容器生产制造企业朝着产业化、集约化方向发展。为保障压力容器生产制造企业可以获取更高经济收益,该企业需在经济性、安全性并行原则指引下,科学设计压力容器机械强度制造方案,确保其机械强度达标,总结该容器机械强度可靠性设计经验,使企业在生产制造压力容器时可以少走弯路,避免在该容器试验生产环节浪费过多资源,在保障该容器性能稳定、安全可靠基础上,推动相关企业朝着集约化、产业化方向发展,继而为相关企业带来更高经济收益[3]。

4简单探讨压力容器机械强度可靠性设计指标

4.1可靠性指标

压力容器机械强度可靠性指标主要是指该容器在特定应用条件下,发挥自身功能且稳定运行的概率,通常情况下压力容器机械强度可靠性指标用“R”表示,影响该指标的因素主要有研究对象、功能实现、作用条件、研究时间、概率值等,为方便设计人员应用该指标,完成压力容器机械强度可靠性设计任务,可以将可靠性指标用如下公式表示:R=R(t),其中“t”表示压力容器应用周期。

4.2维修性指标

维修性指标主要是指产品在发生故障后,在指定条件下完成维修任务的概率,为此维修性指标与压力容器维修难度、维修条件、维修用时等因素息息相关,需技术人员在掌握压力容器维修方法基础上,适当提高维修速率,使该产品可以在短期内达到维修前的工作状态,降低压力容器机械故障对其所在企业或工艺流程中的消极影响。

4.3安全性指标

压力容器安全设计成效与压力容器机械强度成正比,为此需技术人员关注该容器安全性指标,降低该容器失效率。通过分析压力容器机械强度安全性设计研究成果可知,从19世纪80年代开始,国际社会着手研究压力容器安全性指标,其中美国、英国、德国等西方发达国家压力容器机械强度及其安全性相对较高,其中德国压力容器机械强度安全性研究数据是国际通行标准制定依据。这表明我国还需在学习国际先进研究成果基础上,加大压力容器机械强度可靠性设计研究力度,确保该容器生产制造符合本国工业企业及科学研究等领域的应用要求,为提高该容器安全稳定性奠定基础。

5简单探讨压力容器机械强度可靠性设计基本方法

5.1关注极限应用情况

压力容器在工作状态下会改变筒体壁厚,加之受筒体应力影响,会使筒体出现受力不均局部形变现象,为此在设计压力容器时需率先分析筒体工作环境参数,从应力、腐蚀速率、压力等因素着手,科学设计筒体壁厚,密切关注壁厚与腐蚀率的关系,为科学设计该容器壁厚奠定基础,避免压力容器筒体存在屈服失效、出现裂痕、腐蚀严重等质量问题,这就需要技术人员关注压力容器极限状态,旨在通过设计提高压力容器可靠性。

5.2科学应用受压材料

受压材料质量直接影响压力容器机械强度可靠性,为此需技术人员依据该容器设计压力、腐蚀环境等客观因素合理选择受压材料。除保障受压材料质量外,还需设计人员遵循国家标准,合理选择该容器介质,降低介质对受压材料的消极影响,同时压力容器内部结构需设计得科学、合理,达到提高该容器机械强度可靠性的目的。

6结束语

综上所述,基于压力容器应用领域及工艺环节存在差异性,该容器在设计进程中的可靠性指标、维修性指标、安全性指标不尽相同,以此为基础所设计的内部结构、容器壁厚,以及该容器生产制造所需受压材料均有区别,这就要求设计人员从实际出发,在累积压力容器设计及制造经验基础上,关注该容器极限运行情况,科学应用受压材料,遵循国家规范及经济性、安全性并行原则,积极创新设计压力容器,为提高压力容器机械强度可靠性奠定基础。

参考文献:

[1]崔健,郭树平,李肖蔚.压力容器的机械强度可靠性设计分析[J].技术与市场,2016,23(5):224-224.

[2]宋冲,白宇.对压力容器的机械强度可靠性设计的探讨[J].商品与质量,2016(3):107-107,108.

[3]黄胜.对压力容器的机械强度可靠性设计的探讨[J].山东工业技术,2015(24):44.

作者:田旭 单位:辽东学院

压力容器的机械强度设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次
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