谈压力容器的设计方法及维护
[摘要]：本文首先介绍了压力容器的特点和作用，主要介绍了压力容器的设计方法，最后阐述了压力容器的维护保养，尽可能做到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命，即使容器满足强度、刚度和稳定性的要求，此外，材料消耗低，制造、操作、安装和维修方便等。

[关键词]：压力容器设计方法维护
中图分类号：th49 文献标识码：th 文章编号：1009-914x （2012）12- 0192 -01
0 引言
压力容器的用途十分广泛。

它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。

压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。

此外，还配有安全装置、仪表及完成不同生产工艺作用的内件。

压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。

目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。

1 概述
压力容器的本身特点决定其安全性是核心问题，因此设计容器应当是以安全为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命，即使容器满足强度、
刚度和稳定性的要求，此外，考虑材料消耗低，制造、操作、安装和维修方便等。

2 设计理论基础
2.1 回转壳体的薄膜应力
工程实际中，薄壳指的是壳体厚度与其中间面最小主曲率半径的比值不超过1/10的薄壁壳体结构。

薄壁容器的外壳一般是这种，且其几何上对称于某一轴线的结构，故称回转薄壳。

容器薄壳通常承受的外部载荷对称于同一轴线，且支承条件也是轴对称。

由于载荷、结构是轴对称的，因而壳内的应力和变形均具有轴对称特点，这类壳体问题统称为回转壳体的轴对称问题。

分析壳体的应力有两种基本理论——“无力矩理论（薄膜理论）”与“有力矩理论”。

对于轴对称问题，壳体中面微元四个边上存在法向力nj、nq，弯矩mj、mq和横向力qj等五个内力分量（它们是沿微元侧边分布的单位长度的力与力矩）。

若nj、nq相对于mj、mq、qj大得多，可将后者忽略为零。

大大简化了计算。

这种壳体理论就是“无力矩理论”、反之考虑全部内力，就是“有力矩理论”。

2.2 压力容器的不连续应力
压力容器受内压作用时，考虑遍布全壳沿壁厚均匀分布的法向应力，或称薄膜应力。

但壳体必须满足一定的条件，使得壳体中弯曲引起的应力比薄膜应力小得多，因而忽略不计。

实际容器壳体，由于不同的薄膜应力而引起的不同位移将发生较大的弯曲变形，它产生的弯曲应力数值可以很大，仅用薄膜应力描述应力状态就不充
分了，需要采用有力矩理论考虑壳体的弯曲。

当考虑较简单的圆柱壳对称弯曲问题时，壳体中不仅有薄膜内力nj、nq，（其中还包含弯曲成分），还存在弯曲内力mj、mq、qj。

如果仅考虑力平衡关系，不能求出未知内力，如同材料力学中的静不定问题，要综合考虑力平衡条件、变形（几何）条件和物理条件三个方面，最后归结为求解弯曲问题的微分方程，即实际容器都是由两种（或两种以上）不同形状或厚度或材料的壳体组合而成，在外加载荷（机械载荷或热载荷）作用下，相邻壳体连接处的薄膜变形不相同，就发生了局部弯曲以保持器壁的连续性，在这些部位发生较高的附加应力，称为边缘效应或不连续效应，产生的附加应力，称为不连续应力。

2.3 圆形平板的应力
圆板或圆形环板是压力容器的重要构件。

按板厚 t 与中面特征尺寸 l（例如直径、边长）相比， t /l <<1（工程上，t / l < 1/5）称为薄板，否则称为厚板。

板在横向载荷作用下，将产生弯曲变形，板的最大弯曲挠度 w 与板厚相比，当 w / t <<1时称为小挠度板，否则为大挠度板。

本节的研究对象是在化工容器中常见的小挠度圆形薄板或圆环形薄板。

弹性薄板小挠度理论采用三个基本假设，即直线法、不挤压和中性面假设。

基于上述假设圆板仅处于双向弯曲状态，与壳体相比，板内将承受较大弯曲应力，而不同于壳体主要承受沿壳壁厚度均匀分布的拉（压）应力。

3 压力容器设计
3.1 壳体设计
压力容器按规则设计（design by rule）又称常规设计，特点是以弹性失效为准则，仅考虑静载作用（主要是内部介质压力作用），并以平均应力为基础导出设计计算公式。

我国压力容器常规设计以“钢制压力容器”国家标准（gb150）为依据。

本节介绍内压容器回转壳体（包括薄壁圆筒、球壳、凸形封头）的设计及平板封头设计。

中低压容器回转壳体的设计以无力矩理论为基础确定基本应力，用弹性失效准则，并以第一强度理论建立强度条件，即组合壳体设计时，各壳体厚度分别计算；对具有明显弯曲应力（或边缘效应）的壳体，在设计公式中引入应力增强系数或局部增加壁厚。

主要设计参数及选择原则：
（1）设计压力p：相应设计温度下用以确定壁厚的表压力，其值不得低于容器最高工作压力（指容器顶部最高压力）；对于装有液体的容器，当要计算的受压元件所在截面处的液柱静压力超过工作压力的5%时，应取上述设计压力与该液柱静压力之和对其进行设计。

（2）设计温度t：相应设计压力下容器正常工作时设定的受压元件的金属温度（壁厚方向平均温度），以确定许用应力，其值不得低于元件可能达到的最高金属温度，或0°c以下时不得高于元件可能达到的最低金属温度。

（3）焊缝系数j ：用以考虑容器焊缝区因焊接缺陷受到的强度削弱。

对于以环向应力（或者纵向应力）为依据的设计公式，j 指纵向（或者环向）焊缝系数，其值可根据焊缝型式及探伤要求确定。

3.2 法兰设计
法兰连接是化工容器、管道常用的一种可拆连接型式。

本节从如何满足法兰连接密封的可靠性、足够的强度等出发，简要介绍垫片、螺栓及法兰本体的设计等问题。

法兰连接通过紧固螺栓压紧垫片实现密封。

法兰密封的泄漏形式包括渗透泄漏和界面泄漏。

法兰通过螺栓压紧垫片时，垫片发生变形，提供垫片与密封面的压紧力，以形成压力介质通过密封面的阻力，当这种阻力大于密封元件两侧的介质压力差时，介质即被密封住。

垫片性能、螺栓力大小、密封面型式及尺寸精度、法兰刚度及操作条件等均影响密封的可靠性。

法兰设计方法很多，应用较多的是waters法，它是以弹性应力分析为基础的设计方法。

分析过程是将带颈整体法兰分为壳体、锥颈和法兰环三部分，然后利用薄壳理论和平板理论对三部分进行应力分析，经简化得设计公式。

非标准法兰从设计角度分为整体法兰和活套法兰。

3.3 开孔与补强设计
补强设计准则有等面积法、极限分析法、压力面积法等。

其中等面积法是开孔补强计算中应用最为广泛的方法。

3.4 局部应力计算
容器受其附件传来的载荷作用，在与附件连接的容器处产生局部应力。

对于容器的常规设计，往往只需对结构作适当的处理，当容器需要作疲劳分析时，必须计算壳体与附件连接处的最大应力。

4 压力容器维护保养
（1）加强压力容器在停用期间的维护对于长期或临时停用的压力容器，也应加强维护保养工作。

（2）经常保持压力容器的干燥和洁净，防止大气腐蚀。

（3）压力容器外壁涂刷油漆，防止大气腐蚀，还要注意保温层下和压力容器支座处的防腐等。

（4）压力表应保持洁净，表盘上的玻璃必须明亮清晰，使表内指针所指示的压力值清楚易见。

（5）安全阀经常保持洁净，防止阀体或弹簧等被油垢或脏物所粘满或锈蚀，防止安全阀的排放管被油垢或其他异物堵塞和冬季积水冻结。

（6）压力容器的附件零件必须保持齐全、完好无损。

参考文献
[1] tsg r0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程[m].
[2] tsg r7001-2004，压力容器定期检验规则[m].
[3] 王威强，吴俊飞编著. 承压设备安全技术与监察管理[m].北京：化学工业出版社，2008.
[4] 中华人民共和国化学工业部.hg/t20592～20635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件[s].北京：中国计划出版社，2009。