壓力容器的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：壓力容器在民用、軍工等生產(chǎn)制造部門較為常見(jiàn)，還經(jīng)常應(yīng)用在科學(xué)研究領(lǐng)域中，其中以石油化工、化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用頻率最高，壓力容器占石油化學(xué)工業(yè)總?cè)萜鞯?0%左右，主要用于反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)，壓力容器應(yīng)用普遍性可見(jiàn)一斑，一旦壓力容器機(jī)械強(qiáng)度無(wú)法得到保障，將直接影響工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)加工綜合成效。本文通過(guò)簡(jiǎn)單探討壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方略，以期為提高壓力容器機(jī)械強(qiáng)度提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓力容器；機(jī)械強(qiáng)度；可靠性；設(shè)計(jì)

壓力容器（pressurevessel）主要是指承裝液體或氣體且承載一定壓力的設(shè)備，該設(shè)備呈密閉狀態(tài)，為保障壓力容器安全穩(wěn)定、可以有效應(yīng)用在工業(yè)企業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域中，我國(guó)推行《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，針對(duì)壓力容器介質(zhì)危害性、工作壓力、生產(chǎn)作用進(jìn)行規(guī)范，確保壓力容器設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用安全有效。然而，相較于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，加之與壓力容器機(jī)械強(qiáng)度相關(guān)研究基礎(chǔ)較為薄弱，無(wú)法保障壓力容器機(jī)械強(qiáng)度全部達(dá)標(biāo)，這也為本次研究創(chuàng)造條件。基于此，為提高壓力容器機(jī)械強(qiáng)度，在總結(jié)以往研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單探討壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方略顯得尤為重要。

1簡(jiǎn)單探討壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論

壓力容器泛指一切承受壓力的密閉容器，如空氣壓縮機(jī)、貯氣罐、油水分離器、冷卻器、蒸發(fā)器等，壓力容器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是將≥0.1MPa設(shè)為工作壓力；二是將≥0.15m設(shè)為壓力容器內(nèi)部直徑，將≥0.25m3設(shè)為該容器容積；三是將《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》視為壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范，其介質(zhì)是與標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)相等的氣體、液體。為保障壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，需從幾個(gè)方面分析相關(guān)基本理論：一是設(shè)計(jì)工藝參數(shù)。設(shè)計(jì)工藝參數(shù)作為保障壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性的基礎(chǔ)，囊括溫度、壓力、介質(zhì)三大方面，其中設(shè)計(jì)壓力在設(shè)計(jì)溫度下產(chǎn)生，在確定該容器屬性基礎(chǔ)上，對(duì)其元件尺寸、壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)壓力容器正常工作狀態(tài)下，金屬元件所需承受的溫度予以設(shè)計(jì)，介質(zhì)參數(shù)設(shè)計(jì)囊括易燃介質(zhì)（空氣爆炸上限、下限均等于20%，或空氣混合爆炸下限＜10%）、毒性介質(zhì)（輕度危害、中度危害、高度危害、極度危害）、腐蝕介質(zhì)（鹽酸、硫酸、硝酸、環(huán)氧酸等），依據(jù)相關(guān)規(guī)范及壓力容器使用需求予以設(shè)計(jì)，為落實(shí)壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)；二是制定壓力容器機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本要求。針對(duì)壓力容器強(qiáng)度（抵抗過(guò)量變形、破裂的能力）、剛度（抵抗彈性變形的能力）、穩(wěn)定性（抵抗外部載荷的能力）、耐久性（抵抗機(jī)械磨損的能力）、密封性（抵抗介質(zhì)泄露的能力），依據(jù)壓力容器分類情況制定設(shè)計(jì)要求；三是規(guī)范壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)成果檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)得出壓力容器后，需針對(duì)該容器基本結(jié)構(gòu)（儲(chǔ)罐、擴(kuò)大器、加熱容器、收縮器、分離器、特殊容器等）、基本組成（筒體、封頭、端蓋、法蘭、接管、支座、手孔等）、安全附件（安全閥、壓力表、液位計(jì)、溫度計(jì)、閥門等）、內(nèi)件（折流板、導(dǎo)流擋板、折流碗等）等設(shè)計(jì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，避免壓力容器元件出現(xiàn)影響其機(jī)械強(qiáng)度可靠性消極現(xiàn)象；四是壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)原則。壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)需秉持經(jīng)濟(jì)性、安全性并重原則，確保該容器密閉性良好、結(jié)構(gòu)完整，可以最大程度上節(jié)省設(shè)計(jì)及制造所需原材料，降低該容器后期運(yùn)維成本［1］。

2簡(jiǎn)單探討壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)基本步驟

基于壓力容器類型、作用存在差異性，其對(duì)機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)的要求不盡相同，為此設(shè)計(jì)人員需從實(shí)際出發(fā)，在經(jīng)濟(jì)性、安全性并重原則指引下，遵循《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，依據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)，大體將其機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：第一，計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)。在明確壓力容器工藝參數(shù)后，將其帶入壓力容器設(shè)計(jì)公式中，通過(guò)計(jì)算得出其機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)數(shù)值，為精準(zhǔn)落實(shí)設(shè)計(jì)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)；第二，明確工件故障概率。影響壓力容器機(jī)械強(qiáng)度的因素很多，為此設(shè)計(jì)人員需在設(shè)計(jì)前掌握工件故障概率，繼而通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)降低該容器故障發(fā)生幾率；第三，掌握故障分布規(guī)律。容器大小、壁厚、口徑、腐蝕率等因素均會(huì)影響壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性，為此設(shè)計(jì)人員需從壓力容器整體出發(fā)，在工件故障概率加持下，探尋該容器常規(guī)應(yīng)用條件下故障分布規(guī)律，并確定其機(jī)械強(qiáng)度可靠度指數(shù)；第四，合理選擇制造材料。壓力容器對(duì)制造材料參數(shù)有一定要求，如受載參數(shù)、形變參數(shù)、抗腐蝕參數(shù)等，為此需依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)合理選擇制造材料，達(dá)到保障壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性的目的；第五，計(jì)算應(yīng)力均值。在掌握壓力容器故障分布規(guī)律基礎(chǔ)上，依據(jù)可靠度指數(shù)設(shè)計(jì)該容器應(yīng)力均值；第六，壓力容器尺寸與應(yīng)力均值存在關(guān)聯(lián)，在得到應(yīng)力均值后可設(shè)計(jì)壓力容器壁厚尺寸，助力技術(shù)人員完成壓力容器設(shè)計(jì)任務(wù)［2］。

3簡(jiǎn)單探討壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)價(jià)值

所謂“可靠性”主要是指壓力容器在正常應(yīng)用情況下，其可充分發(fā)揮相關(guān)功能，不會(huì)出現(xiàn)影響該容器所在企業(yè)及工藝流程生產(chǎn)制造正常性、穩(wěn)定性、安全性，壓力容器運(yùn)維成本可控，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，繼而凸顯壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)價(jià)值。為保障設(shè)計(jì)人員可有效踐行壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)理論，并依據(jù)該容器設(shè)計(jì)步驟完成相關(guān)工作，保障壓力容器機(jī)械強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，需對(duì)壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)價(jià)值予以簡(jiǎn)單探討，旨在引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員樹(shù)立壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)意識(shí)，為落實(shí)該容器可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)夯實(shí)人力基石。（一）提高產(chǎn)品質(zhì)量。壓力容器種類繁多，依據(jù)工業(yè)企業(yè)及科學(xué)研究等領(lǐng)域?qū)毫θ萜鞯那袑?shí)需求，該容器結(jié)構(gòu)、類型、元件配置復(fù)雜程度將不斷提升，影響該容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性的因素隨之增多，需技術(shù)人員在生產(chǎn)制造壓力容器前做好設(shè)計(jì)工作，從該容器實(shí)際應(yīng)用需求著手，深入分析影響該容器可靠性的因素，以此為出發(fā)點(diǎn)制定設(shè)計(jì)方案，確保壓力容器性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理、安全可靠，為充分發(fā)揮該容器應(yīng)用能效，提高該產(chǎn)品質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。（二）推動(dòng)壓力容器生產(chǎn)制造企業(yè)朝著產(chǎn)業(yè)化、集約化方向發(fā)展。為保障壓力容器生產(chǎn)制造企業(yè)可以獲取更高經(jīng)濟(jì)收益，該企業(yè)需在經(jīng)濟(jì)性、安全性并行原則指引下，科學(xué)設(shè)計(jì)壓力容器機(jī)械強(qiáng)度制造方案，確保其機(jī)械強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，總結(jié)該容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使企業(yè)在生產(chǎn)制造壓力容器時(shí)可以少走彎路，避免在該容器試驗(yàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)浪費(fèi)過(guò)多資源，在保障該容器性能穩(wěn)定、安全可靠基礎(chǔ)上，推動(dòng)相關(guān)企業(yè)朝著集約化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，繼而為相關(guān)企業(yè)帶來(lái)更高經(jīng)濟(jì)收益［3］。

4簡(jiǎn)單探討壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)

4.1可靠性指標(biāo)

壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性指標(biāo)主要是指該容器在特定應(yīng)用條件下，發(fā)揮自身功能且穩(wěn)定運(yùn)行的概率，通常情況下壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性指標(biāo)用“R”表示，影響該指標(biāo)的因素主要有研究對(duì)象、功能實(shí)現(xiàn)、作用條件、研究時(shí)間、概率值等，為方便設(shè)計(jì)人員應(yīng)用該指標(biāo)，完成壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)任務(wù)，可以將可靠性指標(biāo)用如下公式表示：R=R（t），其中“t”表示壓力容器應(yīng)用周期。

4.2維修性指標(biāo)

維修性指標(biāo)主要是指產(chǎn)品在發(fā)生故障后，在指定條件下完成維修任務(wù)的概率，為此維修性指標(biāo)與壓力容器維修難度、維修條件、維修用時(shí)等因素息息相關(guān)，需技術(shù)人員在掌握壓力容器維修方法基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高維修速率，使該產(chǎn)品可以在短期內(nèi)達(dá)到維修前的工作狀態(tài)，降低壓力容器機(jī)械故障對(duì)其所在企業(yè)或工藝流程中的消極影響。

4.3安全性指標(biāo)

壓力容器安全設(shè)計(jì)成效與壓力容器機(jī)械強(qiáng)度成正比，為此需技術(shù)人員關(guān)注該容器安全性指標(biāo)，降低該容器失效率。通過(guò)分析壓力容器機(jī)械強(qiáng)度安全性設(shè)計(jì)研究成果可知，從19世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)際社會(huì)著手研究壓力容器安全性指標(biāo)，其中美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家壓力容器機(jī)械強(qiáng)度及其安全性相對(duì)較高，其中德國(guó)壓力容器機(jī)械強(qiáng)度安全性研究數(shù)據(jù)是國(guó)際通行標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)。這表明我國(guó)還需在學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)研究成果基礎(chǔ)上，加大壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)研究力度，確保該容器生產(chǎn)制造符合本國(guó)工業(yè)企業(yè)及科學(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用要求，為提高該容器安全穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

5簡(jiǎn)單探討壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)基本方法

5.1關(guān)注極限應(yīng)用情況

壓力容器在工作狀態(tài)下會(huì)改變筒體壁厚，加之受筒體應(yīng)力影響，會(huì)使筒體出現(xiàn)受力不均局部形變現(xiàn)象，為此在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)需率先分析筒體工作環(huán)境參數(shù)，從應(yīng)力、腐蝕速率、壓力等因素著手，科學(xué)設(shè)計(jì)筒體壁厚，密切關(guān)注壁厚與腐蝕率的關(guān)系，為科學(xué)設(shè)計(jì)該容器壁厚奠定基礎(chǔ)，避免壓力容器筒體存在屈服失效、出現(xiàn)裂痕、腐蝕嚴(yán)重等質(zhì)量問(wèn)題，這就需要技術(shù)人員關(guān)注壓力容器極限狀態(tài)，旨在通過(guò)設(shè)計(jì)提高壓力容器可靠性。

5.2科學(xué)應(yīng)用受壓材料

受壓材料質(zhì)量直接影響壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性，為此需技術(shù)人員依據(jù)該容器設(shè)計(jì)壓力、腐蝕環(huán)境等客觀因素合理選擇受壓材料。除保障受壓材料質(zhì)量外，還需設(shè)計(jì)人員遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，合理選擇該容器介質(zhì)，降低介質(zhì)對(duì)受壓材料的消極影響，同時(shí)壓力容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)需設(shè)計(jì)得科學(xué)、合理，達(dá)到提高該容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性的目的。

6結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于壓力容器應(yīng)用領(lǐng)域及工藝環(huán)節(jié)存在差異性，該容器在設(shè)計(jì)進(jìn)程中的可靠性指標(biāo)、維修性指標(biāo)、安全性指標(biāo)不盡相同，以此為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、容器壁厚，以及該容器生產(chǎn)制造所需受壓材料均有區(qū)別，這就要求設(shè)計(jì)人員從實(shí)際出發(fā)，在累積壓力容器設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，關(guān)注該容器極限運(yùn)行情況，科學(xué)應(yīng)用受壓材料，遵循國(guó)家規(guī)范及經(jīng)濟(jì)性、安全性并行原則，積極創(chuàng)新設(shè)計(jì)壓力容器，為提高壓力容器機(jī)械強(qiáng)度可靠性奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［1］崔健,郭樹(shù)平,李肖蔚.壓力容器的機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)分析［J］.技術(shù)與市場(chǎng),2016,23(5):224-224.

［2］宋沖,白宇.對(duì)壓力容器的機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)的探討［J］.商品與質(zhì)量,2016(3):107-107,108.

［3］黃勝.對(duì)壓力容器的機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)的探討［J］.山東工業(yè)技術(shù),2015(24):44.

作者：田旭 單位：遼東學(xué)院