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摘要：本文就压力容器的耐压试验压力的确定、管材的选用、封头的设计选用以及设计中应注意的一些其他问题等几个方面对压力容器的设计进行了讨论。
关键词：压力容器；设计；问题
压力容器广泛应用于国民经济工农业生产和人民生活的各个领域，根据不同的用途，压力容器可以有各种不同的尺寸和形状，可以承受不同的压力和使用在不同的温度下，其盛装的介质可以是各种不同的物态、物性，或具有特殊的化学腐蚀、易燃、易爆或毒性危害。
由于压力容器在化工领域的重要性及危险性，现就以下内容简单阐述压力容器设计的心得体会。
1.压力容器耐压试验压力的确定
压力容器在新制造或检修后需要用超过设计压力的试验压力进行压力试验，以检验容器的宏观强度、焊接接头的致密性和密封结构的严密性。除了因结构、介质及现场条件等限制外，大部分压力容器的耐压试验均以液压试验为主。
GB/T 150.1～150.4-2011《压力容器》标准中对液压试验压力的计算进行了规定，但由于对标准、操作规范的理解，在实际设计过程中经常会出现问题，下面举例说明。
一台压力容器的设计压力为1.45MPa，设计温度为60℃，主体材质为Q345R，不考虑液柱静压力等因素的影响，则按照标准计算得出的液压试验压力值=1.25*1.45=1.8125，此时会出现如下几种错误：
1、设计人员直接将计算所得的1.8125MPa定义为该容器的液压试验压力值；
2、设计人员保留小数点后两位有效数字，并按照四舍五入的原则，将1.81MPa定义为该容器的液压试验压力值；
3、设计人员保留小数点后三位有效数字，并按照四舍五入的原则，将1.813MPa定义为该容器的液压试验压力值.
出现上述错误的原因，主要在于：
1、设计人员未正确理解标准对液压试验的要求，标准中计算公式所得到的计算值为最低试验压力值，即实际所定义的试验压力值不得低于计算值；
2、设计人员未正确理解液压试验所用压力表的要求，实际试验时所用的压力表只能估读到小数点后两位，即实际所定义的试验压力值只能保留小数点后两位有效数字。
结合标准和实际试验时所用压力表的要求，该容器正确的液压试验压力值应为1.82MPa。
2 压力容器管材的选用
压力容器根据工艺流程或制造的需求，会设置不同用途、口径的接口，连接这些接口与压力容器本体需要用管材，标准对不同管材的适用范围进行了明确的规定，但在具体设计过程中会出现不同的错误，下面举例进行说明。
设计压力为4.2MPa的压力容器，某一接管壁厚为16mm，接管材料选用GB/T 8163-2008《输送流体用无缝钢管》中的20钢管。这样出现了两个问题，其一，GB/T 150.1～150.4-2011《压力容器》标准中对GB/T 8163-2008材料的允许壁厚为≤10mm，而该容器所用接管壁厚超过允许范围；其二，GB/T 8163-2008材料的设计压力适用范围为≤4.0MPa，而该容器的设计压力为4.2MPa，超过了允许范围，属于典型的压力容器材料选择不当的案例，实际设计过程中应予以避免。
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３ 封头的设计选用
压力容器常用封头的形式较多，有半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和锥壳等。采用什么形式的封头要根据工艺流程的要求和制造的难易程度等情况来综合确定，一般应优先选用GB/T 25198-2010《压力容器封头》标准中推荐的形式，下面就常用封头的受力和结构特点、适用场合等进行简单介绍。
3.1 半球形封头
在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒的一半，从受力分析的角度来看，半球形封头是最理想的结构形式。但其缺点是深度大，小直径整体冲压困难，大直径分瓣冲压，拼焊工作量也较大。半球形封头常用在高压容器上。
3.2 椭圆形封头
椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒直边段组成，设置直边段的目的是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，改善焊缝的受力状况。由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。
3.3 碟形封头
碟形封头是带折边的球面封头，由半径为Ri 的球面体、半径为r 的过渡段和短圆筒直边段等三部分组成，从几何形状看，碟形封头是一个不连续的曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其他部位，故受力状况不佳。但过渡段的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，使碟形封头的应用较为广泛。
3.4 锥壳
轴对称锥壳可分为无折边锥壳和折边锥壳。由于结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，还可作为不同直径圆筒的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。
4.设计中应注意的一些其他问题
4.1补强圈结构
对于低温、高温、高压或者承受应力腐蚀的压力容器，尽量避免采用补强圈结构进行补强设计。补强圈结构施工相对容易，但补强效果差，补强圈与壳体之间的间隙是不可避免的，应力很复杂，符合上述条件的压力容器，设计人员尽量采用整体补强结构。
4.2压力容器法兰与圆筒对接焊缝的无损检测
NB/T 47020-2012《压力容器法兰、垫片、紧固件》标准6.6.1.2规定：“对长颈法兰，当工作压力大于或等于0.8倍本标准中规定的最大允许工作压力时，法兰与圆筒的对接焊缝必须进行100%的射线或超声检测，当法兰所在容器图样对容器壳体的检测要求未能满足上述要求时，则该要求应在图样中标明”。此条要求在设计过程中经常被忽略，笔者在校对、审核图纸中碰到多次此类问题，如果容器壳体本身是100%射线或超声检测，则图样中不用再单独标明，但容器壳体本身是局部射线或超声检测时，按照标准的要求，设计人员应在图样中标明该检测要求。
4.3材料代用
压力容器在制造过程中，不可避免会出现材料代用，按照GB/T 150.1～150.4-2011《压力容器》的要求：“压力容器制造或现场组焊单位对受压元件用钢材的代用，应事先取得原设计单位的书面批准，并在竣工图上做详细记录”。在发生受压元件材料代用时，设计人员应该综合考虑材料性能、工艺介质的特殊要求，举一例进行说明：
图纸中钢管选用外径114mm，壁厚8mm的20钢管，材料标准为GB/T 8163-2008《输送流体用无缝钢管》，制造厂提出用GB 6479-2000 《高压化肥设备用无缝钢管》20钢管进行材料代用，设计人员应注意按照GB/T 150.1～150.4-2011《压力容器》标准，对代用钢管的含硫量、冲击功指标等提出要求，避免发生问题。
5.结束语
以上讨论了压力容器设计方面的一些问题，由于压力容器的特殊性，设计人员在具体设计过程中碰到的问题是多种多样的，比本文中讨论的问题要更复杂，所以只有全面考虑，兼顾工艺流程、标准规范、制造工艺等各个方面，同时抓住每台压力容器自身的特点，注意一些设计中容易出错的地方，才能把压力容器的设计做的更好。
参考文献
[1]GB/T 150.1～150.4-2011压力容器[S]
[2]王非编.化工压力容器设计―方法、问题和要点[M].北京：化学工业出版社，2008
论文作者:杨黎民
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/17
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