浅谈压力容器设计中若干易犯的错误

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摘 要：本文介绍了压力容器的设计要点，针对设计过程中的容器类别划分、标准法兰的最高允许工作压力、焊接接头系数、低温容器、材料复验和安全阀整定压力六个方面易犯的错误一一列举，并进行分析和总结，意在给压力容器设计者一定的参考和指导作用。

关键词：压力容器，容器类别，最高允许工作压力，焊接接头系数，低温容器，复验，安全阀

一、压力容器简介

压力容器是指在工业生产中用于完成反应、换热、分离和储存等生产工艺过程，自身承受内压、外压作用的密闭容器，见图1。压力容器是一种具有爆炸危险的特种设备，特种设备的安全技术规范是由国家质检总局特种设备安全监察局归口管理的。压力容器若发生安全问题，将会对人民的生命和财产造成不可估量的损失，而设计作为第一道关口，在整个压力容器行业中起着至关重要的作用。

二、压力容设计要点

1、严格执行压力容器标准

压力容器作为一个历史悠久的行业，每个国家都有自己的标准，我国有GB150-2011《压力容器》、压力容器法规TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称固容规）；美国有ASME规范；欧盟有EN13445标准等。每个国家的标准都有许多类似的地方，也有很多不同的地方，随着我国加入WTO后，出口的设备也越来越多，应严格执行每个设备的设计标准，不能曲解标准、随意发挥。

2、充分考虑安全性与经济性

压力容器的安全性是首要的，经济性也应充分考虑。随着我国节能减排政策的执行，固容规中已经将节能要求写进来。考虑经济性不仅仅是单纯追求减小容器的壁厚，减轻容器的重量，还应包括：确保使用要求的前提下，尽量选择简单的结构形式；确保其使用年限的前提下，尽量选择低价格的耐用材料和适当的腐蚀余量；确保其刚度，强度，稳定性的安全前提下，采用尽可能小的组件结构尺寸；确保其制造质量的前提下，尽量减少制造难度，减少检测检验环节中的过高要求[1]。

三、压力容器设计中易犯的错误

1、判断容器的类别前，未准确判断容器是否属于固容规管辖

在压力容器类别划分中，对初做设计者最易犯的错误是在没有准确判断容器是否属于固容规管辖前，就开始给设备划类别。划类的前提是首先要判断是否属于固容规管辖，只有属于管辖范围内的，才有类别可言。属于固容规管辖必须遵守三个条件：①工作压力大于等于0.1MPa（表压）；②工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa.L；③盛装介质为气体、液化气体以及最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体[2]。以下为几个要点：

（1）判断上类与否，采用的是工作压力；而当已经判断上类，判断属哪一类时，采用的是设计压力。

（2）特别是对③的理解：当容器内介质为最高温度低于其标准沸点的液体时，如果有气相空间，气相空间的容积与工作压力的乘积大于或者等于2.5MPa.L时，也属于固容规管辖的范围。举例来说，一个盛水的设备，工作压力大于0.1MPa，如果最高工作温度低于标准沸点，则不能直接判断不属于容规管辖范围，应该看看是否有气相空间，如果气相空间的容积（考虑最低液位）与气相空间的工作压力的乘积大于或者等于2.5MPa.L，则仍然属于容规的管辖范围。

（3）当判断属于固容规管辖后，再按照固容规的附录A中的图A-1和图A-2 ，根据介质组别、按照设计压力及全容积进行类别的划分。

2、采用标准法兰未考虑温度、材质对最高允许工作压力的影响

压力容器中标准的管法兰是免算的，我国的管法兰标准为HG/T20592～20635《钢制管法兰、垫片和紧固件》，在实际应用中，根据设备的设计压力、设计温度和管法兰的材质选取相应的管法兰等级，比如：设计压力为1MPa，选用的管法兰等级应至少为PN16，但很容易忽视的问题是：没有考虑材质，没有考虑温度对法兰的最高允许工作压力的影响。举例来说：一台设备的设计压力为3.5MPa，设计温度为300℃，管法兰材质为S30408Ⅱ（材料类别划分为2C1）[3]。这个时候，不能简单地认为选取PN40（4.0MPa）等级的法兰就够了，应该查钢制管法兰最大允许工作压力表格，见表1[3]，查表后发现S30408Ⅱ，在300℃时最高允许工作压力为2.27MPa，远远不能满足要求，所以需要把法兰等级至少再上一个档次，增加到PN63，最大允许工作压力才能大于3.5MPa，见表2[3]。

平时所说的PN16就相当于1.6MPa，仅仅适合于常温下的碳钢材料，对于高合金钢材料，特别是在温度较高的时候，最高允许工作压力下降得很多，在设计时一定要留意，否则会造成很严重的后果。

3、认为焊接接头系数φ取1.0，可以节省材料，最经济合理

（1）标准要求

① 按照GB150.1-2011 中4.5.2.2的要求：钢制压力容器的焊接接头系数规定如下[4]：

a）双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头

1）全部无损检测，取φ=1.0；

2）局部无损检测，取φ=0.85；

b）单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）

1）全部无损检测，取φ=0.9；

2）局部无损检测，取φ=0.8；

② 在GB150.4-2011中10.3.1对需要全部射线或超声检测的条件，此处仅摘录前5条：

设计压力大于或等于1.6MPa的第Ⅲ类压力容器；采用气压或气液组合耐压试验的容器；焊接接头系数取1.0的容器；使用后需要但是无法进行内部检测的容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器等[5]。

（2）分析

如果是标准要求必须全部无损检测的，焊接接头系数φ必须取1.0，但是在实际设计中，也有很多需要判断、权衡利弊的地方，焊接接头系数取1.0，则计算出来的厚度薄，在原材料上面有节省；但缺点是：无损检测比例加大，增加拍片费用；相反，如果焊接接头系数取0.85，则利弊相反。以下是几个经验总结：