压力容器设计使用寿命探讨
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摘要：在压力容器中，其设计寿命与使用寿命并不完全等同，其设计寿命的合理选取需要设计者有一定的经验，根据压力容器介质的腐蚀速率，需对材料的磨损冲蚀与材料特性进行充分考虑，制定出最佳的压力容器使用年限。本文主要对影响压力容器设计使用寿命的因素进行分析并提出了相应的对策，以期为设计者提供有效参考。
关键词：压力容器;设计使用寿命;腐蚀;疲劳
随着国内社会经济的不断发展，人们对压力容器的设计寿命提出了更高的要求，以适应新时代的发展需要。因此，在设计压力容器的过程中，要对其进行精准的强度计算，确保其结构合理，还需考虑设计使用寿命，防止压力容器出现安全问题。
1.压力容器的设计使用寿命概况
《固定式压力容器安全技术监察规程》明确规定：压力容器的设计总图上，应当注明压力容器设计使用年限，但是很多工程公司和相关设计单位并没有落实这一规定。这其中主要有四个方面的原因：第一，很多设计者没有完全了解设计使用寿命的影响因素。第二，了解到相关影响因素的设计者却缺乏准确的计算与预估。第三，设计者担心用户不接受在设计图样上注明的设计使用寿命。第四，设计者无法区分实际使用寿命与设计使用寿命，很难给出该压力容器的最佳预期值。
2.压力容器设计使用寿命的影响因素
2.1 金属材料的力学性能
随着时间的推移，制作容器的金属材料会受到温度与应力的影响而出现塑性变形现象，使得压力容器在运作的过程中受到严重的影响。而金属材料具有力学性能，但是其耐高温蠕变与断裂等的程度则决定着压力容器的设计使用寿命。因此，要获得较佳的压力容器设计使用寿命，可以通过选择在高温工况下耐蠕变和断裂的材料来提高压力容器的疲劳寿命。需要注意的是，并不是全部金属材料都会在介质中出现应力腐蚀开裂现象。这一现象是金属材料在腐蚀介质与拉应力的共同作用下而出现，具有一定的特殊性。而要出现这一现象，要同时具备3个条件。首先，材料应该对应力腐蚀比较敏感。其次，要有金属材料相对应的腐蚀介质。最后，要发生拉伸应力。
2.2 材料的腐蚀速率与腐蚀裕量
腐蚀速率表示单位时间腐蚀程度的平均值，即在单位时间内，容器介质对金属材料的腐蚀程度与容器介质在流动时对金属材料磨损冲蚀程度之和。而在有关规定中，明确提出腐蚀裕量应该由压力容器的预期寿命与介质对材料的腐蚀速率来确定，压力容器的设计使用寿命就是腐蚀裕量与腐蚀速率之间的比值。要获得更佳的设计使用寿命，则需要根据均匀的腐蚀速率来计算出合理的腐蚀裕量。如果均匀腐蚀速率太大，而压力容器的设计寿命选择太长，会使得计算出来的腐蚀裕量太大，则加工难度加大，还会增加成本。因此，需要采取有效对策来抵抗压力容器在设计使用寿命期间的磨损冲蚀与局部腐蚀。
2.3 交变载荷作用
在压力容器的运行过程中，如果受到高温作用和较大的压力波动，则会使得压力容器出现脆性断裂现象。由于交变应力作用与晶间的滑移、错位，压力容器的局部峰值应力区会出现微裂纹现象。而这种现象会在载荷循环的不断作用下呈现出扩展的趋势，最终会使得整个截面失去承载能力而出现脆性断裂现象。压力容器在不断运作的过程中，已经处于疲劳状态，再加上周期性的载荷作用，其疲劳损伤在很大程度上影响着设备寿命。
3.对策分析
3.1 防范对策分析
在压力容器的设计使用寿命方面，设计者应严格根据新规程的相关要求来进行全面考虑，这也是每个压力容器设计者必须要遵守的最基本的设计原则。因此，压力容器的设计者应该给予设计使用寿命足够的重视，根据新规定来重新考虑，并且注重容器的其他设计方面，综合起来提高压力容器的安全可靠性，防止安全隐患的发生。
首先，压力容器的设计者在考虑容器材料耐腐蚀能力的前提下，要确定其最大腐蚀速度与容器内外部的压力差，从而计算该压力容器的最大耐腐蚀承受度。因此，在最大腐蚀速率与容器材料的最大耐腐蚀承受度确定好之后，则可以计算出压力容器的安全使用年限。
其次，设计者在考虑压力容器外部环境的前提下，以压力容器的安全使用年限为目的，在最恶劣的使用环境中对压力容器进行模拟，从而获得最佳的压力容器使用寿命。
然后，在考虑压力容器疲劳工况的前提下，主要有3种判据来免除疲劳分析。
第一就是使用经验判据，在这个前提下不需要将其作为计算用。
第二，计算各种工况的循环总次数。其中，各种工况循环次数包括设备启动与停止的过程中压力容器的压力循环设计次数、压力容器中产生压力波动的范围超过设计压力20%的循环设计次数、任意2个相邻点间压力容器中金属温差产生波动的有效次数等。要获得循环的总次数，则应该将有效次数相加。其中，有效次数是金属温差产生的波动的循环次数与有关系数的乘积。在容器材料热膨胀系数存在差异（包括焊缝）的情况下，如两种容器材料的热膨胀平均系数分别为α1与α2，工作时的温度总波动范围为T，当0.00034
第三，设计者在考虑其他因素的时候且同时满足以下条件时，需要计算总循环次数。
a）设备启动与停止的过程中压力容器的压力循环次数在不超过JB4732附录C的疲劳曲线中，对设计温度进行一定的考虑，Sa查得的循环次数取三倍的压力容器材料设计应力强度Sm。其中，Sa是该疲劳曲线中相应的应力幅值。
b）在压力容器正常运转时，容器的预计压力循环范围至多达到（p/3）（Sa/Sm）。其中，p是指设计压力，而Sa就是与之对应的设计疲劳曲线中，与规定的显著压力波动次数对应的相关纵坐标值，Sm则是基于设计温度的压力容器材料的相应设计应力强度。在疲劳曲线中给出循环数最大值时，如果规定的显著压力波动次数超过这个值，则可以获得对应曲线上循环次数最大值，也就是Sa。规定的显著压力波动意味着压力波动的范围超过（p/3）（Sa/Sm），S值有新规定。当规定的总工作循环次数不超过106，则S值可以取设计疲劳曲线上106循环次数相对应的Sa值。相反，S值应该取该曲线循环次数最大值相对应的Sa值。
c）在压力容器启动、停止以及正常运转的过程中，每2个相邻点之间的限定温度不应该超过Sa/2Ea。其中，Sa是规定的设备启动与停止过程中产生的循环次数下，设计疲劳曲线中相关的纵坐标值。E和a则分别是在这2点平均温度之下的弹性模量与热膨胀系数。
d）在压力容器正常运转的过程中，每2个相邻点之间的限定温度不应该超过Sa/2Ea。其中，Sa是设计疲劳曲线中和规定的显著温度差波动总循环次数的相关纵坐标值。当总代数值大于S/2Ea时产生的温度差波动就是显著温度差波动，S含义同上。
e）如果容器材料的热膨胀系数并不相同，弹性模量也不同，则其相应组件在压力容器正常运转过程中，产生的温度波动的代数总值至多达到Sa/[E1a1-E2a2]。其中，Sa是规定的显著温度产生的波动次数在相应疲劳曲线中的值，而a1与a2则表示两种结构材料在评价温度之下的相应热膨胀系数，E1和E2为弹性模量。在整个变化范围之内，超过Sa/[E1a1-E2a2]的温度波动就是显著温度波动。
f）而由此形成的应力范围则为机械载荷的波动范围至多达到Sa，此时的机械载荷不包括压力包括管线反力。其中，Sa是规定的显著荷载产生的波动总次数在相应疲劳曲线中的最大值。当规定总次数大于106时，则Sa取与106循环次数相对应的幅值。
而根据JB4732规范来取不作疲劳设计允许次数的数值，即为1000次，将这个次数值除以上面已经计算得到的循环总次数，其最后获得的数值就是在考虑疲劳作用工况的前提下，压力容器的设计使用寿命。也就是说，在这种情况下，压力容器的设计使用寿命=1000/压力容器的总循环次数。
第二、第三仅适用于容器整体部件，不适用于带补强圈的接管及废整体结构。
3.2 优化策略分析
3.2.1 材料的择优选用
要保证压力容器合理的设计使用寿命，则需要对容器材料进行择优选用。因此，容器材料要有较高的耐蚀能力与高温性能，良好的焊接性能。在这些性能达标的基础上，要对容器材料的经济性与使用安全性进行优化，并且权衡其中的利弊，避免设计的盲目性而引起压力容器的制造成本增加。
3.2.2 根据实际情况区别对待
在压力容器的设计过程中，要具体情况具体分析。如果压力容器的应力形式不同，那么会出现不同的失效模式。而且即使应力相同，一旦分布存在差异，失效的表现也会不同。在压力容器中，存在大量负荷，而且种类很多。但是这些负荷表现为三类，即初次应力、二次应力与峰值应力。这3种应力在不同的容器中，在不同的情况下会出现同时存在或者个别存在的现象。因此，设计者应该根据压力容器的具体情况来对其进行分析。
4.结束语
压力容器是特种设备，设计者在设计的过程中，要对各种影响因素进行全面考虑，并且遵循安全第一、预防为主的原则，对国家的相关规程与标准进行全面了解，从而提高容器设计的质量与容器使用的安全性可靠性。
参考文献：
[1]JB4732-95《钢制压力容器――分析设计标准》
[2]TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》
[3]HG/T20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》.