压力容器安全运行及密封技术优化

1.特点

随着科学技术的发展，压力容器向多功能、大型化、成套化和专业化方向发展，呈现出以下特点。

（1）单件或小批量生产

压力容器的用途、盛装介质的特性、操作条件、安装环境和生产能力千差万别，往往要根据功能、使用寿命、生产条件、环境保护等要求，采用不同的工作原理、材料、结构和制造工艺。因此，压力容器是典型的单件或小批量生产的非标设备。例如，换热设备的传热过程可以是传导、对流和辐射或它们的组合；低温下工作的过程设备需考虑材料的冷脆特性，并采用有效的绝热结构；对于高温下工作的过程设备，蠕变就成为一个必须考虑的因素；搅拌设备中，有的搅拌轴用电动机带动，有的用磁力带动。工作原理的多样性决定了每种压力容器的设计、制造、安装和管理要求各不相同，且大多需要针对不同的工艺要求进行单独和特定的考虑。

（2）操作条件复杂

压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。随着大型化、高参数化和多功能化要求的提高，越来越多的容器在高温、低温、高压、高真空、强腐蚀等复杂条件下工作。压力从（1～2）×10^-5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.5～21.0MPa，高压聚乙烯为100～200MPa，合成氨为10～100MPa，人造水晶高达140MPa；温度从-196℃低温到超过1000℃的高温。容器承受的介质载荷复杂，处理介质包罗爆、燃、毒、辐（照）、腐（蚀）、磨（损）等数千个品种，具有潜在的爆炸和泄漏等危险。压力容器的设计寿命较长，在使用期间，除受到压力、重量等静载荷作用外，还可能受风载荷、地震载荷、冲击载荷附加的机械或温度载荷等动载荷的作用。在动载荷作用下，流体介质与结构相互作用，会使压力容器发生剧烈振动甚至失效，引起灾害性后果。

（3）失效危害严重

大多数容器用来容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加之压力容器大多数系焊接制造，难免产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，容器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成灾难性的后果。选材不当、材料误用、材料缺陷、材质劣化、介质腐蚀、设计失误、制造缺陷、缺陷漏检、操作不当以及难以控制的环境因素等原因，都有可能导致容器失效。国内外每年都有压力容器爆炸和泄漏事故发生，其后果是造成人员伤亡、企业停产、财产损失和环境污染。对连续生产的流程性企业，容器设备失效必然会导致停工、停产，损失就更大了。

操作条件的复杂性和失效后果的严重性使压力容器从设计、制造、安装到使用、维护都不同于一般机械装备，而成为一类特殊设备。

为提高压力容器运行安全性，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。许多国家都结合本国的国情制定了强制性或推荐性的压力容器规范标准，如我国GB150.1～150.4—2011《压力容器》、JB4732—1995《钢制压力容器———分析设计标准》、NB/T47003.1—2009《钢制焊接常压容器》和技术法规TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》等，对压力容器的材料、设计、制造、安装、使用、检验和修理改造提出了相应的要求。

2.基本要求

（1）安全可靠

为保证过程设备安全可靠地运行，压力容器应具有足够的能力来承受设计寿命内可能遇到的各种载荷。因此要求用于制作压力容器的材料强度高、韧性好，材料与介质相容，压力容器的结构有足够的刚度和抗失稳能力，密封性能好。强度、刚度、韧性和密封性是影响过程设备安全可靠性的主要因素。

强度是压力容器在载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。压力容器设计时，一般根据不同的强度破坏方式，将应力或与应力有关的参量限制在许用值以内，以满足强度要求。例如，气体储罐不应在介质压力下鼓胀变形或破裂。屈服强度和抗拉强度是钢材常用的强度判据。在相同设计条件下，提高材料强度，就可以增大许用应力，减薄过程设备的壁厚，减轻重量，简化制造、安装、运输和安装，从而降低成本，提高综合经济性。对于大型压力容器，采用高强度材料的效果尤为显著。但也不能过分强调材料的高强度，因为高强度材料往往制造加工困难。(www.xing528.com)

刚度是压力容器在载荷作用下保持原有形状的能力。刚度不足是压力容器过度变形、失稳和泄漏的主要原因之一。例如，螺栓、法兰和垫片组成的连接结构，若法兰因刚度不足而发生过度变形，将导致密封失效而泄漏；在真空下工作和承受外压的容器，若壳体刚度不够，将引起失稳破坏。因此，容器设备应有足够的刚度。

韧性是指材料断裂前吸收变形能量的能力。由于原材料、制造（特别是焊接）和使用（如疲劳、应力腐蚀）等方面的原因，容器常带有各种各样的缺陷，如裂纹、气孔、夹渣等。研究表明，并不是所有缺陷都会危及容器设备的安全运行，只有当缺陷尺寸达到某一临界尺寸时，才会发生快速扩展而导致容器破坏。临界尺寸与缺陷所在处的应力水平、材料韧性以及缺陷的大小、形状和方向有关，它随着材料韧性的提高而增大。材料韧性越好，临界尺寸越大，容器设备对缺陷就越不敏感；反之，在载荷作用下，很小的缺陷就有可能快速扩展而导致容器设备失效。

密封性是指压力容器防止介质泄漏的能力。压力容器的泄漏可分为内泄漏和外泄漏。内泄漏是指容器内部各腔体间的泄漏，如管壳式换热器中管程介质通过管板泄漏至壳程。这种泄漏轻者会引起产品污染，重者会引起爆炸事故。外泄漏是指介质通过可拆接头泄漏到周围环境中，或空气进入容器设备内的泄漏。压力容器内的介质往往具有危害性，外泄漏不仅有可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且会造成严重的环境污染。因此，密封是压力容器安全操作的必要条件之一。

压力容器各零部件的强度并不相同，整体强度往往取决于强度最弱零部件的强度。使各零部件的强度相等，即采用等强度设计，可以充分利用材料的强度性能，节省材料，减轻重量。

材料韧性一般随着强度的提高而降低。在选择材料时，应特别注意材料强度和韧性的合理匹配。在满足强度要求的前提下，尽可能选用高韧性材料，追求强度而忽略韧性是非常危险的。国内外曾发生过多起因韧性不足引起的过程设备爆炸事故。

环境也会影响材料韧性。温度降低、受中子辐照或在高温、高压、临氢条件下工作，都会降低材料韧性，使材料脆化。掌握材料性能随环境的变化规律，防止材料脆化或将其限制在许可范围内，是提高过程设备可靠性的有效措施之一。

（2）满足生产过程要求

压力容器首先是满足生产上的需要，其主要结构尺寸由工艺决定。设备设计只能根据工艺设计人员提供的工艺条件数据和场地条件进行设计，即满足功能要求。

此外还有寿命要求。例如，在石油化工行业中，一般要求高压容器的使用年限不少于20年，塔设备和反应设备不少于15年。腐蚀、疲劳、蠕变是影响过程设备寿命的主要因素，设计时应综合考虑温度和压力的高低及波动情况、介质的腐蚀性、环境对材料性能的影响和流体与结构的相互作用，采取有效措施，确保压力容器在设计寿命内安全可靠地运行。

（3）综合经济好

压力容器设计既要保证安全可靠，又要尽量做到技术经济合理，产品总成本最低。要做到这一点，设计压力容器时首先选材要合理，在保证满足生产要求的情况下，结构尽可能简单，材料消耗尽可能少，同时还应考虑制造、检验、安装和维修等因素。对某些技术先进的设备，尽管投资高一些，但如果在单位加工能力、消耗指标、产品质量等方面有较大优点，也应考虑采用。简而言之，压力容器应尽可能满足生产效率高、消耗系数低、结构合理、制造简便、易于运输和安装等要求。

此外，压力容器还应操作简单、可维护性和可修理性好，同时便于自动控制，适宜操作条件的变化，满足环境性能的要求等。

总的来说，压力容器设计的基本要求是既要保证安全可靠，又要尽量做到经济合理。这就要求对容器设备的操作条件和载荷进行正确的估计，对压力容器的总体应力、局部应力和温差应力，以及可能产生的失效形式等进行全面的分析和评价，采取不同的设计方法。同时，根据压力容器的操作条件和作用，选择适当的材料和合理的结构。因此，压力容器设计者不仅仅是依照有关标准和制造条件进行简单的设计，还必须要综合考虑生产条件、安全要求和技术经济上的合理等因素，选择一个最佳设计方案。