（山东三维石化工程股份有限公司青岛分公司 山东青岛 266071）
摘要：现阶段，随着社会的发展，我股的科学技术的发展也有了很大的进步。压力容器设备广泛应用于机械、化工、石化等各个行业领域，在传统设计方法中，设计师总是采用增大设备壁厚来保证其安全性，设计标准也采用基于“弹性失效”准则原理和薄膜理论，以第一强度理论和经验计算公式来对压力容器设备进行设计。这样虽然具有较高的安全性，但是增加了设备重量也造成了材料浪费。随着有限元分析技术和优化设计方法的越来越成熟使用，将其应用于压力容器设备的设计中，从而满足设备在设计的强度和刚度要求下重量最轻，实现轻量化设计。
关键词：压力容器设备；壁厚；优化设计分析
压力容器中的介质种类繁多，来源广泛，如原料、成品、半成品或者副产品等，这些介质中不少具有易燃、易爆、有毒、有腐蚀的特性。因此压力容器选材根据介质特性的不同而不同，压力容器钢板有碳素钢板、低合金钢钢板、高合金钢钢板、不锈钢与碳素钢或低合金钢的复合钢板以及铜、铝、钛等有色金属钢板等多种种类，且每种钢板都有它的适用范围。选取时应考虑多方面因素。使设计的压力容器即安全又经济合理。压力容器设备在传统设计方法中采用增大设备壁厚来保证其安全性，造成设备庞大且浪费材料。针对上述问题，采用ANSYS有限元分析平台，将优化技术与有限元法结合起来，在满足设备强度和刚度要求下，使得设备重量最轻，实现轻量化设计，为类似设备设计分析提供新的参考思路。
1压力容器设计要求
由于化学及石油工业的生产过程较为复杂，在开展设备生产时，当有1台设备出现问题时，将会影响多台设备的正常运转，进而降低了产品的质量，导致各项生产工作无法顺利开展，并且还会对生产人员的人身安全造成极大威胁。因此，要想确保压力容器设计的合理性，应做好以下设计内容：
第一，满足工艺生产要求，工艺生产过程中对温度、压力及工艺均有着较高的要求，例如，氮肥生产中的氨合成塔，由于氨及氮两者的合成压力密切相关，在实际的应用过程中，受各种原因影响，出现氨合成塔无法承受设计压力情况，只能选择降压使用，会促使氨的合成率大大下降，进而对产品的质量造成较大影响，产品的生产成本大幅度提升。
第二，运行的安全可靠性，由于化工行业所生产的物料自身具有较强的毒性及腐蚀性，容易引发火灾等安全事故的产生，压力容器内部储存着一定的能量，一旦遭受到破坏，容器中的容量好在较短的时间内快速的释放出来，具有较强的摧残力，导致容器本身遭受到严重的破坏。
第三，预定的使用寿命，化工物料对壳体结构材料的腐蚀是影响压力容器使用寿命的主要因素，会导致压力容器的壁变薄。对于一些腐蚀性较强的物料，在设计时，应使用耐腐蚀较强的材料，在结构设计中增加防腐措施，提升压力容器的使用寿命。
2压力容器设计时材料的选取
压力容器设计时在选取材料过程中，应考虑到材料不仅与容器内的介质有较强的关联性，同时还与容器的操作温度及操作压力密切相关，应合理选择厚度极限值。例如，Q235-B钢板的容器压力应控制在P≤1.6MPa，温度应控制在0-350℃，当将其用于壳体中时，需要将钢板的厚度控制在≤20mm，但是却不能将其应用到具有危害性及毒性介质的压力容器中。Q235-C钢板的容器压力应控制在P≤2.5MPa，温度应控制在0-400℃，当将其用于壳体中时，需要将钢板的厚度控制在≤30mm。当压力容器的设计要求比以上要求更高时，应选择低合金高强度的钢材料，例如，Q345R，温度应控制在300-450℃，一旦操作温度达到400-600℃时，应选择高温用钢材料。当温度达到600-1100℃时，应选择高铪镍奥氏体耐热钢材料，将介质的温度控制在≤700℃，要求材料自身具有较强的抗氧化性。对于一些特殊的介质应选择钛或铝等有色金属。
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3压力容器设计时壁厚的选取
优化设计就是求解满足约束条件函数下求目标函数的极值。这种传统计算方法对于小型简单结构是可行的，然而对于大型复杂设备结构的有限元模型来说，要想得到目标函数以及状态变量的数学表达式是很困难的，甚至是不可能的。压力容器设计中壁厚的选取在材料选取之后，设计人员在进行壁厚选取时，应了解到压力容器的壁厚对整体强度的影响，应合理设计材料厚度的临界值，材料的应力随板厚的变化而发生变化。另外，在进行压力容器壁厚选取时，还应该充分的考虑到市场上各种规格的板材厚度，当市场上一些规格的钢板出现缺货时，可用相同规格厚度的钢板代替，但是切记不可选择比规定厚度薄的钢板。压力容器设计中使用的是名义厚度，主要是指设计厚度加标注在图样中的厚度，即压力容器板材腐蚀裕量与钢材厚度的负偏差。在对容器的压力进行计算时，压力主要是针对受压元件而产生的，被应用于确定受压元件的稳定性、感觉孤独及强度中，在对受压元件的压力进行计算时，主要由容器的设计压力加上液柱静压力共同运作来实现。在一些单枪容器中，介质主要由空气构成，在进行压力计算时，应结合生产操作时可能会出现的情况来决定，如考虑壳程压力的单独作用，换热器管板的压力，管程压力的单独作用等。另外，还需要对带夹套中容器的受压元件进行压力计算，在进行压力计算时，应充分的考虑到筒内压力及夹套压力的单独作用以及两者之间的共同作用，另外还应该考虑到夹套试验下压力的稳定性。介质中有液体时，受液柱静压力作用的受压元件的计算压力为容器的设计压力加上液柱静压力。对于多腔容器中受多腔压力作用的受压元件，应根据生产操作中可能出现的情况确定其计算压力，如：确定换热器管板的计算压力时，要考虑壳程压力单独作用、管程压力单独作用以及它们共同作用时的情况；确定带夹套的容器中内筒被夹套包围部分的受压元件的计算压力时，要考虑内筒内压力单独作用、夹套压力单独作用和它们共同作用时的情况，同时还要考虑其在夹套试验压力下的稳定性。对于有多种情况的容器，应按最苛刻的情况设计。
结语
采用ANSYS有限元优化设计软件对压力容器设备重量随壁厚的变化进行迭代运算，在满足约束条件的情况下得到最优设计序列，筒体封头的壁厚最薄，设备重量最轻，实现了轻量化、优化设计。通过ANSYS优化设计改变了传统试算校核、不通过重新代数据试算校核的被动校核方法，主动在约束条件和设计变量可行域范围内寻找最优设计，减少了设计成本，节约了设计时间，实现设备轻量化及优化设计。
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论文作者:赵凯
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/27
标签：压力容器论文; 压力论文; 钢板论文; 设备论文; 容器论文; 厚度论文; 优化设计论文; 《电力设备》2018年第35期论文;