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摘要：化工压力容器设计中的补强设计与选材十分关键，因为设计和制造单位对压力容器法规、标准理解存在偏差，导致材料、补强设计使用不当常常发生。加之对设计参数选取规律缺乏了解，导致只从安全上考虑，使安全系数过大，从而使容器结构尺寸过大，因而使成本过高。另外在材料代用上，不单纯是以优代劣，还要考虑经济成本。因此需要在安全质量与经济效益上寻求一个平衡点。所以，本文对化工压力容器选材与补强设计进行分析。
关键词：压力容器；补强设计；选材；质量控制
一、化工压力容器主体材料的选用
1、化工压力容器主体设计时的材料选用方法原则
化工压力容器整体材料的选用类型非常重要，选用类型影响到压力容器的安全运行质量。在材料替换与压力容器设计的过程中，技术人员必须严格参照GB150.1～150.4-2011《压力容器》与TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的相关条例，此外，技术人员还应参考化工机械基质材料的特征、材料使用寿命、压力容器材料、设计压力、工作环境温度等因素。硫浓度大的工作环境中禁止使用低合金钢，在充斥毒性、易燃易爆等具有腐蚀性与破坏性的工作环境中，技术人员需要进行材料的表面处理工作。
化工压力容器一旦发生事故，会造成十分严重的后果。因此，设计单位必须有化工压力容器设计单位批准证书，单位应建立健全的化工压力容器设计体系，工作人员才能参照具体要求设计规范的图纸。同时，单位还应考虑到制造技术条件、试验、参数选择、检验要求等因素。设计资格证缺乏的单位无法保障化工压力容器的质量。单位必须对设计人员的技术进行考核，压力容器的设计人员必须定期接受培训。学习压力容器的新理念、新知识、新法律法规。另外，安全监察机构必须对工作认真负责，严格审批化工压力容器的设计单位、技术人员。单位在设计计算书的过程中，设计图纸及说明书应该符合相关规定，文件必须有设计人员、审批人员及校对人员的签字。另外，负责技术的工作人员需要在总图上签字，并注明《压力容器设计单位批准书》的具体日期及编号。
为了保障化工压力容器的质量，安全监察局必须严格审核、监督化工压力容器的制造商。保障化工压力容器图样的质量水平，从而利于化工压力容器的生产。监察局还应该检查图纸数据能否达到业内标准。在图样审核工作结束后，外联人员先进行初步审查，随后由相关工作人员进行严密审核，最后由负责人递交审查意见书。化工压力容器制造商必须重视原材料的采购与使用环节，另外，焊接加工环节也非常重要，制造商必须按照业内规定完成焊接加工，且上交工艺评定报告。
2、化工压力容器补强材料的选择
通常情况下，化工压力容器的补强材料宜选择强度较低的材料，同时，技术人员应该考虑焊接时易出现的补墙面的面积大小与负面反应。在厚壁接管的过程中，技术人员可以考虑无缝钢管或者锻件加工制造。设计压力较小且壁厚不大时，无缝钢管的选择更为科学。当补强要求所需的壁厚较大且设计压力较高时，技术人员可以选择锻件。另外，技术人员在选择补强材料时，应该参考多项因素，例如焊接状况、材料的经济性、材料的强度。
二、化工压力容器补强设计思路方法及其影响的分析
1、补强设计方法的分析
补强设计方法作为化工压力容器结构设计技术中的核心技术方法，对化工压力容器结构设计具有重要意义。其中，化工压力容器结构设计的重难点部分为化工压力容器接管开口处的设备设计，因此技术人员在补强设计过程中必须重视的事项包括：化工压力容器补强设计中加强接管结构的抗腐蚀设计；降低接管开孔处焊接结构面积的偏差；分别处理各种补强结构的设计；接管补强结构的尺寸设计进行精确计算。化工压力容器补强的主要设计方法包括：整体加厚壳体补强、补强圈补强、整锻件补强等。
2、开孔补强设计简述
局部补强结构的处理内容在压力容器补强结构中较为常见，主要包括厚壁接管补强、整体锻件补强、补强圈搭焊结构补强。厚壁接管补强是将厚壁接管在压力容器焊接处应用，同时将它们连接起来，接管的放置形式有很多，常见的包括内深插入式、平齐插入式及平置式。厚壁接管补强方法的优点是：结构简单、焊缝不多、焊接质量高，因此补强效果好。整体锻件补强方法是将补强的部分、部分壳体及接管通过加工形成一个整体锻件，然后把接管焊与壳体连接。整体锻件补强方法可以降低应力的集中程度，因此，补强后的抗疲劳性得到提升。但是整体锻件补强方法存在缺点，缺点是制造锻件的成本很高，使用次数少，只有在要求很高的压力容器补强中得到应用。补强圈补强的理论基础是为无限大平板开小孔，在操作温度不高的中低型压力容器使用中较为广泛，通过在焊壁上焊接其他的补强板，可以增大开孔边缘处的金属强度。开孔挖去金属的质量在一定程度上决定了补回的金属数量。为了保障小直径的开孔安全有效，可以使用这样的操作方法。这样的操作方法存在一些缺点，例如：补强圈及外壳体不容易成为一个整体，当补强完成后，抗疲劳性降低。
3、化工压力容器开孔补强结构的设计
化工压力容器开孔补强设计中的重点内容是补强圈的设计，通常情况下，设计人员应参考补强圈的标准范围进行设计。技术人员可以通过三种情况，选择补强圈厚度。第一种情况是补强圈小于壳体厚度，第二种情况是等于壳体厚度，第三种情况是大于壳体厚度。其中，最佳选择是等于壳体厚度，这种设计的优势是可以充分利用材料与备料，减少材料浪费。设计人员还需重视的是，补强圈厚度还应结合压力容器的设计要求及结构特点。参照传统的操作方法，以下三种措施具有可操作性：增大补强圈的宽度或者加大开孔处局部筒体厚度；加大接管的厚度或者补强圈的厚度；加大整个筒体的厚度。
4、开孔补强应力分析
压力容器开孔后有三种应力，主要包括峰值应力、弯曲应力及薄膜应力。通常情况下，压力容器会被均匀的薄膜应力所影响。开孔后，开孔边缘处会被应力集中作用，但是与孔相距较远的地方应力没有变化，总体薄膜应力小于其应力水平。为了保障压力容器的正常运行，可以将其视作一次应力。开孔后在孔边缘与接管连接处产生的范围分布小，数值容易升高，出现峰值应力现象。弯曲应力属于一次应力，弯曲应力可以协调壳体与接管的连接性能，同时产生相应的应力，正常情况下，压力容器的结构不会受到损坏。
三、化工压力容器材料选择设计分析
1、压力容器设计材料选择的变化与影响因素
技术人员在设计传统压力容器材料代用的过程中，不能用高强度材料替换低强度材料，这样的替换方式不科学。在钢制压力容器的设计内容中，材料力学性能具有重要意义，其中，设计人员应重视材料力学性能的韧性与可塑性。传统的设计方法是“以厚代薄”，这样的设计方法存在缺陷，增加厚度不能从本质上解决压力容器壳体的受力问题。
2、压力容器使用温度对设计材料选择的影响
当压力容器使用温度过高时，碳素钢与碳锰钢容易出现问题，技术人员必须重视钢中碳化物的石墨化问题。碳素钢与碳锰钢在高温环境下使用时，钢材会变脆，钢中的渗碳体会被分解，材料的可塑性与材料的强度会受到影响，由此可见，高温环境下禁止替换碳素钢与碳锰钢可以有效保障设计材料的质量。
结束语
综上所述，合理的代用材料选择与科学的补强设计方法对化工压力容器正常运行发挥着重要的作用。传统的材料替代方法未能满足当代化工压力容器的发展，文章通过围绕化工压力容器材料与补强设计进行分析，希望给设计人员借鉴意义。
参考文献
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