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摘要：本文着重从压力容器选材、结构优化、提高换热效率和设备利旧等方面研究了为实现节能降耗应该采取的一些方法。
关键词：压力容器；节能降耗；合理选材；结构优化；设备利旧
前言
伴随着国民经济的蓬勃发展，我国的压力容器行业在设计和制造方面都取得了飞速发展。但自中国加入WTO，仍面临着国际先进技术的挑战，为了提高在国际上的竞争力，节能降耗显得尤为重要。2009版《固容规》3.7条指出“压力容器的设计应当充分考虑节能降耗原则，并符合以下要求：1）充分考虑压力容器的经济性，合理选材、合理确定结构尺寸；2）对换热容器进行优化设计，提高换热效率，满足能效要求”[1]。
压力容器设计是一项综合性很强的工作，无论从设计方法的选择、材料的选取，还是结构的确定，设计人员都应将节能降耗考虑其中。在设计中应该在确保使用要求的前提下，尽量选择简单的结构形式；根据使用年限及材料的腐蚀速率尽量选择经济性更好的材料；确保制造质量的前提下，尽量降低制造难度，减少检测环节中的过高要求。现在具体分析一下在设计过程中为实现节能降耗应该采取的措施。
1.合理选材
压力容器选材应考虑设备的操作条件（如设计压力、设计温度、介质特性）、材料的焊接与加工性能等。在满足上述条件的前提下，应尽量按照以下原则来实现选材的经济性：
1.1.对以刚度或结构设计为主的场合，宜选用普通碳素钢；强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，满足以上要求的前提下尽量不要选择材料性能高的钢板，造成不必要的浪费。例如：在可以应用Q235B等结构钢的场合避免选用Q245R、Q345R等压力容器专用钢板。
1.2.在介质腐蚀性不强或者根据设计寿命和腐蚀速率确定其腐蚀余量<6mm时，可以选用碳素钢；腐蚀余量如果超过6mm，应采用更耐腐蚀的材料或增加堆焊层、衬里层。
1.3.在承装腐蚀性介质或者其他不能使用碳素钢的场合，当钢材厚度大于12mm时，尽量采用衬里、复合、堆焊等结构形式[2]，避免大量使用相对昂贵的高合金钢。
1.4.设计温度介于425℃和500℃之间时，在操作条件允许的条件下尽量不要使用不锈钢作耐热钢，可选择15CrMoR等低合金钢。
1.5.在选材时应充分考虑材料的使用环境，如介质对不锈钢的晶间腐蚀，碳素钢的碱腐蚀、硫化氢应力腐蚀等，避免因选材不当造成安全事故和经济损失。
2.结构优化
基于弹性失效准则的常规设计在压力容器设计中仍存在一些问题难以解决，如：由于压力容器中的应力分布不均匀，以最大应力点进入塑性作为失效依据将大大低估材料的承载能力，造成材料的浪费问题；压力容器开口部位出现的应力集中问题；机械疲劳与高温疲劳难以解决的问题。这些都将影响容器的安全性和经济性。基于塑性失效准则的分析设计方法，即在压力容器设计中应用有限元软件ANSYS对压力容器进行结构优化，可以降低结构不连续区的最大应力值，能够更好的利用材料的承载能力，减薄壁厚、降低重量，实现压力容器的轻型化[3]，对于节能降耗有着重要意义。
3.换热器的优化设计
换热器作为强化换热设备，在压力容器节能降耗中起着非常重要的作用。我们应根据能耗情况合理选型，对换热器结构进行优化设计。
3.1.合理选择换热器结构。换热器的结构决定了换热器的性能，在设计时应根据各种换热器的操作情况、应用场合等特点合理选择结构形式。例如：浮头式换热器的管束可以抽出、便于清洗，多用于结垢比较严重的场合，使用温差不受限制，但易发生内漏且结构复杂、耗材量较大；固定管板式换热器相比浮头式换热器传热面积大且锻件使用较少，制造成本较低，但使用温差不宜过大，壳程无法机械清洗，设备寿命相对较低；U形管换热器具有便于清洗、不受温差限制等优点，相比前两者换热面积大，但管子U形处易受冲蚀[4]。我们在进行换热器设计时，应合理选择换热器，以免因型式选择不合理造成材料的浪费。
3.2.采用高效传热元件。近年来各类高效传热元件得到了普遍应用，为提高换热效率做出了巨大贡献。如波纹管相比光管具有较高的管内传热膜系数和较低的管内压力降，可有效降低换热过程中的能耗；热管构造简单、工作可靠、重量轻、成本低，能在温差很小的情况下传递大量的热量。
3.3.高效换热器的应用。随着换热器技术的飞速发展，各种新型、高效换热器的相继开发与应用创造了巨大的经济效益。如螺旋折流板换热器的折流板与壳程流体呈一定角度，此结构可以降低壳程压降、防止流动诱导振动发生且不宜结垢；板壳式换热器可增加流体湍流、抑制污垢形成从而提高换热效率[5]。
4.设备利旧
4.1.工艺生产线的改造和扩产，使得压力容器虽然还在设计使用年限内，但异不再适应当前的使用情况而被淘汰。业主应该重新检测设备壁厚、焊缝质量等情况，确定目前的允许使用条件，实现设备利旧，避免更换新设备导致成本增加。
4.2.对于因局部腐蚀导致泄露的设备，充分考虑内部腐蚀条件，可以采用更换局部受压部件的方法达到成本的节约。
5.结语
节能降耗是一项复杂而长久的工作，设计人员在理论计算、选材、结构设计和制造检验等各项环节中应充分考虑到这一点。在压力容器设计中除了根据标准进行正确设计以外，还应多借鉴他人的设计经验，综合考虑，选择既安全又经济的设计方案。
参考文献：
[1]国家质量监督检验检疫总局 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2009.
[2]中华人民共和国工业和信息化部 HG/T20581-2011 钢制化工容器材料选用规定[S].北京：中国计划出版社，2011
[3]郑津洋，缪存坚，寿比南.轻型化-压力容器的发展方向[J].压力容器 2009（09）：42-48
[4]秦叔经，叶文邦.化工设备设计全书-换热器[M].北京：工业装备与信息工程出版中心，2003
[5]马晓驰.国内外新型高效换热器[J].化工进展 2001 ， 20 （ 1） ： 49～51.
关键词：压力容器；节能降耗；合理选材；结构优化；设备利旧
前言
伴随着国民经济的蓬勃发展，我国的压力容器行业在设计和制造方面都取得了飞速发展。但自中国加入WTO，仍面临着国际先进技术的挑战，为了提高在国际上的竞争力，节能降耗显得尤为重要。2009版《固容规》3.7条指出“压力容器的设计应当充分考虑节能降耗原则，并符合以下要求：1）充分考虑压力容器的经济性，合理选材、合理确定结构尺寸；2）对换热容器进行优化设计，提高换热效率，满足能效要求”[1]。
压力容器设计是一项综合性很强的工作，无论从设计方法的选择、材料的选取，还是结构的确定，设计人员都应将节能降耗考虑其中。在设计中应该在确保使用要求的前提下，尽量选择简单的结构形式；根据使用年限及材料的腐蚀速率尽量选择经济性更好的材料；确保制造质量的前提下，尽量降低制造难度，减少检测环节中的过高要求。现在具体分析一下在设计过程中为实现节能降耗应该采取的措施。
1.合理选材
压力容器选材应考虑设备的操作条件（如设计压力、设计温度、介质特性）、材料的焊接与加工性能等。在满足上述条件的前提下，应尽量按照以下原则来实现选材的经济性：
1.1.对以刚度或结构设计为主的场合，宜选用普通碳素钢；强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，满足以上要求的前提下尽量不要选择材料性能高的钢板，造成不必要的浪费。例如：在可以应用Q235B等结构钢的场合避免选用Q245R、Q345R等压力容器专用钢板。
1.2.在介质腐蚀性不强或者根据设计寿命和腐蚀速率确定其腐蚀余量<6mm时，可以选用碳素钢；腐蚀余量如果超过6mm，应采用更耐腐蚀的材料或增加堆焊层、衬里层。
1.3.在承装腐蚀性介质或者其他不能使用碳素钢的场合，当钢材厚度大于12mm时，尽量采用衬里、复合、堆焊等结构形式[2]，避免大量使用相对昂贵的高合金钢。
1.4.设计温度介于425℃和500℃之间时，在操作条件允许的条件下尽量不要使用不锈钢作耐热钢，可选择15CrMoR等低合金钢。
1.5.在选材时应充分考虑材料的使用环境，如介质对不锈钢的晶间腐蚀，碳素钢的碱腐蚀、硫化氢应力腐蚀等，避免因选材不当造成安全事故和经济损失。
2.结构优化
基于弹性失效准则的常规设计在压力容器设计中仍存在一些问题难以解决，如：由于压力容器中的应力分布不均匀，以最大应力点进入塑性作为失效依据将大大低估材料的承载能力，造成材料的浪费问题；压力容器开口部位出现的应力集中问题；机械疲劳与高温疲劳难以解决的问题。这些都将影响容器的安全性和经济性。基于塑性失效准则的分析设计方法，即在压力容器设计中应用有限元软件ANSYS对压力容器进行结构优化，可以降低结构不连续区的最大应力值，能够更好的利用材料的承载能力，减薄壁厚、降低重量，实现压力容器的轻型化[3]，对于节能降耗有着重要意义。
3.换热器的优化设计
换热器作为强化换热设备，在压力容器节能降耗中起着非常重要的作用。我们应根据能耗情况合理选型，对换热器结构进行优化设计。
3.1.合理选择换热器结构。换热器的结构决定了换热器的性能，在设计时应根据各种换热器的操作情况、应用场合等特点合理选择结构形式。例如：浮头式换热器的管束可以抽出、便于清洗，多用于结垢比较严重的场合，使用温差不受限制，但易发生内漏且结构复杂、耗材量较大；固定管板式换热器相比浮头式换热器传热面积大且锻件使用较少，制造成本较低，但使用温差不宜过大，壳程无法机械清洗，设备寿命相对较低；U形管换热器具有便于清洗、不受温差限制等优点，相比前两者换热面积大，但管子U形处易受冲蚀[4]。我们在进行换热器设计时，应合理选择换热器，以免因型式选择不合理造成材料的浪费。
3.2.采用高效传热元件。近年来各类高效传热元件得到了普遍应用，为提高换热效率做出了巨大贡献。如波纹管相比光管具有较高的管内传热膜系数和较低的管内压力降，可有效降低换热过程中的能耗；热管构造简单、工作可靠、重量轻、成本低，能在温差很小的情况下传递大量的热量。
3.3.高效换热器的应用。随着换热器技术的飞速发展，各种新型、高效换热器的相继开发与应用创造了巨大的经济效益。如螺旋折流板换热器的折流板与壳程流体呈一定角度，此结构可以降低壳程压降、防止流动诱导振动发生且不宜结垢；板壳式换热器可增加流体湍流、抑制污垢形成从而提高换热效率[5]。
4.设备利旧
4.1.工艺生产线的改造和扩产，使得压力容器虽然还在设计使用年限内，但异不再适应当前的使用情况而被淘汰。业主应该重新检测设备壁厚、焊缝质量等情况，确定目前的允许使用条件，实现设备利旧，避免更换新设备导致成本增加。
4.2.对于因局部腐蚀导致泄露的设备，充分考虑内部腐蚀条件，可以采用更换局部受压部件的方法达到成本的节约。
5.结语
节能降耗是一项复杂而长久的工作，设计人员在理论计算、选材、结构设计和制造检验等各项环节中应充分考虑到这一点。在压力容器设计中除了根据标准进行正确设计以外，还应多借鉴他人的设计经验，综合考虑，选择既安全又经济的设计方案。
参考文献：
[1]国家质量监督检验检疫总局 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2009.
[2]中华人民共和国工业和信息化部 HG/T20581-2011 钢制化工容器材料选用规定[S].北京：中国计划出版社，2011
[3]郑津洋，缪存坚，寿比南.轻型化-压力容器的发展方向[J].压力容器 2009（09）：42-48
[4]秦叔经，叶文邦.化工设备设计全书-换热器[M].北京：工业装备与信息工程出版中心，2003
[5]马晓驰.国内外新型高效换热器[J].化工进展 2001 ， 20 （ 1） ： 49～51.