大型高壓容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及發(fā)展趨勢

陳譽欣

摘要：隨著科技的快速發(fā)展，高壓容器已普遍用于石油、化工、冶金、核站、宇航、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域，而且是這些領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，它的應(yīng)用范圍越來越廣，結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，結(jié)構(gòu)型式和工作條件越來越復(fù)雜，操作壓力和操作溫度越來越高，從而對高壓容器的設(shè)計要求越來越高。文章闡述了扁平繞帶容器的特點，指出了大型高壓容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：大型高壓容器；扁平繞帶；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；只漏抑爆

中圖分類號：U418文獻標識碼：A文章編號：1009-2374(2009)13-0020-02

隨著科技的快速發(fā)展，高壓容器已普遍用于石油、化工、冶金、核站、宇航、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域，而且是這些領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，它的應(yīng)用范圍越來越廣，結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，結(jié)構(gòu)型式和工作條件越來越復(fù)雜，操作壓力和操作溫度越來越高，從而對高壓容器的設(shè)計要求越來越高。為此，世界各國對高壓容器的研究歷來極為重視，我國壓力容器安全工程各個方面所取得的成就已為我國進入世界壓力容器先進大國行列奠定了堅實的基礎(chǔ)，但仍存在一些亟待解決的問題。

一、高壓容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(一)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的提出

高壓容器工作條件苛刻，有時還伴有沖擊載荷，有的工作介質(zhì)具有強腐蝕性，加上設(shè)計、制造、使用和管理要求高，使用不當(dāng)易發(fā)生破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失。高壓容器多為圓筒形結(jié)構(gòu)，容器直徑大、筒體長、器壁厚，結(jié)構(gòu)笨重龐大、制造困難，需用多種昂貴的大型設(shè)備和專門技術(shù)。這樣的高壓厚壁容器，從強度設(shè)計、制造運輸、到保證安全使用的整個過程必然存在著特殊的矛盾。高壓容器必須經(jīng)過設(shè)計才能滿足工程需要，這些工程問題中最重要的是容器的安全性和經(jīng)濟陛。高壓容器的制造在一定程度上反映了一個國家的科技水平，對于造價昂貴的高壓容器引入優(yōu)化設(shè)計思想，無論是提高安全性還是經(jīng)濟性，都有十分重要的意義。

(二)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本要求

高壓容器的優(yōu)化設(shè)計需同時考慮多項優(yōu)化目標，如投資少，能耗低，安全可靠，便于操作和維修等。優(yōu)化設(shè)計方法可分為三個步驟；首先是基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；其次是結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，即在確定容器基本結(jié)構(gòu)、材料、幾何外形及載荷等參數(shù)的前提下，選擇最合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使某項或幾項設(shè)計指標取得最優(yōu)值；第三是數(shù)學(xué)方法的優(yōu)化，即對參數(shù)優(yōu)化所采用的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)精確快捷的計算。在這三個步驟中應(yīng)以基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化為前提，如果基本結(jié)構(gòu)本身不合理，則設(shè)計參數(shù)優(yōu)化是沒有工程意義的，所以，對于高壓容器，只有建立在基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化才更有工程意義。

(三)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的標準

衡量一種高壓容器結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化的標準是在充分保證安全的前提下，最大限度地提高其經(jīng)濟性。筒體的安全性與材料的可靠性、制造工藝的成熟性、焊接技術(shù)、熱處理、檢驗方法、簡體的破壞特性等密切相關(guān)。而筒體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性與制造方法、總的材料利用率、生產(chǎn)效率、原材料的供應(yīng)等有關(guān)。所以，設(shè)計簡體結(jié)構(gòu)時，既要考慮安全性，又要考慮經(jīng)濟性，還應(yīng)兼顧各種因素的影響，以保證操作安全、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理，只有兩者兼優(yōu)的結(jié)構(gòu)才是大型高壓容器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

二、高壓容器優(yōu)化結(jié)構(gòu)

(一)高壓容器的分析

近百年來世界各國為了改善容器的不均勻受力，提高容器的承載能力和制造質(zhì)量，保證容器安全性，降低制造成本等目的，研制了多種高壓容器簡體結(jié)構(gòu)型式，它們圍繞著安全性和經(jīng)濟性在不同程度、不同方面解決了一些問題。目前高壓容器因制造方法和使用環(huán)境不同而多種結(jié)構(gòu)并存，因此，大型容器的核心問題是容器的結(jié)構(gòu)型式。高壓厚壁容器內(nèi)徑可達3m，長度可達30m，壁厚可達300mm。對這類貴重設(shè)備，若采用鍛焊、厚板卷焊、薄板包扎、多層熱套或型槽繞帶等結(jié)構(gòu)型式，制造都很困難，質(zhì)量不易保證，價格高昂，而扁平繞帶式容器卻是制造最簡單、使用最安全的容器。

(二)新型扁平繞帶式壓力容器的突出特點

新型扁平繞帶式壓力容器由于安全性很高，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，已制造了7000多臺扁平繞帶式壓力容器，經(jīng)濟效益已超過十億元。1996年扁平繞帶式壓力容器被列入美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第Ⅷ篇第1分篇，該標準的制定對扁平繞帶式壓力容器的進一步發(fā)展具有重要的意義，為在世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

新型扁平繞帶式壓力容器具有“安全性能優(yōu)良、制造簡便經(jīng)濟、可實現(xiàn)在線監(jiān)控”等優(yōu)點，它充分考慮了容器的受力和失效特點，從根本上改變了壓力容器的安全性能和失效方式，解決了深厚縱、環(huán)焊縫的焊接、厚板質(zhì)量缺陷、安全性能不足等問題，而且具有安全可靠和制造經(jīng)濟性，其突出特點表現(xiàn)為：

1結(jié)構(gòu)合理。容器全長均為多層繞帶結(jié)構(gòu)，扁平鋼帶逐層傾角相反纏繞，且為偶數(shù)層，使得鋼帶環(huán)向分力產(chǎn)生的扭矩可相互抵銷。合理地解決了壓力容器環(huán)向、軸向強度優(yōu)化的問題，并可通過調(diào)節(jié)鋼帶上的纏繞預(yù)應(yīng)力使簡體在工作狀態(tài)下的應(yīng)力第一次實現(xiàn)了按意愿設(shè)計成所需的合理的應(yīng)力狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、靈活、極易通過改變內(nèi)外層材料、鋼帶錯繞傾角以及鋼帶預(yù)拉應(yīng)力以適應(yīng)各種場合，使材料得到合理應(yīng)用。

2簡體原材料：筒體由內(nèi)筒和其外壁的扁平鋼帶組成，扁平鋼帶厚2～8mm，寬20～120mm，材料選取有很大的靈活性。

其內(nèi)筒僅占總厚度的1／4～1／6，可用一般薄鋼板卷焊制造，其材質(zhì)比任何大型鍛件和厚鋼板好。大量原材料為軋制型式簡單、精度要求不高、價格便宜、材質(zhì)可靠、缺陷幾率小、可成卷供應(yīng)的扁平鋼帶。內(nèi)筒可為單層或多層結(jié)構(gòu)，對于內(nèi)裝腐蝕介質(zhì)的容器，內(nèi)外層可選用不同材料，僅容器內(nèi)筒使用耐腐蝕材料，而繞帶層可單純從保證簡體結(jié)構(gòu)出發(fā)來選用材料，故可節(jié)省大量貴重金屬材料，且可以較同樣直徑的單層筒體減薄10％以上。

3機加工。內(nèi)筒制成后不必車削內(nèi)外表面，僅內(nèi)筒外壁焊縫需修磨，簡單易行，大大地減少了加工量。

4焊接及熱處理。鋼帶層僅是兩端與封頭或端蓋的錐面相焊接，繞帶容器全長無任何厚環(huán)焊縫，焊接容易，大大地減少了焊接量。僅內(nèi)筒需熱處理，不需大型熱處理設(shè)施。

5質(zhì)量檢驗。壁薄易焊、易檢驗，僅內(nèi)筒需無損探傷。

6在線監(jiān)測簡便可靠。繞帶容器筒體外部設(shè)有保護殼，既可防雨水侵蝕，又可裝設(shè)介質(zhì)泄漏自動報警和卸壓的在線安全監(jiān)控裝置，以防易燃、易爆、有毒介質(zhì)的泄漏，杜絕了二次爆炸和環(huán)境污染，其成本僅為聲發(fā)射監(jiān)控裝置的3％。

7制造設(shè)備及工藝。制造所需的工藝裝備簡單，除了需要一臺專用的大型繞帶機床外，不需起吊整臺大型容器的重型設(shè)備以及與之相配套的大型廠房和橋式行車，不需任何特殊技術(shù)，一般制造廠均能制造。繞帶機床是一種不用床身而支承容器實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與送帶運動的簡單纏繞裝置，可設(shè)計成可拆結(jié)構(gòu)，其成本約為大型卷板機或?qū)挵謇p繞設(shè)備的，總重量不超過80噸，運輸方便，操作容易，鋼帶纏繞質(zhì)量可靠，效率高，解決了設(shè)

備大型化及成本昂貴的問題，為大型繞帶式高壓容器的現(xiàn)場繞制提供了有力條件。制造時鋼帶在薄內(nèi)筒外面全長范圍內(nèi)連續(xù)纏繞，繞帶層只需貼合即可，不需要嚴格控制層間貼合面的過盈量，不存在帶層“脫扣”的危險。繞制容器的內(nèi)徑、長短、壁厚、重量和材料均不受限制，只要改變內(nèi)筒厚度和內(nèi)筒與帶層材料就可適應(yīng)各種要求，制造和運輸都無特殊要求，即使現(xiàn)場繞帶也容易達到，尤其滿足“大型化”的要求。

8內(nèi)筒應(yīng)力分布?？赏ㄟ^改變繞帶傾角和調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力使容器的環(huán)向、軸向、內(nèi)壁、外壁具有最合理的應(yīng)力狀態(tài)，實現(xiàn)包括熱應(yīng)力在內(nèi)的最佳的等強度設(shè)計，而且可使內(nèi)筒在工作狀態(tài)下的應(yīng)力有所減少，使其處于“低應(yīng)力內(nèi)筒”狀態(tài)，使材料得到合理的應(yīng)用，這是單層結(jié)構(gòu)所不可比擬的。

9安全可靠性。這是高壓容器最重要的要求。新型扁平繞帶式壓力容器采用預(yù)應(yīng)力分層傾角錯繞網(wǎng)狀離散化結(jié)構(gòu)，它保持了多層壓力容器的優(yōu)勢。鋼帶層很小的層間間隙構(gòu)成了自然通氣網(wǎng)，使其具有突出的“止裂”和“排氣卸壓”作用，能承受高應(yīng)力。內(nèi)筒一旦泄漏，內(nèi)部高壓介質(zhì)沿鋼帶層間曲折的間隙泄流出來時受到很大的阻力，氣流速度大大降低，從而可抑制容器發(fā)生突然性脆斷爆破。由于多層結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和外部鋼帶的約束作用，使得繞層上的預(yù)應(yīng)力對內(nèi)筒土的裂紋具有抑制作用，使鋼帶上可能存在的本來就很少的各種缺陷在容器整個長度上因分層而被自然分散而趨近于零，從而大大降低了失效概率。

10經(jīng)濟性。繞帶容器具有顯著的直接效益和間接效益。由于外筒中少數(shù)的鋼帶層即可替代相同情況下單層容器較厚的外層簡體，大大地降低了鋼材的消耗量，有利于容器向大型化方向發(fā)展。加上鋼帶層的價格遠低于內(nèi)筒材料的價格，因而綜合經(jīng)濟效益十分明顯。直接效益表現(xiàn)為：繞制一臺大型容器周期短(只需100～200小時)，工序少，避免了大量鋼材彎卷、切割、焊接、無損檢驗和熱處理等工作量，與厚板卷焊技術(shù)相比，生產(chǎn)效率可提高1倍，制造成本可降低30％～50％，機械加工、焊接、無損檢測和熱處理量約少80％，節(jié)省鋼材20％，節(jié)省電能80％，而且這種容器越是大型化，繞帶容器的優(yōu)越性越顯著，經(jīng)濟效益也越明顯。特別對于大型不銹鋼低溫液氫、液氧高壓容器和各種大型熱壁加氫反應(yīng)器以及尿素合成塔等特殊貴重容器更為顯著，這種效果是當(dāng)今世界上最為顯著的。間接經(jīng)濟效益表現(xiàn)為：繞帶容器具有“只漏抑爆”的安全特性，可減少事故發(fā)生率，尤其可避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，可顯著延長定期安全無損檢測時間，大大減少因檢修或事故停產(chǎn)所造成的經(jīng)濟損失。

三、發(fā)展趨勢分析

經(jīng)濟的增長和科學(xué)技術(shù)的進步?jīng)Q定了生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和設(shè)備裝置的日益大型化，新型扁平繞帶式容器的上述特點決定了它具有大型化壓力容器所要求的結(jié)構(gòu)尺寸大、設(shè)計參數(shù)高、制造簡單、使用安全、在役檢測方便、適于現(xiàn)場安裝等性能，它具有大型化的發(fā)展趨勢。

新型扁平繞帶式壓力容器在的理論和實踐上都已取得了重大的成就，已基本形成一套較為完整的設(shè)計、制造和檢驗技術(shù)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，7000多臺扁平繞帶壓力容器的安全運行、國內(nèi)外規(guī)范以及不斷完善發(fā)展的理論為其大型化提供了可靠的理論與實踐依據(jù)，而且越是大型化、復(fù)雜化、高參數(shù)、嚴工況的情況，越能滿足使用安全和制造經(jīng)濟的要求，越能顯出其明顯的優(yōu)越性，它的失效率可小于10^-10臺·車，這是目前世界其它型式容器難以達到的數(shù)量級，它毫不遜色于當(dāng)今任何一種容器結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外專家預(yù)言它將是一種“21世紀的壓力容器”。隨著科技的發(fā)展，它的發(fā)展?jié)摿κ志薮?，它將為國際高壓容器技術(shù)的發(fā)展帶來突破性的改革，從而證明新型扁平繞帶式壓力容器是高壓容器的必然發(fā)展趨勢。