高壓容器設(shè)計及制造要點概述

姜媛媛

摘 要：在改革開放的新時期，我國的國民經(jīng)濟在快速的發(fā)展，社會在不斷的進步，高壓容器在國防軍工、石油化工及電力工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，高壓容器作為一種特殊的壓力容器，操作工況非?？量蹋坏┏霈F(xiàn)失效，容器本身所具有的爆炸能力，以及所含介質(zhì)外泄可能導(dǎo)致的次生危害，都會對人和設(shè)施造成非常嚴重的傷害。對單層高壓容器設(shè)計、制造過程中的技術(shù)要點，如殼體材料選擇、筒體壁厚的計算、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造等相關(guān)問題進行了分析，給出了設(shè)計、制造過程中應(yīng)慎重考慮的一些要點。

關(guān)鍵詞：高壓容器；厚壁；設(shè)計；結(jié)構(gòu)；制造

引言

在以煉油為代表的工業(yè)部門，高壓容器的“身影”頻頻出現(xiàn)，無論是聚乙烯反應(yīng)器、氫裂化反應(yīng)器還是其他化工機械，與高壓容器間都存在著十分緊密的聯(lián)系，對擁有厚壁和大體積的重型化工機械而言，不低于10MPa的操作壓力，使壁厚的選擇變得十分重要。用來制造高壓容器筒體的方法，因此而得到了多元化的發(fā)展，文章以熱套式、整體鍛造等方法為主要內(nèi)容展開了系統(tǒng)、深入的探究，具有一定的現(xiàn)實意義。

1高壓容器筒體可靠性探究

通過對高壓容器筒體在設(shè)計過程中需要應(yīng)用到的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進行研究能夠看出，厚度因素是需要重點考慮的部分，例如，結(jié)合實際需求對厚度、厚度附加量進行計算。厚度計算是指根據(jù)公式對壓力進行計算，從而獲得的厚度；厚度附加量是指鋼材腐蝕裕量以及厚度負偏差。隨著社會的發(fā)展，無論是過程裝備還是原材料的制備技術(shù)，與過去相比都變得越來越完善，基于材料力學(xué)性能對容器的可靠性進行設(shè)計的作用，為人們所熟知。研究結(jié)果表明，以彈性失效對應(yīng)的中徑公式為依據(jù)，計算筒體機械并確定筒壁厚度，能夠在很大程度上提升高壓容器筒體的可靠性，筒體往往通過斷裂或屈服的方式，對自身所承受壓力加以表現(xiàn)，對設(shè)備制造而言，可接受失效概率的范圍是10-5，這一數(shù)值對筒體制造具有十分重要的作用，應(yīng)引起足夠的重視。

2選材需要注意的幾個問題

高壓容器用鋼常隨高壓容器的主要參數(shù)如內(nèi)徑、壓力、溫度和介質(zhì)及制造條件，備料情況等等差異而選用不同的鋼種。常用的金屬材料有：碳鋼、低合金高強度鋼、低溫鋼、耐熱鋼及耐腐蝕介質(zhì)的不銹鋼等等。在選材時需要注意要點如下。（1）奧氏體不銹鋼，設(shè)備處于高溫高壓并且有耐腐蝕要求的操作工況時，通常會選用不銹鋼作為容器的主體材料，最常用的就是奧氏體鋼，奧氏體鋼使用溫度高于525℃時，必須保證鋼中的含碳量不小于0.04%。這是因為奧氏體鋼在使用溫度500℃～550℃時，若含碳量太低，強度及抗氧化性會顯著下降，使用溫度超過450℃時，奧氏體不銹鋼的許用應(yīng)力大大下降，所以國內(nèi)外對于常用的304、316型材料，在高溫工況下要求用H級（即S30409和S31609），含碳量要較高，主要也是考慮到耐熱及有熱強性。（2）鍛件材料，高壓容器所選用的材料對質(zhì)量的要求尤其嚴格，特別是在小直徑高壓容器的筒體選材時，由于卷板設(shè)備能力的限制，只能選用鍛件材料作為設(shè)備的主體材料，要求采用IV級鍛件，逐件要求進行拉伸和沖擊力學(xué)性能檢測，以及逐漸超聲波無損檢測，以確保材料質(zhì)量。作為III類容器的IV級鍛件，在材料采購時，不僅要求供貨商提供完整的材質(zhì)證書，還須在鍛件進廠后對性能、化學(xué)成本以及超聲波檢測等項目復(fù)驗。（3）碳鋼和低合金鋼，當(dāng)鋼板厚度大于等于12mm時，要求按NB/T47013《承壓設(shè)備無損檢測》要求逐張進行超聲波檢測，質(zhì)量等級不低于II級。（4）常用鋼板材料的交貨狀態(tài)，由于高壓容器所用鋼板的厚度較厚，對于常用的Q245R及Q345R鋼板，對于厚度低于36mm的鋼板，由于我國鋼板制造單位裝備能力和人員近年來都有了較大的提升，鋼板內(nèi)在質(zhì)量有了較大的提高，熱軋和控扎交貨的鋼板內(nèi)在質(zhì)量也達到了很高的水平，但是用于殼體的厚度大于36mm時還難以保證質(zhì)量，應(yīng)在正火狀態(tài)下使用。因為正火狀態(tài)的鋼板的金相組織和性能以及性能的穩(wěn)定性都比熱軋和控扎狀態(tài)的鋼板要好，在選材時需要重視。

3設(shè)計需要注意的幾個問題

3.1容器筒體的計算厚度

筒體厚度計算公式： 是對計算壓力Pc進行限制，也相當(dāng)于是對筒體外徑與內(nèi)件的比值K=Do/Di的限定，將K代入后以中徑公式標(biāo)識在內(nèi)壓Pc作用下的環(huán)向應(yīng)力公式為： 可以得出， 的限制條件相當(dāng)于等同于 薄壁容器設(shè)計計算的理論基礎(chǔ)來源于薄殼無力矩理論，該理論假設(shè)壁厚相對直徑足夠小，也就是K值足夠小，應(yīng)力沿著壁厚均勻分布。而由彈性力學(xué)推導(dǎo)得出的拉美公式及厚壁筒體的應(yīng)力分析可知（見厚壁圓筒的彈性應(yīng)力表一及厚壁筒體應(yīng)力分布圖）：厚壁筒中存在三個方向的應(yīng)力，其中只有軸向應(yīng)力是沿厚度均勻分布的，環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均是非均勻分布的，筒壁三向應(yīng)力中，以環(huán)向應(yīng)力最大，內(nèi)壁處達到最大值，外壁處為最小值。應(yīng)力沿著壁厚分布的不均勻程度隨著K值增大而增大。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1大口徑接管結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓容器大口徑接管結(jié)構(gòu)設(shè)計時，宜采用整體補強的嵌入式結(jié)構(gòu)，它不僅方便施焊改善受力狀況，且可以進行射線或超聲波檢測，更容易保證焊接接頭的質(zhì)量。采用嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于筒體壁厚較厚，目前通常將該處對接坡口設(shè)計為對稱U形坡口（詳見圖2），由于整體接管鍛件與筒體連接端的形狀為馬鞍形，對接處接管鍛件坡口加工難度極大，不能用車床直接加工，只能用鏜床進行加工，機加工成本昂貴。為了減少接管鍛件坡口的機加工難度，將該處焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計為K形結(jié)構(gòu)，只需用車床加工鍛件齊平即可，既可以保證該處的焊接接頭質(zhì)量，又減少機加工成本，如圖3所示。

3.2.2密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓容器的密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計，直接關(guān)乎整個設(shè)備運行安全的重要環(huán)節(jié)。高壓容器的密封結(jié)構(gòu)主要有三種：強制式密封、自緊式密封和半緊式密封，常用密封結(jié)構(gòu)適用范圍見表2。

一般來說，流體在墊片處的泄漏以兩種形式出現(xiàn)，即所謂“滲透泄漏”和“界面泄漏”，滲透泄漏與設(shè)備溫度、介質(zhì)及墊片材料有關(guān)，而界面泄漏是流體從墊片與法蘭接觸面泄漏，主要與界面間隙尺寸有關(guān)。高壓容器采用強制性密封時尤其要預(yù)防界面泄漏，這是因為強制式密封是由外部螺栓力來壓緊法蘭密封面間的密封墊片實現(xiàn)密封的。在設(shè)計時，要嚴格要求法蘭及金屬墊片的密封面機加工粗糙度Ra為0.8～3.2μm，以及在技術(shù)要求中提出，密封墊片的硬度必須低于法蘭密封面的硬度。這樣才可以保證當(dāng)法蘭螺栓擰緊時，螺栓力通過法蘭環(huán)將墊片壓緊，迫使墊片產(chǎn)生壓縮變形，將法蘭密封面上的極其微小的凹凸不平面，借助墊片變形填滿，阻止界面泄漏。當(dāng)設(shè)備充壓后，螺栓受拉伸長，密封墊片受到的壓縮量減少回彈，使法蘭依然保持良好的密封。

結(jié)語

壓力容器的設(shè)計及制造全過程涉及多個技術(shù)領(lǐng)域，包括材料、力學(xué)、冷熱加工成形、焊接、熱處理、無損檢測等。高壓容器的操作工況尤其苛刻，結(jié)構(gòu)型式更加復(fù)雜多樣，其設(shè)計或者制造階段的細微失誤，都將導(dǎo)致難以預(yù)料的事故，因此在設(shè)計階段，更要全面分析高壓容器可能出現(xiàn)的失效模式，更有針對性地進行設(shè)計，在保證高壓容器的本質(zhì)安全的基礎(chǔ)上，全面考慮選材及結(jié)構(gòu)上的經(jīng)濟性，對下料成型、焊接、無損檢測等制造階段關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出合理的技術(shù)要求，才能確保設(shè)備質(zhì)量及建造的經(jīng)濟性。

參考文獻

[1]鄭津洋.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]GB150.1-150.4-2011.壓力容器[S].

（作者單位：煙臺科瑞換熱科技有限公司）