高壓容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)制造問(wèn)題研究

黃婧 包世成 馮超 孫曉超 徐豐 郭永勝

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)石油的需求越來(lái)越多。高壓容器設(shè)備在石油行業(yè)的生產(chǎn)中占有十分重要的地位，在很多石油石化企業(yè)中被廣泛使用。高壓容器的主要特點(diǎn)是其能夠承受巨大壓力，同時(shí)也能夠在惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，高壓容器能適用于高溫、易爆且環(huán)境中具有強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)中?；诖?，文章針對(duì)高壓容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)其參數(shù)化模型與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)其制造要點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，從而為高壓容器在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：高壓容器;結(jié)構(gòu)特點(diǎn);設(shè)計(jì)要點(diǎn);模型;制造要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TQ051.3 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0091-02

Abstract： With the development of China's economy， there is more and more demand for oil. High pressure vessel equipment plays a very important role in the production of petroleum industry and is widely used in many petroleum and petrochemical enterprises. The main characteristic of high pressure vessel is that it can withstand great pressure， but also can be used in harsh environment. At the same time， high pressure vessels can be applied to high temperature， explosive and highly corrosive media in the environment. Based on this， according to the structural and design characteristics of high-pressure vessels， this paper analyzes its parametric model and data， and summarizes the key points of its manufacture， so as to provide a certain reference for the application of high-pressure vessels in practical engineering.

Keywords： high pressure vessel; structural characteristics; key points of design; model; key points of manufacture

引言

隨著我國(guó)石油化工的高速發(fā)展，生產(chǎn)石油過(guò)程中用到的裝置逐漸大型化，在惡劣環(huán)境中對(duì)高壓容器裝置的使用頻率越來(lái)越高，對(duì)高壓容器的設(shè)計(jì)也提出了新的要求。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高壓容器的設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合高壓容器的工作環(huán)境，考慮環(huán)境中的各種影響因素，根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮高壓容器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從而保證高壓容器在復(fù)雜的環(huán)境中具有高性能與高穩(wěn)定性;進(jìn)行高壓容器設(shè)計(jì)時(shí)，還需要嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家的法律法規(guī)和相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，減小設(shè)計(jì)失誤的發(fā)生。

1 高壓容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高壓容器結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，其高壓容器筒身不能開孔，其筒身采用平蓋或者球形的封頭方式，同時(shí)高壓容器的密封結(jié)構(gòu)較為特殊。

首先，高壓容器的結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)，主要體現(xiàn)在高壓容器的應(yīng)力水平較高，整個(gè)高壓容器的直徑較大，整個(gè)容器的壁面較厚。另外，在對(duì)高壓容器進(jìn)行加工時(shí)，需要使用大型的加工設(shè)備，同時(shí)在加工過(guò)程中需要注意焊接問(wèn)題，嚴(yán)格控制焊接成本。此外，高壓容器的直徑越大，在使用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行密封就越難，因此在設(shè)計(jì)中對(duì)高壓容器的容積有一定的要求，需保證其整體的長(zhǎng)度。

其次，高壓容器壁本身應(yīng)力水平較高，如果在高壓容器的筒壁開孔則會(huì)造成孔附近的壓力增大2-3倍，給高壓容器的施工帶來(lái)嚴(yán)重困難。所以為了保證高壓容器滿足設(shè)計(jì)要求及技術(shù)強(qiáng)度要求，在設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量避開在高壓容器的壁面開孔，可以將孔洞設(shè)計(jì)在端蓋上，同時(shí)需要保證孔徑盡可能小。

第三，在設(shè)計(jì)高壓容器的端蓋時(shí)，需要保證其有足夠的厚度，由于高壓容器的密封結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，如果端蓋的直徑較小，可以選擇直接拆掉端蓋，在選擇端蓋的形狀時(shí)盡量選擇圓形的平蓋。這是因?yàn)槠叫投松w受力十分有限，同時(shí)平蓋的加工材料較多，造成整個(gè)平蓋顯得十分笨重。而球形端蓋的受力較好，在直徑較大的高壓容器中應(yīng)用廣泛。

第四，高壓容器的密封形式對(duì)整個(gè)加工過(guò)程十分重要，對(duì)加工技術(shù)的要求也比較高，一般在進(jìn)行加工時(shí)選擇金屬密封圈，同時(shí)對(duì)高壓容器盡可能使用介質(zhì)來(lái)確保其密封緊密。在設(shè)計(jì)高壓容器時(shí)盡量少使用拆卸結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，一般高壓容器的密封采用可拆卸方式，而高壓容器的另一端為固定結(jié)構(gòu)。

第五，由于高壓容器筒壁具有很強(qiáng)的應(yīng)力，而高壓容器本身具有一定重力，如果將高壓容器的支座焊接在筒壁上，會(huì)在支座附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力，當(dāng)高壓容器中含有層板時(shí)就會(huì)增大筒壁層間的間隙。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免將高壓支座設(shè)計(jì)在高壓壁上，可以選擇將支座放置在底部的封頭上。一般小型的高壓容器選擇環(huán)形支座，大型高壓容器選擇裙式支座。

2 高壓容器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 筒體厚度的計(jì)算

高壓容器筒體厚度的計(jì)算公式如下：

在公式中有對(duì)壓力進(jìn)行限定，也就是對(duì)高壓容器設(shè)備內(nèi)徑與外徑的大小進(jìn)行限定，當(dāng)高壓容器的壁是薄壁時(shí)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是薄膜應(yīng)力公式推導(dǎo)出來(lái)的旋轉(zhuǎn)薄殼應(yīng)力無(wú)力矩理論;而高壓容器的壁是厚容器壁時(shí)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)是彈性應(yīng)力推導(dǎo)出來(lái)的拉美計(jì)算公式。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行高壓容器的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，需要考慮設(shè)計(jì)值與實(shí)際值之間的應(yīng)力誤差。

2.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接管實(shí)際外伸高度的確定

設(shè)計(jì)的高壓容器通常采用的是厚壁管對(duì)補(bǔ)其強(qiáng)度，筒管中實(shí)際外延伸的部分為能提供等厚補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)度的接管的外伸高度，同時(shí)需要舍去承擔(dān)密封功能的那部分筒體高度。在實(shí)際進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接管時(shí)，外伸長(zhǎng)度如果考慮了長(zhǎng)頸法蘭，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的錯(cuò)誤，并且會(huì)使高壓容器在工作過(guò)程中存在很大的安全隱患，最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法是將h1作為接管時(shí)實(shí)際外伸高度h，如圖1所示。

2.3 筒體與球形封頭的對(duì)接接頭形式

確定了筒體的封頭厚度后要對(duì)筒體進(jìn)行焊接，在焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)筒體厚度比球形封頭要大，這是因?yàn)榍蛐蔚姆忸^其環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力要大。高壓容器的圓筒中，其環(huán)向應(yīng)力比軸向應(yīng)力大很多，而當(dāng)圓筒的直徑相同時(shí)，球殼的厚度僅僅只有筒體厚度的一半，當(dāng)兩者的厚度相差太多時(shí)，需要對(duì)圓筒的邊緣進(jìn)行削薄處理。在設(shè)計(jì)時(shí)，筒體坡口形式常常被設(shè)計(jì)者所忽視，造成嚴(yán)重的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，如圖2所示。

2.4 密封形式的選擇

高壓容器的密封形式主要有三種，即：強(qiáng)制式密封、自緊式密封和半自緊式密封。高壓容器密封的好壞對(duì)整個(gè)容器安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的影響，是設(shè)計(jì)中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，具體選用何種密封形式需要根據(jù)高壓容器的介質(zhì)、溫度及高壓容器運(yùn)行的具體工藝條件進(jìn)行選擇。

3 高壓容器參數(shù)化模型與數(shù)據(jù)分析

整個(gè)高壓容器的設(shè)計(jì)壓力是26MPa，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)在三維軟件中進(jìn)行建模，利用ICEM對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行自動(dòng)分配網(wǎng)格，對(duì)高壓容器容易受到應(yīng)力大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，這樣保證計(jì)算的結(jié)果具有足夠的精度，且計(jì)算結(jié)果更加與實(shí)際值相接近，通過(guò)對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到該模型的網(wǎng)格總的結(jié)點(diǎn)數(shù)197860，單元數(shù)是43678。在進(jìn)行數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要正確地施加均勻地分布載荷和模型約束，才能使數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際情況相符。將數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到該高壓容器的應(yīng)力等效圖（如圖3所示），從圖中可以看到該高壓容器的封頭內(nèi)外應(yīng)力分布均勻，沒有出現(xiàn)很大的應(yīng)力突變，也沒有超出該高壓容器的最大許用應(yīng)力，所示滿足設(shè)計(jì)需求。

4 高壓容器的制造要點(diǎn)分析

4.1 受壓元件成形減薄

高壓容器的鋼板材料厚度不同，其許用應(yīng)力的承載范圍也是不一樣的，當(dāng)高壓容器的鋼板越厚時(shí)，其鋼板的許用應(yīng)力就越低，需要注意鋼板的厚度極限。當(dāng)鋼板厚度接近該鋼板的厚度極限值時(shí)，許應(yīng)力會(huì)存在跳檔的現(xiàn)象，在實(shí)際的設(shè)計(jì)時(shí)需要給制造單位留足加工的裕量，以保證鋼板具有足夠的厚度。

4.2 材料代用

在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)存在材料緊缺的現(xiàn)象，材料供應(yīng)不上的問(wèn)題，這時(shí)產(chǎn)品制造商會(huì)使用其他材料代替原來(lái)元件的制造材料，當(dāng)采用厚板代替薄板時(shí)需要實(shí)時(shí)查看該厚板材料是否滿足高壓容器的應(yīng)力需求，新用材料的許用應(yīng)力是否會(huì)因?yàn)榘宓暮穸茸兓a(chǎn)生變化，如果新用材料的許用應(yīng)力降低，則需要重新計(jì)算新用材料的厚度，核算該元件的計(jì)算厚度，以保證應(yīng)力滿足需求。

4.3 凸形封頭成形母材試板

高壓容器的封頭板材厚度比較大，根據(jù)板材的使用要求，當(dāng)板材厚度超過(guò)厚度極限時(shí)需要對(duì)板材的使用狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，厚壁狀態(tài)的封頭通常需要對(duì)其進(jìn)行熱壓成形，在對(duì)其加熱過(guò)程中由于加熱的溫度很高，很容易破壞原材料的供貨狀態(tài)。如果加熱過(guò)程破壞了原材料的供貨狀態(tài)，需要進(jìn)行相應(yīng)的熱處理使加熱材料恢復(fù)原材料的狀態(tài)，同時(shí)需要附上與原材料相同批次的母版試件，以備在高壓頭封頭完工后進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)檢驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

高壓容器在制造及使用過(guò)程中會(huì)涉及很多的技術(shù)領(lǐng)域，高壓容器的操作過(guò)程十分復(fù)雜，需要在設(shè)計(jì)及操作階段盡量保證零失誤。因此需要在設(shè)計(jì)階段全面分析高壓容器可能出現(xiàn)的失效模式，并且對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)以保證高壓容器能夠安全穩(wěn)定地生產(chǎn)。在生產(chǎn)階段需要對(duì)高壓容器的材料成型及焊接無(wú)損檢測(cè)提出合理的技術(shù)性要求，才能保證高壓容器的質(zhì)量。

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