一種耐高溫高壓容器松襯結(jié)構(gòu)

陸惠龍

（江蘇永大化工設(shè)備有限公司， 江蘇 泰州 225321）

化工生產(chǎn)具有高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性的特點(diǎn)。為滿足抗腐蝕的需要，降低投資成本，保證化工生產(chǎn)的連續(xù)性、安全性，通常采用碳鋼作為化工壓力容器的承壓殼體，與介質(zhì)接觸的內(nèi)襯里部分則采用抗腐蝕強(qiáng)的材料如不銹鋼等，以滿足耐腐蝕的要求。

目前，為解決此問題，一般采用復(fù)合鋼板進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。但對小直徑設(shè)備、修理設(shè)備及特殊結(jié)構(gòu)零部件（如法蘭等），無法進(jìn)行復(fù)合板訂貨或訂貨價(jià)格較高，采用堆焊成本也很高，這類抗腐蝕介質(zhì)的壓力容器等設(shè)備一般采用不銹鋼松襯里結(jié)構(gòu)。因此，針對各種類型的不銹鋼松襯與壓力容器承壓殼體的質(zhì)量控制尤為重要。對于特殊結(jié)構(gòu)零部件（如人孔法蘭、人孔蓋等），往往采用松襯里結(jié)構(gòu)，其制造方法采用局部貼襯，對法蘭蓋類貼襯均采用局部鉆孔塞焊和周邊密封焊并開檢漏孔的辦法解決。

松襯不銹鋼設(shè)備在高溫使用中，由于碳鋼與不銹鋼的膨脹率不同，不銹鋼相對碳鋼伸長，需要考慮溫度升高后的應(yīng)力及失穩(wěn)問題以及降溫過程中，因此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力問題。實(shí)際使用過程中，經(jīng)常發(fā)生塞焊焊縫被破壞，如圖1。如果碳鋼與不銹鋼襯層間存在空氣，將會因升降溫過程，襯層有可能處于受外壓狀態(tài)而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞如圖2。

如圖1所示的一臺E-2901混氫油/二反產(chǎn)物換熱器。

圖1 塞焊焊縫被破壞

圖2 失穩(wěn)

1 不銹鋼襯里受力分析

為解決不銹鋼襯里失效問題，首先要對使用情況作一分析。松襯結(jié)構(gòu)必然存在空氣間隙。在高溫高壓介質(zhì)下，該間隙縮小并可能產(chǎn)生壓應(yīng)力。若該間隙無排氣孔，則氣腔可根據(jù)p1v1/t1=p2v2/t2計(jì)算出實(shí)際壓力。而容器在極端情況下，快速排空亦會造成瞬時(shí)真空狀態(tài)。假設(shè)設(shè)備以350℃運(yùn)行，則極端情況下承受外壓約在0.2MPa。由于內(nèi)襯層厚度與筒體相差較大，首先假設(shè)內(nèi)襯層四周焊縫為剛性固定。則按照GB150，可計(jì)算出內(nèi)襯厚度。該厚度一般大于標(biāo)準(zhǔn)襯層標(biāo)準(zhǔn)厚度，可以通過減小筒體計(jì)算厚度來達(dá)到滿足極端工況。

對于大直徑復(fù)合板內(nèi)筒體局部破壞，可以按受局部外壓的短圓筒公式計(jì)算[1]：

根據(jù)GB150-2011[2]，設(shè)備圓筒工作時(shí)的應(yīng)力：

假設(shè)襯里板材規(guī)格為A×B（見圖3），則受力面積S=A×B。襯里受到的力F=σt×S，即σt=F/S。當(dāng)σt≤[σt]時(shí)，則襯里不被破壞。

圖3

式中σt指殼體與襯里層之間的剪切應(yīng)力，[σt]指熔合金屬抗剪切許用應(yīng)力。工程上常采用焊縫金屬的許用應(yīng)力乘以系數(shù)K。對于碳鋼、低合金鋼，K取0.3～0.5。S=所有焊縫連接面積。根據(jù)焊接坡口尺寸等可以推算出需要的焊縫長度。在此，焊縫總長度除了四周連接焊縫，還可以在襯板中間增加焊縫，在一個(gè)縱環(huán)縫框內(nèi)中心加十字焊縫等來解決。同樣的，整圈襯板也需按此計(jì)算出需要的焊縫面積進(jìn)行塞焊或開縫焊。

對于法蘭蓋襯板的情況，實(shí)際使用情況中，襯板周邊是剛性固定狀態(tài)，一般參照GB/150法蘭計(jì)算，也可以改用整圈環(huán)形焊縫代替塞焊縫。環(huán)形焊縫可視作為剛性固定，縮短真空下的計(jì)算長度或當(dāng)量直徑，通過把計(jì)算的當(dāng)量直徑減小從而減小所需要的襯里厚度，提高耐真空效果，使其具有耐高溫、耐腐蝕的功能。

圖4

在一定焊縫間距范圍內(nèi)，采用加厚襯板厚度，提高屈服極限，減小當(dāng)量長度，如圖5。

圖5

2 制造

(1)從焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度看，襯層一般采用塞焊結(jié)構(gòu)。從焊接結(jié)構(gòu)上看，塞焊長時(shí)間在一個(gè)點(diǎn)焊接，容易產(chǎn)生過熱等缺陷。塞焊位置是一個(gè)垂直的孔，容易產(chǎn)生夾渣、未焊透等缺陷。從強(qiáng)度看，一個(gè)塞焊點(diǎn)的焊縫一般相當(dāng)于塞焊孔圓周長，與基材的連接強(qiáng)度并不大。參考JB/TQ267-81的規(guī)定如表1：

表1

由表1可見，有相當(dāng)多的塞焊孔，將很難保證質(zhì)量。

若改用開縱環(huán)焊縫焊接，則有很多優(yōu)點(diǎn)：由于要與母材焊接，有間隙比較大，可保證兩側(cè)強(qiáng)度相同。相當(dāng)于帶襯墊的焊縫，焊接質(zhì)量高，很容易滿足探傷要求。且縱環(huán)縫由于長度比較大，很容易滿足JB/TQ267-81采用塞焊所要求的連接強(qiáng)度。焊接采用過渡層焊條+蓋面層焊條結(jié)合，可以保證焊縫質(zhì)量。

襯筒與本體間隙，JB/TQ267-81規(guī)定塞焊孔或拼焊邊緣與殼體間間隙不大于0.3mm。文獻(xiàn)5得出襯管與接管間的允許間隙公式：

(3)襯板四周開裂是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，源于四周焊縫均為角焊縫，強(qiáng)度比襯板要低。要增強(qiáng)該處強(qiáng)度，必須增加角焊縫焊腳高度達(dá)到或高于襯板厚度。

3 小結(jié)

不銹鋼松襯結(jié)構(gòu)由于制造或設(shè)計(jì)的原因，會造成不同程度的失效。對各種不同的失效情況，可以采用不同的解決辦法：

(1)對于不開信號孔或信號孔容易堵塞的情況，根據(jù)外壓容器計(jì)算襯里厚度時(shí)需要根據(jù)氣體熱膨脹定律調(diào)整設(shè)計(jì)壓力。

(2)對于局部外壓，需要根據(jù)局部外壓情況進(jìn)行計(jì)算，并考慮受力情況增加局部塞焊或縫焊。

(3)對于法蘭蓋襯板情況，按GB/150直接計(jì)算；對大直徑情況，可以增加加強(qiáng)筋或縫焊來提高耐熱耐壓性能。

(4)在制造工藝上，以縫焊代替塞焊，可以提高焊接質(zhì)量。

(5)松襯里與筒體的間隙，控制在變形率0.4%。

(6)四周角焊縫必須提高焊腳高度，以保證焊縫強(qiáng)度。