風(fēng)洞試驗(yàn)用大型高壓氣罐的設(shè)計(jì)

趙文學(xué)，王帆，黃盧太，楊益光，劉波

（重慶水泵廠有限責(zé)任公司，重慶 400033）

1 大型高壓氣罐的要求綜述

在2019 年初，公司獲得一個(gè)大型高壓氣罐（以下簡(jiǎn)稱：氣罐）的訂單，體積23 m3，設(shè)計(jì)壓力35 MPa，2 臺(tái)，總體積為46 m3，用于風(fēng)洞研究。該設(shè)備屬于用戶的關(guān)鍵部件，是研究中的“動(dòng)力源”設(shè)備；設(shè)備的使用工況要求高，使用壓力32.5 MPa，屬于高壓設(shè)備；設(shè)備體積大，質(zhì)量重，單體設(shè)備就多達(dá)96 t，制造的難度極大。

2 氣罐的工況介紹

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的主要項(xiàng)目有測(cè)力實(shí)驗(yàn)、測(cè)壓實(shí)驗(yàn)、傳熱實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)和流態(tài)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)；測(cè)力和測(cè)壓實(shí)驗(yàn)是測(cè)定作用于模型和模型部件的氣動(dòng)力。

該氣罐主要是儲(chǔ)存足夠多的高壓氣體，在使用時(shí)，先通過電動(dòng)減壓閥轉(zhuǎn)為中壓空氣，儲(chǔ)存于中間管路上的中壓儲(chǔ)氣罐，再減壓到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所需要的壓力，通過分氣缸的多個(gè)接管來供氣和提供需要的流 量。

高壓氣罐內(nèi)部介質(zhì)是壓縮空氣，立式安裝，室內(nèi)使用，屬于間歇式使用，主要作為壓縮空氣的儲(chǔ)存和緩沖，這個(gè)設(shè)備是串聯(lián)在氣體管路上，首先壓縮機(jī)對(duì)高壓氣罐進(jìn)行充氣，當(dāng)氣罐內(nèi)部壓力升到32.5 MPa 時(shí)，停止供氣；當(dāng)后邊試驗(yàn)時(shí)出氣口對(duì)外輸出，同時(shí)前邊的壓縮機(jī)還可不停地輸入和補(bǔ)充，故這個(gè)設(shè)備屬于儲(chǔ)存和緩沖兩種功效，單個(gè)體積為23 m3，總高度要求10.5 m 以內(nèi)，正常存儲(chǔ)壓力為32.5 MPa。高壓氣罐的主要的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 高壓氣罐的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)Table 1 Design input parameters of high-pressure gas tank

3 氣罐總體設(shè)計(jì)需要考慮的地方

設(shè)計(jì)上：對(duì)用戶的設(shè)計(jì)使用壽命長（20 年）的一些嚴(yán)格要求，一直貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，從選材、強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝、吊耳設(shè)計(jì)、吊裝方法、熱處理、人孔設(shè)計(jì)等，把每一步都考慮清楚、周全。設(shè)計(jì)中主要考慮的位置和結(jié)果如表2 所示。

4 氣罐總體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)要求，按照相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壓力35 MPa，按照專用軟件SW6—2011，分別計(jì)算出主要受壓元件的厚度，設(shè)計(jì)出來后的主要參數(shù)如表3 所示，高壓氣罐的主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示。

表2 設(shè)計(jì)中主要考慮的位置和結(jié)果Table 2 Main positions & consequence considered in design

表3 設(shè)計(jì)后的主要參數(shù)Table 3 Main parameters after design

圖1 高壓氣罐的主要結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Main structural dimensions of high-pressure gas tank

4.1 氣罐的多層筒體與封頭的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筒體部分采用整體多層包扎結(jié)構(gòu)，多層圓筒與封頭的連接，見圖2。沒有深溝環(huán)焊縫，環(huán)焊縫相互錯(cuò)開，焊接應(yīng)力分布均勻，總體焊接應(yīng)力小。每個(gè)多層筒節(jié)的層板上兩側(cè)應(yīng)加工檢漏孔φ6 ～10 mm，即是焊接時(shí)的放氣孔，同時(shí)也是設(shè)備使用時(shí)信號(hào)孔。

圖2 高壓氣罐的層板與封頭的焊接結(jié)構(gòu)Fig.2 Welding structure for laminate & dish head of highpressure gas tank

4.2 氣罐的人孔與封頭的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用安放式接管結(jié)構(gòu)[2]，焊接后內(nèi)孔精加工鏜出，可以去除根部的缺陷，保證沒有未焊透，結(jié)構(gòu)見圖3。特別注意的是，球形封頭成形和熱處理回廠后，需要對(duì)封頭這個(gè)焊接位置先進(jìn)行100%的超聲檢查后再焊接，防止此處的材料分層。

圖3 人孔與封頭的焊接結(jié)構(gòu)尺寸Fig.3 Dimensional welded structure of manhole & dish head

4.3 人孔蓋采用不銹鋼堆焊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

人孔為設(shè)備在使用中檢修人員進(jìn)出的通道，也是特種設(shè)備在用檢查時(shí)的檢查孔；人孔采用內(nèi)壓式的結(jié)構(gòu)，壓力越高，密封越可靠；在人孔蓋和人孔內(nèi)部配合的兩處密封面，上下分別堆焊不銹鋼，見圖4，保證這個(gè)大型設(shè)備在設(shè)計(jì)使用壽命20 年中，不會(huì)因?yàn)橹黧w是碳鋼的原因而銹蝕，堆焊處保證精加工后的不銹鋼層還有5 mm 的耐蝕層，并且在密封面上還加工了兩道0.3 mm 深的水線，來幫助墊片的密封。另外在人孔蓋的下邊，還設(shè)計(jì)了一道O 型圈的密封，幫助最初充氣低壓時(shí)的密封。

圖4 人孔蓋堆焊不銹鋼Fig.4 Built-up welding of stainless steel for manhole cover

5 氣罐的材料選擇和設(shè)計(jì)

主體材料采用國內(nèi)最常見的低合金鋼Q345R，力學(xué)性能好，焊接性好，價(jià)格適中，容易采購，綜合的性價(jià)比高；材料的采購上，主要難點(diǎn)是封頭材料的采購，厚度達(dá)到了140 mm，需要鋼廠的專用定軋板，需要的要求高（熱處理狀態(tài)-正火，逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)，UT-Ⅱ級(jí)合格，標(biāo)準(zhǔn)NB/ T 47013.3—2015）。

人孔和接管的鍛件選用NB/T 47008—2017 的Ⅲ級(jí)鍛件；內(nèi)筒體的材料熱處理狀態(tài)-正火，逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)，UT-Ⅰ級(jí)合格。主要的材料要求見表4。

表4 主要材料要求Table 4 Main requirements for material

6 氣罐的無損檢測(cè)設(shè)計(jì)

該設(shè)備的直徑大、壓力高，焊縫的無損檢測(cè)能夠保證焊縫的內(nèi)在質(zhì)量。焊縫有主體的A、B 和gB的對(duì)接接頭，還有接管與封頭的角接焊縫，對(duì)于各種焊縫采用不同的無損檢測(cè)方法[3]，如表5 所示。該設(shè)備與常規(guī)的高壓設(shè)備的不同點(diǎn)之處：因?yàn)橥膺呌?個(gè)長進(jìn)氣管，用戶為了現(xiàn)場(chǎng)易于安裝，把進(jìn)氣管延伸到下部來，距離地面的高度是1.75 m。因?yàn)閷影宓暮附恿看螅该繉訒r(shí)都需要旋轉(zhuǎn)，進(jìn)氣管上邊彎頭與主體上封頭的焊縫需要在最后來焊接和射線檢測(cè)；則進(jìn)氣管的內(nèi)部的焊縫可以先進(jìn)行焊接，進(jìn)氣管的長度長，為φ194×36 mm，因?yàn)楹穸群?，按照?biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行100%的射線檢測(cè)。

7 氣罐的熱處理設(shè)計(jì)

內(nèi)筒熱處理：上封頭與人孔焊接，堆焊人孔內(nèi)密封面的不銹鋼后，先做一次去應(yīng)力熱處理，再精加工人孔的密封面尺寸。與下段的筒體和下封頭焊接，整體無損檢測(cè)合格后，內(nèi)筒和上下封頭及裙座短節(jié)等組焊的所有焊縫做整體熱處理，退火溫度為（620±20） ℃。這樣比HG 3129—1998《整體多層夾緊式高壓容器》和GB/T 150—2011《壓力容器》的規(guī)定（只是強(qiáng)調(diào)對(duì)縱焊縫需要熱處理）效果還要好，內(nèi)筒體上的所有的焊縫的焊接殘余應(yīng)力 小。

表5 主要無損檢測(cè)要求Table 5 Main requirements for non-destructive test

8 氣罐的水壓試驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)

水壓試驗(yàn)：為了整體檢查設(shè)備的內(nèi)部質(zhì)量，讓多層筒體的應(yīng)力分布更均勻，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)[3]，試驗(yàn)時(shí)的溫度要求大于5 ℃，無異響、無泄漏、無變形、無壓降、保壓30 min 以上為合格，重點(diǎn)關(guān)注各個(gè)焊縫點(diǎn)和人孔內(nèi)部的密封性。試驗(yàn)的壓力按標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求，為1.25 倍的設(shè)計(jì)壓力，則35×1.25 = 43.75 MPa。

9 氣罐的完工交付和運(yùn)輸

這次超重高壓氣罐的產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)、材料、工藝、焊接、吊轉(zhuǎn)、無損檢測(cè)、熱處理、水壓試驗(yàn)等的全過程精心策劃下，保質(zhì)保交期制作完成，實(shí)現(xiàn)了順利交貨，現(xiàn)在用戶已經(jīng)管路安裝和安全使用。

10 結(jié)束語

因?yàn)樵O(shè)計(jì)初期就對(duì)該大型高壓氣罐的技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行仔細(xì)解讀，對(duì)使用條件充分了解，對(duì)細(xì)則的充分考慮，從設(shè)備用途和工況，采用先進(jìn)的整體多層包扎結(jié)構(gòu)，主體材料選用低合金鋼Q345R，人孔密封面堆焊不銹鋼來提高使用壽命20 年，全部焊縫的無損檢測(cè)，設(shè)備內(nèi)筒和上下封頭一起整體爐內(nèi)熱處理（最大限度的去消除內(nèi)筒體的焊接殘余應(yīng)力）。從各個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作工藝上都綜合考慮，故該大型高壓氣罐的制造和水壓試驗(yàn)都一次通過，順利交付，用戶已安全使用，質(zhì)量可靠，為以后設(shè)計(jì)制造大型高壓設(shè)備積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。