姜媛媛

摘 要：在改革開(kāi)放的新時(shí)期，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，高壓容器在國(guó)防軍工、石油化工及電力工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)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(huì)對(duì)人和設(shè)施造成非常嚴(yán)重的傷害。對(duì)單層高壓容器設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的技術(shù)要點(diǎn)，如殼體材料選擇、筒體壁厚的計(jì)算、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析，給出了設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中應(yīng)慎重考慮的一些要點(diǎn)。

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

引言

在以煉油為代表的工業(yè)部門(mén)，高壓容器的“身影”頻頻出現(xiàn)，無(wú)論是聚乙烯反應(yīng)器、氫裂化反應(yīng)器還是其他化工機(jī)械，與高壓容器間都存在著十分緊密的聯(lián)系，對(duì)擁有厚壁和大體積的重型化工機(jī)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(lái)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(kāi)了系統(tǒng)、深入的探究，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1高壓容器筒體可靠性探究

通過(guò)對(duì)高壓容器筒體在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要應(yīng)用到的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究能夠看出，厚度因素是需要重點(diǎn)考慮的部分，例如，結(jié)合實(shí)際需求對(duì)厚度、厚度附加量進(jìn)行計(jì)算。厚度計(jì)算是指根據(jù)公式對(duì)壓力進(jìn)行計(jì)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(fù)偏差。隨著社會(huì)的發(fā)展，無(wú)論是過(guò)程裝備還是原材料的制備技術(shù)，與過(guò)去相比都變得越來(lái)越完善，基于材料力學(xué)性能對(duì)容器的可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)的作用，為人們所熟知。研究結(jié)果表明，以彈性失效對(duì)應(yīng)的中徑公式為依據(jù)，計(jì)算筒體機(jī)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(guò)斷裂或屈服的方式，對(duì)自身所承受壓力加以表現(xiàn)，對(duì)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(duì)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(gè)問(wèn)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(qiáng)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(shí)需要注意要點(diǎn)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(shí)，通常會(huì)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(shí)，必須保證鋼中的含碳量不小于0.04%。這是因?yàn)閵W氏體鋼在使用溫度500℃～550℃時(shí)，若含碳量太低，強(qiáng)度及抗氧化性會(huì)顯著下降，使用溫度超過(guò)450℃時(shí)，奧氏體不銹鋼的許用應(yīng)力大大下降，所以國(guó)內(nèi)外對(duì)于常用的304、316型材料，在高溫工況下要求用H級(jí)（即S30409和S31609），含碳量要較高，主要也是考慮到耐熱及有熱強(qiáng)性。（2）鍛件材料，高壓容器所選用的材料對(duì)質(zhì)量的要求尤其嚴(yán)格，特別是在小直徑高壓容器的筒體選材時(shí)，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(jí)鍛件，逐件要求進(jìn)行拉伸和沖擊力學(xué)性能檢測(cè)，以及逐漸超聲波無(wú)損檢測(cè)，以確保材料質(zhì)量。作為III類(lèi)容器的IV級(jí)鍛件，在材料采購(gòu)時(shí)，不僅要求供貨商提供完整的材質(zhì)證書(shū)，還須在鍛件進(jìn)廠后對(duì)性能、化學(xué)成本以及超聲波檢測(cè)等項(xiàng)目復(fù)驗(yàn)。（3）碳鋼和低合金鋼，當(dāng)鋼板厚度大于等于12mm時(shí)，要求按NB/T47013《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》要求逐張進(jìn)行超聲波檢測(cè)，質(zhì)量等級(jí)不低于II級(jí)。（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(duì)于常用的Q245R及Q345R鋼板，對(duì)于厚度低于36mm的鋼板，由于我國(guó)鋼板制造單位裝備能力和人員近年來(lái)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(dá)到了很高的水平，但是用于殼體的厚度大于36mm時(shí)還難以保證質(zhì)量，應(yīng)在正火狀態(tài)下使用。因?yàn)檎馉顟B(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(shí)需要重視。

3設(shè)計(jì)需要注意的幾個(gè)問(wèn)題

3.1容器筒體的計(jì)算厚度

筒體厚度計(jì)算公式： 是對(duì)計(jì)算壓力Pc進(jìn)行限制，也相當(dāng)于是對(duì)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(shí)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(jì)計(jì)算的理論基礎(chǔ)來(lái)源于薄殼無(wú)力矩理論，該理論假設(shè)壁厚相對(duì)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(jiàn)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(gè)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(dá)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(jì)

3.2.1大口徑接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓容器大口徑接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，宜采用整體補(bǔ)強(qiáng)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(jìn)行射線或超聲波檢測(cè)，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(jì)時(shí)，由于筒體壁厚較厚，目前通常將該處對(duì)接坡口設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)U形坡口（詳見(jiàn)圖2），由于整體接管鍛件與筒體連接端的形狀為馬鞍形，對(duì)接處接管鍛件坡口加工難度極大，不能用車(chē)床直接加工，只能用鏜床進(jìn)行加工，機(jī)加工成本昂貴。為了減少接管鍛件坡口的機(jī)加工難度，將該處焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為K形結(jié)構(gòu)，只需用車(chē)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(jī)加工成本，如圖3所示。

3.2.2密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓容器的密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，直接關(guān)乎整個(gè)設(shè)備運(yùn)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(qiáng)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(jiàn)表2。

一般來(lái)說(shuō)，流體在墊片處的泄漏以?xún)煞N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(qiáng)制性密封時(shí)尤其要預(yù)防界面泄漏，這是因?yàn)閺?qiáng)制式密封是由外部螺栓力來(lái)壓緊法蘭密封面間的密封墊片實(shí)現(xiàn)密封的。在設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格要求法蘭及金屬墊片的密封面機(jī)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(shí)，螺栓力通過(guò)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(zhǎng)，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(yǔ)

壓力容器的設(shè)計(jì)及制造全過(guò)程涉及多個(gè)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(wú)損檢測(cè)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(jì)或者制造階段的細(xì)微失誤，都將導(dǎo)致難以預(yù)料的事故，因此在設(shè)計(jì)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(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)性，對(duì)下料成型、焊接、無(wú)損檢測(cè)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(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭津洋.過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[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(tái)科瑞換熱科技有限公司）