化工機(jī)械高壓容器筒體的制造研究

滕 菲，高 賀

（大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116100）

化工機(jī)械高壓容器筒體的制造研究

滕 菲1，高 賀1

（大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116100）

目前，受到工業(yè)的發(fā)展影響與推動，我國的機(jī)械設(shè)備制造領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的發(fā)展與進(jìn)步，而高壓容器作為其中一種非常關(guān)鍵的設(shè)備，無論是在化工還是在煉油等多個領(lǐng)域當(dāng)中，都已經(jīng)得到了非常廣泛推廣與應(yīng)用，其種類較多，如甲醇合成塔、聚乙烯反應(yīng)器等，在實(shí)踐中，其操作壓力高達(dá)10MPa以上，通常是大而壁厚的重型設(shè)備，對制造質(zhì)量要求較高。因此，就針對化工機(jī)械高壓容器筒體的制造研究進(jìn)行簡單分析，以供參考。

化工機(jī)械；高壓容器筒體；制造

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化工業(yè)水平在不斷地提升，高壓容器筒體制造在化工、石油等方面的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。在傳統(tǒng)的化工機(jī)械高壓容器筒體制造設(shè)計(jì)中，基于對容器安全性的考慮，設(shè)計(jì)者都會增加容器的壁厚，來增強(qiáng)容器的承壓能力。但是這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法會加大對容器的研發(fā)投入和運(yùn)輸成本，并且依據(jù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)原理也并不具有安全性。所以對化工機(jī)械高壓容器筒體制造提升安全性降低成本已經(jīng)成為設(shè)計(jì)者關(guān)注的問題。因此加強(qiáng)對化工機(jī)械高壓容器筒體制造的研究具有現(xiàn)實(shí)意義，能夠幫助我們更為深入的了解和掌握該項(xiàng)制造工藝。

1 高壓容器筒體可靠性設(shè)計(jì)分析

就高壓容器筒體常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來看，設(shè)計(jì)時需要充分考慮厚度因素，如計(jì)算厚度與厚度附加量。前者主要是指按照公式計(jì)算壓力獲得的厚度，而后者主要是鋼材厚度負(fù)偏差及腐蝕欲量等構(gòu)成。由于鋼材在介質(zhì)中的均勻腐蝕速率確定容器使用壽命。現(xiàn)階段，原材料制造技術(shù)、過程裝備制造技術(shù)等水平日趨提升，以材料力學(xué)性能等作為參數(shù)的容器可靠性設(shè)計(jì)得到了廣泛關(guān)注。就當(dāng)前實(shí)踐研究來看，對于內(nèi)壓圓筒體可靠性設(shè)計(jì)多以彈性失效的中徑公式作為對筒體極限來計(jì)算，最終確定筒壁的厚度。在筒體承受壓力過程中，主要通過屈服和斷裂兩種失效方式表現(xiàn)自身承受能力。根據(jù)現(xiàn)階段已有研究成果來看，實(shí)踐環(huán)境當(dāng)中，介質(zhì)與環(huán)境對壓力容器及管道的最大腐蝕深度與極大值分布相協(xié)調(diào)。在設(shè)備制造中，應(yīng)用較為廣泛的失效概率為10-5，成為領(lǐng)域可接受概率[1]。

2 化工機(jī)械高壓容器筒體制造策略的實(shí)施

2.1單層卷焊式

就厚度方向而言，筒體壁厚主要是由單一整體材料構(gòu)成，以此來避免介質(zhì)對其內(nèi)部產(chǎn)生的腐蝕性。就制造工藝而言，單層圓筒體可以單層卷焊式、整體鍛造式等多種類型。其中第一種作為使用較為廣泛的一種筒體型式，在制作中，主要是利用鋼板在大型卷板機(jī)上卷成圓筒，然后將縱向縫隙進(jìn)行焊接處理后形成筒節(jié)，并與封頭或者端部法蘭組裝、焊接處理后形成容器。單層卷焊式高壓容器的制造與中低壓容器存在相似之處，上文已經(jīng)提到了其制作過程。但是單層卷焊式高壓容器整體厚度較大，在很大程度上提升了筒體的承壓能力，且當(dāng)前常用的材料為高強(qiáng)度低合金鋼，當(dāng)中蘊(yùn)含的合金成分具有較強(qiáng)的裂紋敏感性特點(diǎn)，對此對焊接工藝要求較高，高超的焊接工藝能夠提高設(shè)備制造質(zhì)量[2]。

2.2整體鍛造式

整體鍛造式結(jié)構(gòu)起源較早，具有較為深厚的應(yīng)用基礎(chǔ)，在具體應(yīng)用過程中，需要將筒體與法蘭整合到一起，或者采用螺紋將二者連接，由于不需要焊接技術(shù)，因此整個筒體不存在焊縫，節(jié)省了一道制造工序。分段焊接是焊接技術(shù)出現(xiàn)后的產(chǎn)物，利用焊接技術(shù)能夠預(yù)先制成鍛焊式筒體。由于整體鍛造制造工藝的特殊性，能夠更好地滿足高壓等容器需求，以此來滿足生產(chǎn)需求。筒體制造時，應(yīng)對鋼坯進(jìn)行穿孔處理，并進(jìn)行加熱處理，當(dāng)達(dá)到一定溫度時，將一個芯軸穿入其中，而后在水壓機(jī)上按照需求鍛造相應(yīng)的筒體，最后進(jìn)行內(nèi)、外壁機(jī)械加工，容器頂部與底部需要與筒體一起鍛造而成。或者采取機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)對鍛件的加工和處理。該類具有強(qiáng)度高等優(yōu)勢，究其根本在于鋼錠中存在缺陷的位置已經(jīng)被切割掉，提高了組織整體密實(shí)性[3]。

2.3多層包扎式

現(xiàn)階段，多層包扎式高壓容器應(yīng)用范圍較廣，該類容器主要是選擇厚度在12mm～25mm的優(yōu)質(zhì)鋼板進(jìn)行卷焊處理后，并借助射線檢測及機(jī)械加工對焊縫進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后將預(yù)先制成的厚度為6mm～12mm的瓦片覆蓋到內(nèi)筒上，最后通過鋼絲點(diǎn)焊增強(qiáng)筒體穩(wěn)固性，按照設(shè)計(jì)要求控制厚度，并進(jìn)行細(xì)致化處理，對筒節(jié)包扎處理后，才借助相應(yīng)的工具進(jìn)行機(jī)械化加工，最終完成整個容器的制造。

2.4繞帶式

繞帶式高壓容器筒體是在內(nèi)筒外面以一定的預(yù)緊力纏繞數(shù)層鋼帶而制成。一般情況下，鋼帶主要包括兩種形式，一種是槽型鋼帶；另一種是普通的扁平鋼帶。具體制造工藝如下。一方面，槽型方面。內(nèi)筒厚度占據(jù)總厚度的25%。經(jīng)過試驗(yàn)檢測之后，應(yīng)在其外表加工出三處螺紋槽，為后續(xù)制造做好鋪墊，同時提高凹槽與凸槽的咬合度形成最佳螺旋形結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，較為常用的鋼帶尺寸為79mm×8mm，且選擇厚度為12mm～25mm的優(yōu)質(zhì)鋼板制造而成。使用這種鋼帶，能夠顯著提升鋼帶與內(nèi)筒之間的嚙合度，增強(qiáng)筒體使用性能，適應(yīng)更高壓力環(huán)境的工作，同時促使繞帶層具有更強(qiáng)的軸向力[4]。另一方面，扁平方面。這種結(jié)構(gòu)主要是在原有內(nèi)筒基礎(chǔ)上，繞上數(shù)層扁平鋼帶制作而成。一般來說，內(nèi)筒主要采用16mm～25mm厚度的低合金鋼板，并借助卷焊技術(shù)，對鋼板進(jìn)行焊接，促使其形成筒狀，并將不同的筒節(jié)連接到一起。內(nèi)筒厚度同樣控制在總厚度的25%，筒節(jié)的縱向縫隙應(yīng)進(jìn)行錯開，且將縫隙之間的距離保持在200mm以上。環(huán)焊縫處理之初，應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱處理，當(dāng)內(nèi)筒焊接完成后，再采用砂輪將焊接位置進(jìn)行抹平處理，提高機(jī)械設(shè)備制造質(zhì)量，最終將其與封頭連接到一起，經(jīng)過無損檢查后，纏繞上鋼帶，然后投入到使用當(dāng)中。

2.5繞板式

繞板式容器是一種多層容器的具體類型，主要是由薄鋼板繞卷后形成的筒節(jié)。繞板式容器是在原有筒體基礎(chǔ)上發(fā)展而來，促使其具備多層包扎容器的多種特點(diǎn)，如制造難度低、安全性高等。加之筒節(jié)是預(yù)先燒制而成，與多層包扎容器比較來看，焊接工作量減少了且能夠顯著提升生產(chǎn)效率及質(zhì)量。這種筒體由內(nèi)筒、繞板及外筒3個部分構(gòu)成，由內(nèi)向外厚度呈現(xiàn)遞減趨勢，最終形成符合要求的筒體。

2.6熱套式

將鋼板進(jìn)行捲制且將兩層及其以上的圓筒與加熱后的外筒套合到一起就是熱套式制造過程。由于加熱處理后，能夠省筒節(jié)剩余盈應(yīng)力，成為大型設(shè)備制造的關(guān)鍵。熱套式高壓容器需要的后壁主要是結(jié)合具體需求，并將其分為相近的圓筒，然后將外層筒加熱處理后，最終形成筒體。上述制造工藝是目前化工機(jī)械高壓容器筒體制造的主要工藝，在實(shí)踐中取得了顯著成效，可以結(jié)合實(shí)際要求，選擇合適的制造工藝提供筒體制造水平[5]。

3 結(jié)語

總而言之，根據(jù)上文所述，筒體是高壓容器的必不可少的一部分，其制造質(zhì)量及效率直接決定化工生產(chǎn)效果。因此在具體制造過程中，應(yīng)加強(qiáng)對筒體制造工藝的研究，結(jié)合實(shí)際需求，充分考慮筒體制造涉及的溫度、壓力等多項(xiàng)因素，并選擇優(yōu)質(zhì)鋼板，加強(qiáng)對制造前可靠性試驗(yàn)，不斷提高筒體制造工藝，降低制造成本，從而推進(jìn)我國化工、煉油等領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展。

[1] 劉子良.化工機(jī)械高壓容器筒體的制造[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，（3）：58.

[2] 全黃河.大型高壓容器雙錐密封系統(tǒng)數(shù)值模擬研究[D].昆明理工大學(xué)，2010.

[3] 甄亮.整體多層夾緊式高壓容器預(yù)應(yīng)力研究[D].華南理工大學(xué)，2012.

[4] 徐長江.縮套式超高壓容器的有限元及疲勞分析[D].吉林大學(xué)，2013.

[5] 李宇達(dá).多層包扎式結(jié)構(gòu)在高壓容器中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2014，（2）：1-5.

Manufacturing Research Chemical Machinery Pressure Vessel Barrel

Teng Fei，Gao He

Currently，affected by industrial development and promotion，China's machinery and equipment manufacturing sectors to achieve further development and progress，and the pressure vessel as one of critical equipment，whether chemical or refi ning and other among areas，have been very widely promotion and application of the type more，such as methanol synthesis reactor，polyethylene reactors，in practice，the operating pressure of up to 10MPa or more，usually a large wall thickness of heavy equipment，manufacturing quality requirements higher.Therefore，this paper analyzes a simple chemical machinery manufacturing research for pressure vessel cylinder，for reference.

chemical machinery；pressure vessel cylinder；Manufacturing

TQ051.3

A

1003-6490（2016）01-0090-02

2016-01-24

滕菲（1987—），男，遼寧大連人，工程師，主要研究方向?yàn)閴毫θ萜骱附庸に?、金屬材料的焊接工藝評定。