多層包扎壓力容器設(shè)計分析

徐林　遲明高

摘 要：我國工業(yè)化進(jìn)程不斷深入，對壓力容器需求日益提升。本文就多層包扎壓力容器設(shè)計展開分析，對其殼體、開孔、殼體與封頭連部位、支撐結(jié)構(gòu)、吊耳等部位展開研究，提出這些部位在設(shè)計及加工中需注意問題，為后續(xù)相關(guān)容器設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：多層包扎；壓力容器；設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.026

隨著我國工業(yè)不斷發(fā)展，壓力容器逐漸呈現(xiàn)大型化、高參數(shù)化，當(dāng)前壓力容器已經(jīng)發(fā)展出單層、多層不同結(jié)構(gòu)。多層包扎容器不僅具備較高原材利用率，且具有較高安全性。上世紀(jì)70年代后期國內(nèi)外均發(fā)生多層包扎容器安全事故，因此其設(shè)計及制造過程受到重視，本文就該類多層包扎壓力容器設(shè)計展開分析。

1 多層包扎容器殼體設(shè)計

1.1 殼體內(nèi)筒及層板厚度的確定與選擇

結(jié)合國內(nèi)在設(shè)計多層包扎容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用碳鋼或低合金鋼作為殼體材料時，其厚度一般設(shè)置為24mm，選用不銹鋼材料或其他有色金屬作為殼體材料時其厚度依據(jù)實(shí)際情況而定，原則上不得低于8mm。若殼體厚度較厚則會給制造及探傷控制、焊接工藝等造成不良影響。若厚度不足則會造成殼體剛性不足，易出現(xiàn)安全問題。層板一般選用厚度在8-20mm范圍內(nèi)的鋼板。

1.2 殼體設(shè)計

殼體內(nèi)筒采用鋼板進(jìn)行卷制，并結(jié)合無損檢測技術(shù)及力學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)性能及力學(xué)性能。焊接完成后檢驗(yàn)合格需對其進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。鋼板可采用拼接方式，但焊縫不得超過2條。焊接時層板環(huán)縱焊縫需錯開，相鄰焊縫間距不可小于100mm，錯開角度450以上。層報包扎與內(nèi)筒在進(jìn)行焊接可能對內(nèi)筒結(jié)構(gòu)造成影響，則需在層板與內(nèi)筒間設(shè)置盲板層。單個層板上至少設(shè)置2個φ6mm通氣孔。若容器需用于盛裝腐蝕性液體則需設(shè)置檢漏系統(tǒng)。為有效控制層板層間間隙及松動面積，在進(jìn)行容器實(shí)際制造中用過采用相對較大的包扎力，并針對性使用提高水壓試驗(yàn)的壓力值降低不良情況的出現(xiàn)。

2 多層包扎殼體開孔的設(shè)計

進(jìn)行多層包扎殼體設(shè)計過程中原則上應(yīng)盡量減少開孔數(shù)，尤其是大孔徑孔開設(shè)應(yīng)盡量杜絕。對于必須要進(jìn)行開孔的部分應(yīng)將其幾種開設(shè)在上下封頭處或法蘭處。進(jìn)行殼體開孔時避免在同一層板上開設(shè)超過2個以上的孔數(shù)，并采用鍛管整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。對直徑不超過50mm的接管孔，在設(shè)計中應(yīng)采用內(nèi)筒與層板直接焊接方式。對直徑不超過50mm的接管孔采用內(nèi)筒與層板分層焊接方式。

3 殼體與封頭（端部）連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的多層包扎壓力容器雖然采用多層結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)上下端部位為單層球形結(jié)構(gòu)或者法蘭結(jié)構(gòu)，由此可見其多層筒體及兩端部分為整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計中應(yīng)該重點(diǎn)考慮此薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對多層包扎壓力容器殼體封頭與連接部分推薦方式主要有2種。一種方式是具有深環(huán)焊縫直接相焊結(jié)構(gòu)，另一種是具有階梯焊結(jié)構(gòu)。除此之外還具有一些設(shè)備配套結(jié)構(gòu)采用斜向結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中通過應(yīng)力分析和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)階梯焊結(jié)構(gòu)是設(shè)計多層包扎壓力容器殼體與封頭部分最佳方法（見圖1）。從圖1可知該種結(jié)構(gòu)不存在深環(huán)焊縫，且該結(jié)構(gòu)需要保證層板與內(nèi)筒、層板與內(nèi)筒焊縫相互錯開，以此降低該結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生缺陷的可能性。及時在焊接過程中出現(xiàn)不良缺陷，也會將裂紋控制在一定區(qū)域，裂紋不會另一部擴(kuò)展，對沿壁厚方向不造成影響，此結(jié)構(gòu)中下層層板會對其上層層板或內(nèi)筒等裂紋有止裂作用。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力作用分析，發(fā)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)抗疲勞特性。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)筒因?yàn)榄h(huán)境因素導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋等缺陷時，結(jié)構(gòu)盛裝高壓介質(zhì)便會沿著層板檢漏系統(tǒng)外漏，是一種安全防護(hù)措施，設(shè)備不會出現(xiàn)爆炸等不良情況，且會提醒管理人員及時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)。該結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中利用只檢漏不爆炸設(shè)計方式，從根本上提升結(jié)構(gòu)安全性能。

殼體與封頭（端部）連接結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要對層板與上下封頭部分進(jìn)行焊接后熱處理，在設(shè)計中通常在多層包扎壓力容器部分通過堆焊過渡金屬方式，例如通過堆焊INCONEL合金方式，使得結(jié)構(gòu)層板通過INCONEL合金展開焊接，且使用該種方式無需在焊接過后對層板與上下封頭部分進(jìn)行焊接后熱處理，由此可見通過該種方式可有效解決熱處理工藝難題。

多層包扎壓力容器設(shè)計過程中其封頭部位一般采用球形封頭，其厚度約為多層包扎壓力容器筒體厚度的一半。為降低多層包扎壓力容器筒體結(jié)構(gòu)與球形封頭受到的應(yīng)力作用，同時滿足其球形封頭處階梯焊縫布置滿足實(shí)際要求，在確定封頭實(shí)際尺寸后應(yīng)對其進(jìn)行一定程度加厚。

4 支撐結(jié)構(gòu)和吊耳的設(shè)計

多層包扎壓力容器重量較大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)層數(shù)較多，在進(jìn)行其支撐部位以及吊耳附件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)過分注重其支座型式。在ASME以及GB150中推薦出一般支座型式，但在實(shí)際設(shè)計中一些多層包扎壓力容器為立式結(jié)構(gòu)，因此支撐件不適合設(shè)置與外側(cè)層板，除非可采取有效措施將其負(fù)荷傳遞至其他部位。根據(jù)ASME規(guī)定進(jìn)行多層包扎壓力容器設(shè)計時其支撐形式宜選用裙座或環(huán)形支座，使得受力點(diǎn)位于單層結(jié)構(gòu)封頭處。基于現(xiàn)場設(shè)備布置要求，多層包扎壓力容器一般支撐在殼體上時，一般將相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)置成倒掛式耳座結(jié)構(gòu)。且容器吊耳結(jié)構(gòu)不宜設(shè)置在外部層板，最佳部位是上部封頭處，當(dāng)上部具有較大開孔則利用專用吊蓋進(jìn)行吊裝。

5 結(jié)束語

多層包扎壓力容器具有較強(qiáng)安全性和可靠性，容器在工作過程中維護(hù)費(fèi)用低，當(dāng)前已經(jīng)在國內(nèi)大多數(shù)壓力容器中得到廣泛使用。實(shí)際設(shè)計過程中應(yīng)該對其各個部分進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，結(jié)合實(shí)際需求在設(shè)計中對各個部分進(jìn)行優(yōu)化處理，在保證安全性基礎(chǔ)上提升其結(jié)構(gòu)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳建存.多層包扎式高壓容器的爆炸事故[J].化工設(shè)備與管道，2012（06）.

作者簡介：徐林（1985-），男，山東安丘人，助理工程師，主要從事壓力容器的設(shè)計及制造技術(shù)工作。