厚壁復合板壓力容器的設計及制造

王 林

（廣州廣重企業集團有限公司，廣東廣州 511400）

0 引言

汽水分離器是海上采油平臺油氣處理系統中的關鍵設備，也是采油平臺的基本配置，國內國外都有設計制造。本文中的汽水分離器，設計參數以及材料與以往都不同，具備設計壓力高、材料特殊的特點，制造難度非常大。以下就某廠為海上采油平臺設計、制造高壓低溫分離器的要點作一介紹。

1 設備介紹

高壓低溫分離器主要設計參數見表1，其結構示意圖見圖1。

表1 設計參數

圖1 結構示意圖

本設備屬于III類高壓低溫復合板容器[1]，且按標準要求焊后進行整體熱處理。其設計、制造重點如下：

（1）主體材料為不銹鋼復合板結構，焊接接頭坡口型式的設計；

（2）小管徑厚壁補強碳鋼管內襯不銹鋼管材的結構設計及制造；

（3）基層材料屬于低溫鋼，且厚度厚度較大（整體厚度達到90 mm），制造過程中的母材及焊縫質量難以保證，且成形組裝過程中的錯邊量控制難度較大。

2 結構設計及制造

2.1 球形封頭設計

壓力容器中，球形封頭與其他形式的封頭相比，球形封頭的受力最好，各向薄膜應力相等，在相同直徑和壓力下所需厚度最小，最節省材料，因而在壓力較高的容器中常常使用球形封頭。在實際應用中，比較球形封頭和圓筒的計算公式可知，球形封頭的計算厚度只有筒體壁厚的一半，即使加上工藝增厚，封頭的厚度也要小于筒體壁厚很多。厚度計算公式[2]：

式中：δ—圓筒或封頭的計算厚度；

Pc—計算壓力；

[σ]t—設計溫度下圓筒或封頭的材料的許用應力；

φ—焊接接頭系數。

由于壁厚的差異，筒體與球形封頭的連接不可能實現直接對接，但是還要保證筒體與球殼連接的結構連續性。如果直接將筒體切削，則削弱部分筒體的厚度不滿足設計要求，將會導致容器失效，如何保證封頭和筒體連接處的強度問題成為高壓容器設計為球形封頭結構的關鍵。在連接處將半球形封頭設計為缺少H長度的非完整半球形結構，將筒體端部H長度范圍作為球形半球形封頭缺少的端部考慮，參與球形封頭的強度計算，將筒體端部H范圍作為筒體與球形封頭的過渡段，將筒體端部H范圍內削邊后與封頭對接連接，可以作為是對封頭端部加強處理，即可滿足強度要求，又實現了封頭與筒體的結構連續性[3]。見封頭筒體連接結構圖（圖2）。

圖2 封頭與筒體連接結構圖

2.2 筒體縱、環向對接焊接接頭的設計及制造

由于設備為高壓低溫的操作工況，使用條件苛刻，而且封頭、筒體材料為厚壁不銹鋼復合板，設計時既要考慮避免焊接時產生較大的應力集中，同時還要考慮不銹鋼復合層的耐腐蝕性能。為盡量避免產生較大的焊接應力，經過焊接試驗評定確定合適的焊接工藝參數，并且將筒體材料的基層縱、環向焊接接頭設計為雙U型坡口，見筒體縱環向對接接頭圖（圖3）。焊接時，先焊接基層內側，清根后再焊接外側，保證焊縫的致密性和全焊透，最后對基層內側的焊縫打磨平滑，對基層內側待堆焊面進行磁粉探傷檢測，確認待堆焊表面無任何缺陷，在按過渡層和復層選用不同的焊材堆焊內壁不銹鋼部分，以保證殼體焊縫內壁的耐腐蝕性能[4]。

圖3 筒體縱環向對接接頭圖

2.3 殼體開孔處接管與殼體焊接接頭設計及制造

壓力容器的開孔補強型式有補強圈補強和整體補強等，補強圈補強僅用于殼體厚度小于等于38 mm的設備，因此在這類厚壁容器中，一般采用整體補強結構，用全截面焊透的結構型式將厚壁管或者整體補強鍛件與殼體焊接。整體補強結構圖見圖4。

圖4 整體補強結構圖

在本低溫設備中，對于公稱直徑大于DN80mm的接管，接管鍛件基層材料選用09MnNiDIII和接管內壁堆焊不銹鋼焊材組成。連接形式如采用常規的整體厚壁管插入式接管結構，接管與殼體連接處結構形狀不連續，很容易引起焊后開孔邊緣局部應力集中，容器使用期間，在接管開孔附近發生斷裂失效。為了降低開孔處的應力水平，同時為了減少制造加工困難，將大于DN80mm的接管與殼體連接結構，設計為如圖4所示嵌入式連接結構，將接管鍛件與殼體連接處加工至圓滑過渡，凸緣對接連接處僅加工殼體部分的坡口即可，并對接管內徑邊緣處倒圓處理，在結構上大大降低接管開孔處的應力水平。在焊接時，先焊內側基層部分，背部清根后焊外側，最后對基層內側的焊縫打磨平滑，對基層內側待堆焊面進行磁粉探傷檢測，確認待堆焊表面無任何缺陷，在按過渡層和復層選用不同的焊材堆焊內壁不銹鋼部分，以保證殼體焊縫內壁的耐腐蝕性能。焊接需要注意進行焊前預熱，焊中保持層間溫度，焊后熱處理等措施。通過以上結構和制造工藝措施，大大降低接管開孔處的應力集中及焊接殘余應力[5]。

DN＜80 mm 的接管鍛件接管鍛件基層材料選用09MnNiDIII和接管內襯不銹鋼管材的形式，與筒體的連接形式設計見安放式結構圖（圖5）。采用安放式結構時對殼體要求開孔處的鋼板截面上應無夾層現象，要做到這一點需要在開孔直徑兩倍的范圍內做超聲檢測（UT）。因為安放式接管焊在鋼板的表面，任何接管在內壓作用下都承受一個軸向力。如果下面有分層，軸向力作用以后鋼板會發生撕裂。撕裂以后鋼板的厚度不是原來的厚度，厚度減薄強度就滿足不了要求。制造時，筒體或封頭預留加工余量5 mm開孔，接管鍛件與設備的安放式結構按圖5校裝、焊接，焊前預熱，焊后按圖精加工管口最終內徑，清除了焊縫根部缺陷以及未焊透部分，確保根部焊縫無缺陷。設備整體熱處理時應保護好管口內壁，防止內壁氧化和變形，待設備整體熱處理后，按襯管焊接結構（圖6）進行襯管工序，將不銹鋼襯管外徑加工與接管鍛件的內孔直徑過盈配合，以使其與接管鍛件冷套后的內孔壁充分貼合，襯管采用冷套工藝，冷凍介質為液氮。冷套前不銹鋼襯管應完全浸入液氮，液氮不足時應及時補充，待液氮平穩后方可取出進行冷套。

圖5 安放式結構圖

圖6 襯管焊接結構

3 封頭、筒體成形組裝工藝

本設備材料為不銹鋼復合板，而且壁厚較厚，因此筒體卷制以及封頭成形難度較大。封頭采用熱沖壓成形，沖壓成形后，超聲波復驗封頭復合板基層與復層的貼合率是否符合要求，并進行正火+回火熱處理恢復材料熱處理狀態。復合板組裝時，錯邊量的控制相對板材組裝要求更為嚴格，封頭沖壓成形后，難以達到圖紙要求的內徑尺寸，必然存在一定的偏差。為保證封頭與筒體組裝的錯邊量，采取先將封頭沖壓成形，實測封頭內徑尺寸，根據成形后的封頭實際內徑尺寸對筒體展開下料，并根據實測的封頭對接處尺寸實配加工筒體坡口，保證了封頭與筒體對接處錯邊量的控制[6]。

4 熱處理

容器焊后進行最終整體消除應力熱處理，熱處理曲線示意圖（圖7）。

圖7 熱處理曲線示意圖

5 焊后檢測

5.1 無損檢測

（1）熱處理前所有A、B類焊縫100%RT檢測，技術等級AB級，Ⅱ級合格，100%UT復驗，技術等級B級，Ⅰ級合格，并且焊縫基層外表面100%MT，Ⅰ級合格，復層內表面100%PT，Ⅰ級合格[7]。

（2）熱處理及水壓試驗后A、B、D類焊接接頭100%UT復驗，技術等級B級，Ⅰ級合格，A、B、D、E類焊接接頭的外表面進行100%MT檢測，Ⅰ級合格；設備內內表面的焊接接頭進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

5.2 水壓試驗

試驗時要求水溫不低于15℃，水中氯離子含量不超過25 mg/L。

5.3 試件性能檢驗

封頭的成形過程中經歷熱處理過程與筒體不同，封頭的母材試板、封頭的焊接試板代表封頭的最終性能狀態，分別制備封頭母材及焊接試板、筒體焊接試板送檢力學性能，經檢驗結果表明[8]，以上試板均符合要求。

6 結論

（1）厚壁復合板容器對接坡口設計為基層雙”U”型坡口，復層堆焊的結構型式，采取可靠的焊接工藝和檢測方法，解決了厚壁復合板的焊接難題，保證了焊接質量，對接焊縫按NB/T47013進行RT及UT檢測合格。

（2）小管徑厚壁補強碳鋼管內襯不銹鋼管材的結構，采用冷套工藝技術解決套入難題。免除了小直徑接管內壁堆焊工序，解決了堆焊后小接管內壁復層表面堆焊層無法檢測的技術難題。大接管與殼體的連接形式設計為嵌入式結構，降低了連接處的應力水平，并且保證了該處焊縫的質量，從實際使用情況得到了驗證，所有冷套襯管處沒有發現離層現象，并且耐腐蝕性能良好。

（3）封頭與筒體的制定合理的制造工藝措施，保證封頭與筒體對接組裝的尺寸精度要求，對接處錯邊量檢測偏差在1 mm以內，符合標準規范要求。

通過以上方法在厚壁低溫容器的設計制造中，針對原材料、結構設計、無損檢測、性能檢測等方面提出的特殊要求，降低了制造難度，保證了設備質量，解決了厚壁復合板壓力容器的設計、制造難題，目前已在筆者公司大力推廣進行設計、制造，已完工的設備運行良好。

參考文獻：

［1］TSG1-2016.固定式壓力容器安全技術監察規程［S］.

［2］GB150.1～150.4-2011.壓力容器［S］.

［3］朱秋爾.高壓容器［M］.上海科學技術出版社，1986.

［4］李娟娟，張先龍.低合金耐熱鋼復合板筒體制造［J］.壓力容器，2010，27（2）：56-58.

［5］齊淑改.厚壁復合鋼板塔式容器的制造［J］.壓力容器，2010，18（3）：54-57.

［6］曹洪飚.淺談封頭制作工藝及設備［J］.化工設備與管道，2011，48（5）：10-13.

［7］NB/T47013-2015.承壓設備無損檢測［S］.

［8］GB/T229-2007.金屬材料夏比擺錘式沖擊試驗方法［S］.