風洞試驗用大型高壓氣罐的設計

趙文學，王帆，黃盧太，楊益光，劉波

（重慶水泵廠有限責任公司，重慶 400033）

1 大型高壓氣罐的要求綜述

在2019 年初，公司獲得一個大型高壓氣罐（以下簡稱：氣罐）的訂單，體積23 m3，設計壓力35 MPa，2 臺，總體積為46 m3，用于風洞研究。該設備屬于用戶的關鍵部件，是研究中的“動力源”設備；設備的使用工況要求高，使用壓力32.5 MPa，屬于高壓設備；設備體積大，質量重，單體設備就多達96 t，制造的難度極大。

2 氣罐的工況介紹

風洞實驗的主要項目有測力實驗、測壓實驗、傳熱實驗、動態模型實驗和流態觀測實驗；測力和測壓實驗是測定作用于模型和模型部件的氣動力。

該氣罐主要是儲存足夠多的高壓氣體，在使用時，先通過電動減壓閥轉為中壓空氣，儲存于中間管路上的中壓儲氣罐，再減壓到風洞實驗所需要的壓力，通過分氣缸的多個接管來供氣和提供需要的流 量。

高壓氣罐內部介質是壓縮空氣，立式安裝，室內使用，屬于間歇式使用，主要作為壓縮空氣的儲存和緩沖，這個設備是串聯在氣體管路上，首先壓縮機對高壓氣罐進行充氣，當氣罐內部壓力升到32.5 MPa 時，停止供氣；當后邊試驗時出氣口對外輸出，同時前邊的壓縮機還可不停地輸入和補充，故這個設備屬于儲存和緩沖兩種功效，單個體積為23 m3，總高度要求10.5 m 以內，正常存儲壓力為32.5 MPa。高壓氣罐的主要的設計參數見表1。

表1 高壓氣罐的設計輸入參數Table 1 Design input parameters of high-pressure gas tank

3 氣罐總體設計需要考慮的地方

設計上：對用戶的設計使用壽命長（20 年）的一些嚴格要求，一直貫穿整個設計過程，從選材、強度計算、結構設計、制作工藝、吊耳設計、吊裝方法、熱處理、人孔設計等，把每一步都考慮清楚、周全。設計中主要考慮的位置和結果如表2 所示。

4 氣罐總體結構尺寸設計

根據用戶的設計要求，按照相關的法規和標準進行設計，設計壓力35 MPa，按照專用軟件SW6—2011，分別計算出主要受壓元件的厚度，設計出來后的主要參數如表3 所示，高壓氣罐的主要結構尺寸如圖1 所示。

表2 設計中主要考慮的位置和結果Table 2 Main positions & consequence considered in design

表3 設計后的主要參數Table 3 Main parameters after design

圖1 高壓氣罐的主要結構尺寸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構設計

筒體部分采用整體多層包扎結構，多層圓筒與封頭的連接，見圖2。沒有深溝環焊縫，環焊縫相互錯開，焊接應力分布均勻，總體焊接應力小。每個多層筒節的層板上兩側應加工檢漏孔φ6 ～10 mm，即是焊接時的放氣孔，同時也是設備使用時信號孔。

圖2 高壓氣罐的層板與封頭的焊接結構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構設計

采用安放式接管結構[2]，焊接后內孔精加工鏜出，可以去除根部的缺陷，保證沒有未焊透，結構見圖3。特別注意的是，球形封頭成形和熱處理回廠后，需要對封頭這個焊接位置先進行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構尺寸Fig.3 Dimensional welded structure of manhole & dish head

4.3 人孔蓋采用不銹鋼堆焊結構的設計

人孔為設備在使用中檢修人員進出的通道，也是特種設備在用檢查時的檢查孔；人孔采用內壓式的結構，壓力越高，密封越可靠；在人孔蓋和人孔內部配合的兩處密封面，上下分別堆焊不銹鋼，見圖4，保證這個大型設備在設計使用壽命20 年中，不會因為主體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，還設計了一道O 型圈的密封，幫助最初充氣低壓時的密封。

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計

主體材料采用國內最常見的低合金鋼Q345R，力學性能好，焊接性好，價格適中，容易采購，綜合的性價比高；材料的采購上，主要難點是封頭材料的采購，厚度達到了140 mm，需要鋼廠的專用定軋板，需要的要求高（熱處理狀態-正火，逐張進行超聲檢測，UT-Ⅱ級合格，標準NB/ T 47013.3—2015）。

人孔和接管的鍛件選用NB/T 47008—2017 的Ⅲ級鍛件；內筒體的材料熱處理狀態-正火，逐張進行超聲檢測，UT-Ⅰ級合格。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 氣罐的無損檢測設計

該設備的直徑大、壓力高，焊縫的無損檢測能夠保證焊縫的內在質量。焊縫有主體的A、B 和gB的對接接頭，還有接管與封頭的角接焊縫，對于各種焊縫采用不同的無損檢測方法[3]，如表5 所示。該設備與常規的高壓設備的不同點之處：因為外邊有1個長進氣管，用戶為了現場易于安裝，把進氣管延伸到下部來，距離地面的高度是1.75 m。因為層板的焊接量大，焊每層時都需要旋轉，進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；則進氣管的內部的焊縫可以先進行焊接，進氣管的長度長，為φ194×36 mm，因為厚度厚，按照標準需要進行100%的射線檢測。

7 氣罐的熱處理設計

內筒熱處理：上封頭與人孔焊接，堆焊人孔內密封面的不銹鋼后，先做一次去應力熱處理，再精加工人孔的密封面尺寸。與下段的筒體和下封頭焊接，整體無損檢測合格后，內筒和上下封頭及裙座短節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》的規定（只是強調對縱焊縫需要熱處理）效果還要好，內筒體上的所有的焊縫的焊接殘余應力 小。

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

8 氣罐的水壓試驗壓力設計

水壓試驗：為了整體檢查設備的內部質量，讓多層筒體的應力分布更均勻，需要對設備進行整體水壓試驗[3]，試驗時的溫度要求大于5 ℃，無異響、無泄漏、無變形、無壓降、保壓30 min 以上為合格，重點關注各個焊縫點和人孔內部的密封性。試驗的壓力按標準和法規要求，為1.25 倍的設計壓力，則35×1.25 = 43.75 MPa。

9 氣罐的完工交付和運輸

這次超重高壓氣罐的產品，從設計、材料、工藝、焊接、吊轉、無損檢測、熱處理、水壓試驗等的全過程精心策劃下，保質保交期制作完成，實現了順利交貨，現在用戶已經管路安裝和安全使用。

10 結束語

因為設計初期就對該大型高壓氣罐的技術規格書進行仔細解讀，對使用條件充分了解，對細則的充分考慮，從設備用途和工況，采用先進的整體多層包扎結構，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，設備內筒和上下封頭一起整體爐內熱處理（最大限度的去消除內筒體的焊接殘余應力）。從各個結構設計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都一次通過，順利交付，用戶已安全使用，質量可靠，為以后設計制造大型高壓設備積累了寶貴的經驗。