徐林　遲明高

摘 要：我國工業(yè)化進程不斷深入，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)標準，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)筒采用鋼板進行卷制，并結(jié)合無損檢測技術(shù)及力學(xué)檢驗技術(shù)檢驗其結(jié)構(gòu)性能及力學(xué)性能。焊接完成后檢驗合格需對其進行消應(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，在進行容器實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)，并采用鍛管整體補強結(jié)構(gòu)進行補強。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)該重點考慮此薄弱環(huán)節(jié)。當前相關(guān)標準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)進行應(yīng)力作用分析，發(fā)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)具有較強抗疲勞特性。當結(jié)構(gòu)內(nèi)筒因為環(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際要求，在確定封頭實際尺寸后應(yīng)對其進行一定程度加厚。

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荷傳遞至其他部位。根據(jù)ASME規(guī)定進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，當上部具有較大開孔則利用專用吊蓋進行吊裝。

5 結(jié)束語

多層包扎壓力容器具有較強安全性和可靠性，容器在工作過程中維護費用低，當前已經(jīng)在國內(nèi)大多數(shù)壓力容器中得到廣泛使用。實際設(shè)計過程中應(yīng)該對其各個部分進行科學(xué)設(shè)計，結(jié)合實際需求在設(shè)計中對各個部分進行優(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：

[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。