王 林

（廣州廣重企業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東廣州 511400）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，高壓容器在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，在國防軍工業(yè)中，主要用于炮筒、核動(dòng)力裝置，在石油化工領(lǐng)域的高壓容器，主要用于合成氨、合成甲醇、合成尿素、油類加氫等合成反應(yīng)的高壓反應(yīng)器、高壓緩沖與貯存容器，而在電力工業(yè)方面的核反應(yīng)堆、水壓機(jī)的蓄力器等都有需要用到高壓容器的場(chǎng)合。

高壓容器是指承受壓力范圍在10～100 MPa內(nèi)的壓力容器，主要分為整體鍛造式、單層式（包括單層卷焊、單層瓦片和無縫鋼管式）、多層式（包括層板包扎式、套合式和鋼帶纏繞式）[1]。本文主要介紹單層高壓容器的設(shè)計(jì)及制造過程中，需要注意的要點(diǎn)。

1 選材需要注意的幾個(gè)問題

高壓容器用鋼常隨高壓容器的主要參數(shù)如內(nèi)徑、壓力、溫度和介質(zhì)及制造條件，備料情況等等差異而選用不同的鋼種。常用的金屬材料有：碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、低溫鋼、耐熱鋼及耐腐蝕介質(zhì)的不銹鋼等等。在選材時(shí)需要注意要點(diǎn)如下。

（1）奧氏體不銹鋼，設(shè)備處于高溫高壓并且有耐腐蝕要求的操作工況時(shí)，通常會(huì)選用不銹鋼作為容器的主體材料，最常用的就是奧氏體鋼，奧氏體鋼使用溫度高于525℃時(shí)，必須保證鋼中的含碳量不小于0.04%[2]。這是因?yàn)閵W氏體鋼在使用溫度500℃～550℃時(shí)，若含碳量太低，強(qiáng)度及抗氧化性會(huì)顯著下降，使用溫度超過450℃時(shí)，奧氏體不銹鋼的許用應(yīng)力大大下降，所以國內(nèi)外對(duì)于常用的304、316型材料，在高溫工況下要求用H級(jí)（即S30409和S31609），含碳量要較高，主要也是考慮到耐熱及有熱強(qiáng)性。

（2）鍛件材料，高壓容器所選用的材料對(duì)質(zhì)量的要求尤其嚴(yán)格，特別是在小直徑高壓容器的筒體選材時(shí)，由于卷板設(shè)備能力的限制，只能選用鍛件材料作為設(shè)備的主體材料，要求采用IV級(jí)鍛件，逐件要求進(jìn)行拉伸和沖擊力學(xué)性能檢測(cè)，以及逐漸超聲波無損檢測(cè)，以確保材料質(zhì)量。作為III類容器的IV級(jí)鍛件，在材料采購時(shí)，不僅要求供貨商提供完整的材質(zhì)證書，還須在鍛件進(jìn)廠后對(duì)性能、化學(xué)成本以及超聲波檢測(cè)等項(xiàng)目復(fù)驗(yàn)[3]。

（3）碳鋼和低合金鋼，當(dāng)鋼板厚度大于等于12 mm時(shí)，要求按NB/T47013《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》要求逐張進(jìn)行超聲波檢測(cè)，質(zhì)量等級(jí)不低于II級(jí)。

（4）常用鋼板材料的交貨狀態(tài)，由于高壓容器所用鋼板的厚度較厚，對(duì)于常用的Q245R及Q345R鋼板，對(duì)于厚度低于36 mm的鋼板，由于我國鋼板制造單位裝備能力和人員近年來都有了較大的提升，鋼板內(nèi)在質(zhì)量有了較大的提高，熱軋和控扎交貨的鋼板內(nèi)在質(zhì)量也達(dá)到了很高的水平，但是用于殼體的厚度大于36 mm時(shí)還難以保證質(zhì)量，應(yīng)在正火狀態(tài)下使用。因?yàn)檎馉顟B(tài)的鋼板的金相組織和性能以及性能的穩(wěn)定性都比熱軋和控扎狀態(tài)的鋼板要好，在選材時(shí)需要重視。

2 設(shè)計(jì)需要注意的幾個(gè)問題

高壓容器設(shè)計(jì)時(shí)，容易被忽視的問題闡述如下。

2.1 容器筒體的計(jì)算厚度

Pc≤0.4[σ]t是對(duì)計(jì)算壓力Pc進(jìn)行限制，也相當(dāng)于是對(duì)筒體外徑與內(nèi)件的比值K=Do/Di的限定，將K代入后以中徑公式標(biāo)識(shí)在內(nèi)壓Pc作用下的環(huán)向應(yīng)力公式為：Pc≤0.4[σ]tφ的限制條件相當(dāng)于等同于K≤1.5。

薄壁容器設(shè)計(jì)計(jì)算的理論基礎(chǔ)來源于薄殼無力矩理論，該理論假設(shè)壁厚相對(duì)直徑足夠小，也就是K值足夠小，應(yīng)力沿著壁厚均勻分布。

而由彈性力學(xué)推導(dǎo)得出的拉美公式及厚壁筒體的應(yīng)力分析可知（見厚壁圓筒的彈性應(yīng)力表一及厚壁筒體應(yīng)力分布圖）：厚壁筒中存在三個(gè)方向的應(yīng)力，其中只有軸向應(yīng)力是沿厚度均勻分布的，環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均是非均勻分布的，筒壁三向應(yīng)力中，以環(huán)向應(yīng)力最大，內(nèi)壁處達(dá)到最大值，外壁處為最小值。應(yīng)力沿著壁厚分布的不均勻程度隨著K值增大而增大。當(dāng)K=1.5時(shí)，由薄壁內(nèi)徑公式按均勻分布假設(shè)計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力值比拉美公式計(jì)算的圓筒內(nèi)壁處的最大環(huán)向應(yīng)力要偏低23%，存在較大的計(jì)算誤差。由于薄壁內(nèi)徑公式相對(duì)于拉美公式計(jì)算更加方便，更適于工程應(yīng)用。為此增大計(jì)算內(nèi)徑，K值控制在1.5時(shí)，采用薄膜中徑公式計(jì)算得到的應(yīng)力值相對(duì)于拉美公式環(huán)向應(yīng)力值相差僅為3.8%，在工程設(shè)計(jì)的運(yùn)行誤差范圍內(nèi)[4]。

因此，在高壓容器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，尤其要注意計(jì)算壓力Pc的限定條件。

表1 厚壁圓筒的彈性應(yīng)力

圖1 厚壁圓筒應(yīng)力分布圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與計(jì)算并重，也直接影響到制造的質(zhì)量。特別是高壓容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在可能的條件下應(yīng)盡量選用易于制造、易于檢測(cè)的結(jié)構(gòu)。

2.2.1 大口徑接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓容器大口徑接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，宜采用整體補(bǔ)強(qiáng)的嵌入式結(jié)構(gòu)，它不僅方便施焊改善受力狀況，且可以進(jìn)行射線或超聲波檢測(cè)，更容易保證焊接接頭的質(zhì)量[5]。

采用嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于筒體壁厚較厚，目前通常將該處對(duì)接坡口設(shè)計(jì)為對(duì)稱U形坡口（詳見圖2），由于整體接管鍛件與筒體連接端的形狀為馬鞍形，對(duì)接處接管鍛件坡口加工難度極大，不能用車床直接加工，只能用鏜床進(jìn)行加工，機(jī)加工成本昂貴。為了減少接管鍛件坡口的機(jī)加工難度，將該處焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為K形結(jié)構(gòu)，只需用車床加工鍛件齊平即可，既可以保證該處的焊接接頭質(zhì)量，又減少機(jī)加工成本，如圖3所示。

圖2 嵌入式U形坡口圖

圖3 嵌入式K形坡口圖

2.2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓容器的密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，直接關(guān)乎整個(gè)設(shè)備運(yùn)行安全的重要環(huán)節(jié)。高壓容器的密封結(jié)構(gòu)主要有三種：強(qiáng)制式密封、自緊式密封和半緊式密封[6]，常用密封結(jié)構(gòu)適用范圍見表2。

表2 適用范圍

一般來說，流體在墊片處的泄漏以兩種形式出現(xiàn)，即所謂“滲透泄漏”和“界面泄漏”，滲透泄漏與設(shè)備溫度、介質(zhì)及墊片材料有關(guān)，而界面泄漏是流體從墊片與法蘭接觸面泄漏，主要與界面間隙尺寸有關(guān)。

高壓容器采用強(qiáng)制性密封時(shí)尤其要預(yù)防界面泄漏，這是因?yàn)閺?qiáng)制式密封是由外部螺栓力來壓緊法蘭密封面間的密封墊片實(shí)現(xiàn)密封的。在設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格要求法蘭及金屬墊片的密封面機(jī)加工粗糙度Ra為0.8～3.2 μm，以及在技術(shù)要求中提出，密封墊片的硬度必須低于法蘭密封面的硬度。這樣才可以保證當(dāng)法蘭螺栓擰緊時(shí)，螺栓力通過法蘭環(huán)將墊片壓緊，迫使墊片產(chǎn)生壓縮變形，將法蘭密封面上的極其微小的凹凸不平面，借助墊片變形填滿，阻止界面泄漏。當(dāng)設(shè)備充壓后，螺栓受拉伸長，密封墊片受到的壓縮量減少回彈，使法蘭依然保持良好的密封。

3 制造

3.1 受壓元件成形減薄

鋼板在不同的厚度范圍，許用應(yīng)力值不同，板材越厚，許用應(yīng)力值越低，當(dāng)在設(shè)計(jì)計(jì)算給出名義厚度接近鋼板厚度界限時(shí)，一定要格外慎重。

比如板材為Q345R材料時(shí)，許用應(yīng)力見表3。

表3 Q345R鋼板許用應(yīng)力

由表3可見，在同樣的溫度工況下，當(dāng)板材厚度接近厚度界限時(shí)，許用應(yīng)力存在跳檔的情況。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，特別是封頭壓制成形時(shí)必然存在局部減薄的情況，不同制造單位確定的加工裕量可能不同，封頭投料厚度也隨之不同。因材料許用應(yīng)力隨厚度增加是逐漸降低的，當(dāng)制造單位考慮加工余量致投料的鋼材厚度增大并跳檔時(shí)，許用應(yīng)力降低，“設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注的最小成形厚度”將增大。此時(shí)，應(yīng)重新計(jì)算最小成形厚度，防止出現(xiàn)增加投料的鋼材厚度反而造成受壓元件強(qiáng)度不足的情況。

3.2 材料代用

制造過程中經(jīng)常會(huì)因?yàn)榻回浧诰o及缺庫存等材料采購困難問題，存在受壓元件材料代用情況。在厚板代用薄板的情況下，必須查看材料許用應(yīng)力表，材料的許用應(yīng)力是否因?yàn)榘搴褡兓嬖谔鴻n的問題，如發(fā)現(xiàn)代用后的許用應(yīng)力值減低，要根據(jù)代用材料的壁厚，選取相應(yīng)較低值的許用應(yīng)力，重新核算受壓元件的計(jì)算厚度。

3.3 凸形封頭成形母材試板

高壓容器由于封頭板材較厚，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定超過厚度界限的板材，對(duì)使用狀態(tài)有一定的要求，如Q345R要求正火狀態(tài)、13MnNiMoR要求正火+回火狀態(tài)等。厚壁封頭通常進(jìn)行熱壓成形，在熱成形過程中，加熱溫度很高，難免會(huì)破壞原材料的熱處理供貨狀態(tài)。若熱成形破壞了原材料的交貨狀態(tài)，必須要進(jìn)行相應(yīng)的熱處理恢復(fù)原材料狀態(tài)，并附帶與原材料同批次的母材試板，與封頭熱成形及成形后恢復(fù)原材料狀態(tài)的熱處理同爐進(jìn)行熱處理，封頭完工后將母材試板送檢力學(xué)性能，驗(yàn)證封頭力學(xué)性能能夠符合設(shè)計(jì)要求[7]。

4 結(jié)論

壓力容器的設(shè)計(jì)及制造全過程涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括材料、力學(xué)、冷熱加工成形、焊接、熱處理、無損檢測(cè)等。高壓容器的操作工況尤其苛刻，結(jié)構(gòu)型式更加復(fù)雜多樣，其設(shè)計(jì)或者制造階段的細(xì)微失誤，都將導(dǎo)致難以預(yù)料的事故，因此在設(shè)計(jì)階段，更要全面分析高壓容器可能出現(xiàn)的失效模式，更有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保證高壓容器的本質(zhì)安全的基礎(chǔ)上，全面考慮選材及結(jié)構(gòu)上的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)下料成型、焊接、無損檢測(cè)等制造階段關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出合理的技術(shù)要求，才能確保設(shè)備質(zhì)量及建造的經(jīng)濟(jì)性。