孫 麗*

（中國(guó)機(jī)械工業(yè)第五建設(shè)有限公司）

壓力容器的用途較為廣泛，在工業(yè)、民用、軍工等許多部門(mén)以及科學(xué)研究的許多領(lǐng)域都具有重要的作用。其在化學(xué)工業(yè)與石油化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最多，僅在石油化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用的壓力容器約占?jí)毫θ萜骺倲?shù)的55 %。

1 冷交換器設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

高壓容器外殼一般由筒體、球形封頭、平蓋、端部法蘭、密封結(jié)構(gòu)及高壓管件、緊固件等組成。DN 1 200 mm 冷交換器外殼的主要參數(shù)可見(jiàn)表1，其結(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖1。

根據(jù)條件圖采用 SW6 軟件經(jīng)計(jì)算，確定筒體、封頭材料為 Q345R，筒體厚度為 64 mm，封頭厚度為 55 mm； 平蓋材料為20MnMo Ⅳ，端部法蘭材料為16Mn Ⅳ。

2 冷交換器設(shè)計(jì)與制造要點(diǎn)

2.1 封頭

從受力分析來(lái)看，半球形封頭是理想的承壓結(jié)構(gòu)形式，因此半球形封頭在高壓容器中經(jīng)常被使用，封頭部件在制造過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

表1 冷交換器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 冷交換器結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

（1）制造和檢驗(yàn)過(guò)程應(yīng)按 GB 150—2011《壓力容器》及GB/T 25198—2010 《壓力容器封頭》標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定。

（2）材料的化學(xué)成份和力學(xué)性能（正火）應(yīng)符合GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，鋼板須經(jīng)100%超聲波（UT）探傷檢查，結(jié)果符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》 中的Ⅱ級(jí)，并應(yīng)逐張進(jìn)行拉伸夏比（V 型缺口）沖擊（0°）試驗(yàn)。

（3）球底封頭沖壓成型后，其內(nèi)外表面應(yīng)去除氧化皮，外表面須按NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4 部分：磁粉：磁粉檢測(cè)》進(jìn)行磁粉（MT）探傷檢查。

（4）底部鍛件與球封頭D 類(lèi)環(huán)焊縫應(yīng)進(jìn)行100% UT 檢測(cè)，合格后進(jìn)行100% MT 檢測(cè)，應(yīng)分別符合NB/T 47013.3—2015 中規(guī)定的Ⅰ級(jí)為合格和NB/T 47013.4—2015 中規(guī)定的Ⅰ為合格。球形封頭與接管，環(huán)板、支撐環(huán)的角焊縫應(yīng)按NB/T 47013.4—2015 進(jìn)行100%MT 檢測(cè),不允許有表面裂紋。

（5）球形封頭組焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，熱處理時(shí)應(yīng)對(duì)與封頭焊接的接管螺紋加以保護(hù)。

2.2 筒體

該設(shè)備筒體采用整體多層包扎結(jié)構(gòu)，筒體由內(nèi)筒和多層層板組成，內(nèi)筒采用厚為24 mm 的Q345R正火鋼板制造，按GB/T 713—2014 標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Q345R，材料力學(xué)性能（正火）如下： Rm=500～630 MPa，ReL≥325 MPa，A=21%，KV2≥41 J(0°)。鋼板須經(jīng)100%UT 探傷檢查，結(jié)果符合NB/T 47013.3—2015 標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ級(jí)，并應(yīng)逐張進(jìn)行拉伸的夏比（V型缺口）沖擊（0°）試驗(yàn)。焊縫須經(jīng)100%射線(xiàn)探傷檢查，結(jié)果符合NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ級(jí)要求。筒節(jié)與筒節(jié)組焊時(shí)，應(yīng)將相鄰兩內(nèi)筒A 類(lèi)焊縫錯(cuò)開(kāi)90°。每節(jié)筒體卷焊后須整體消除應(yīng)力熱處理。內(nèi)筒A，B 類(lèi)焊縫須經(jīng)100%射線(xiàn)檢測(cè)，符合NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2 部分：射線(xiàn)檢測(cè)》中規(guī)定的Ⅱ級(jí)為合格。

2.2.1 層板的制造要點(diǎn)

（1）層板采用兩層厚為14 mm 和兩層厚8 mm 的Q345R 熱軋鋼板制造，層板采用的工藝裝備為多層整體包扎夾緊機(jī)械手。

（2）每層層板的縱、環(huán)焊縫需相互錯(cuò)開(kāi)，以?xún)?nèi)筒縱縫為基準(zhǔn)各層層板縱焊縫依次錯(cuò)開(kāi)78°，焊完后須打磨至母材齊平，再包扎第2 層層板，直至層板達(dá)到設(shè)計(jì)需要的厚度。

（3）各層層板與端部法蘭、球形封頭連接的焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%UT 檢測(cè)和100%的MT 探傷檢測(cè)，層板與層板間搭接接頭進(jìn)行100%的MT 探傷檢測(cè)， UT 探傷前應(yīng)將焊縫磨平。然后端部法蘭與內(nèi)筒焊接，環(huán)縫應(yīng)進(jìn)行100%射線(xiàn)探傷，NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級(jí)為合格，內(nèi)筒與端部法蘭、球封頭的環(huán)焊縫需進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力的熱處理，再包扎最后1節(jié)或幾節(jié)層板。

（4）除了最外層層板，其余各層層板的縱向焊接接頭進(jìn)行10%MT 探傷檢測(cè)。層板的拼接接頭應(yīng)進(jìn)行100%UT 檢測(cè)，按NB/T 47013.3—2015 標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級(jí)為合格。

（5）層板包扎后應(yīng)進(jìn)行松動(dòng)面積檢查，每個(gè)松動(dòng)部位，沿環(huán)向長(zhǎng)度不得超過(guò)300 mm，沿軸向長(zhǎng)度不得超過(guò)600 mm。

（6）層板通氣孔按下述技術(shù)要求開(kāi)設(shè)。

a）層板筒長(zhǎng)≤600 mm 時(shí)，在層板兩端距端面100 mm 處各鉆一個(gè)直徑為8 mm 的通氣孔，其與本層層板焊縫錯(cuò)開(kāi)90°,相互之間錯(cuò)開(kāi)180°。

b）層板筒長(zhǎng)＞600 mm 時(shí)，在層板兩端100 mm處各鉆2 個(gè)直徑為8 mm 的通氣孔，并第1 個(gè)孔與本層層板焊縫錯(cuò)開(kāi)90°，相互之間錯(cuò)開(kāi)90°。

2.3 密封結(jié)構(gòu)

2.3.1 高壓密封的基本特點(diǎn)

一般采用金屬密封元件來(lái)達(dá)到所需的密封比壓。該設(shè)備采用雙錐密封環(huán)密封，粗加工后應(yīng)進(jìn)行100% UT 檢查，合格等級(jí)按NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)環(huán)形鍛件的要求。

2.3.2 主螺栓、螺母

主螺栓數(shù)應(yīng)為偶數(shù)，最好為4 的倍數(shù)，更便于對(duì)稱(chēng)上緊，保證密封性能。普遍采用液壓上緊裝置進(jìn)行螺栓緊固。主螺栓、螺母的選擇可按 HG/T 21573—1995 《高壓螺栓和螺栓液壓上緊裝置》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇和加工。HI、HR 型螺母與球面墊圈配合使用可以一定降低因螺栓緊固不均帶來(lái)的附加彎矩，螺母的硬度應(yīng)略低于主螺栓的硬度。 因主螺栓的大小直接決定端部外緣的尺寸，故在保證緊固 效果、滿(mǎn)足上緊空間的前提下優(yōu)先選擇小直徑螺栓。螺栓材料的強(qiáng)度應(yīng)盡量與端部強(qiáng)度接近，保證螺紋連接的可靠性。主螺栓的質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的密封效果和設(shè)備的安全，該設(shè)備使用 M80X4 型螺栓，材料為 35CrMoVA。

2.4 筒體端部

當(dāng)端部法蘭上開(kāi)孔較大時(shí)，還應(yīng)考慮開(kāi)孔對(duì)端部強(qiáng)度的削弱影響，必要時(shí)應(yīng)加大端部外徑，由此可見(jiàn)雙錐環(huán)的尺寸及主螺栓的尺寸直接決定端部的尺寸，因此在滿(mǎn)足要求的前提下，雙錐環(huán)、主螺栓應(yīng)盡量選擇小尺寸。

2.5 平蓋

平蓋的外徑、 主螺栓孔中心圓直徑與筒體端部一致，平蓋的計(jì)算厚度可參照 GB 150—2011 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)開(kāi)孔直徑較大或溫度對(duì)應(yīng)力影響明顯時(shí)，平蓋的計(jì)算厚度由設(shè)計(jì)強(qiáng)度決定。平蓋名義厚度是由計(jì)算厚度向上圓整得到的。

2.6 高壓容器的壓力試驗(yàn)及安全裝置

高壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，壓力試驗(yàn)一般采用液壓試驗(yàn)，如需要進(jìn)行氣壓或氣密性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選擇可靠安全的場(chǎng)所并制定周密的安全防范措施和應(yīng)急預(yù)案。

3 結(jié)論

整體多層包扎式壓力容器的結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有深的縱向焊縫，層板筒節(jié)的泄放孔可對(duì)內(nèi)筒的泄漏起報(bào)警作用，層板包扎時(shí)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，改善了圓筒體內(nèi)的應(yīng)力分布情況，受壓后，沿筒體厚度方向的應(yīng)力趨于均勻，比單層壁厚式安全性更強(qiáng)，在生產(chǎn)設(shè)備加工性能和原材料的采購(gòu)上限制更小，在經(jīng)濟(jì)效益和制造成本上也具有較大的優(yōu)勢(shì)，隨著高壓容器在更多行業(yè)的不斷發(fā)展，多層包扎式結(jié)構(gòu)的運(yùn)用將越來(lái)越廣泛。