多層包扎式結(jié)構(gòu)在高壓容器中的運用

1、多層包扎式結(jié)構(gòu)在高壓容器中應(yīng)用的優(yōu)勢劉艷瓊1,肖治國2,樊安林3(1, 2.自貢市自貢大業(yè)高壓容器有限責(zé)任公司四川 自貢643000; 3.四川眾信燃?xì)庠O(shè)備有限公司四川自貢643000摘 要：高壓容器在實踐運用中壓力高，固所需筒體的厚度較厚。若采用單 層厚板式結(jié)構(gòu)，則對材料的要求高，并且要求制造廠要擁有大型的加工設(shè)備，制造難度大。再則板材的價格卻隨厚度增加；若采用整體多層包扎式結(jié)構(gòu)，不但不 存在以上材料和大型加工設(shè)備問題，而且還能避免深焊縫對容器的危害，既提高了容器的安全性有降低了生產(chǎn)成本。本文對單層厚板式結(jié)構(gòu)和整體多層包扎式結(jié) 構(gòu)進(jìn)行比較，闡述了多層包扎式結(jié)構(gòu)在高壓容器中運用的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：

2、高壓容器單層厚板式整體多層包扎式比較 優(yōu)勢Multi-layered Wrapped Type Structure in High-pressureVessel Application SuperiorityLiuyanqiong1 xiaozhiguo2 fananlin3Abstract: The high-pressure vessel the pressure is high in the practice utilization, so needs the tube body thickness to be thick. If uses the single-layer thick

3、plate type structure, then is high to the material request, and requests the factory to have to have the large-scale processing equipment, the manufacture difficulty is big. Moreover plate price actually along with thickness increase; If uses thentegrated multi-layered wrapped type structure, not on

4、ly the existence of material and the large-scale processing equipment problems, but also can avoid the harm of deep weld on the container, also enhanced the vessel security to have reduced the production cost. This article carries on the comparison to the single-layer thick plate type structure and

5、the overall multi-layered wrap type structure, elaborated the multi-layered wrapped type structure in the high-pressure vessel the utilization superiority.Keywords:High pressure vesselSingle-layer thick plateIntegrated multi-layered wrapping Compared Advantage作者簡介：劉艷瓊(1984-),女，云南大理人，助理工程師， 2007年畢業(yè)于西

6、南科技 大學(xué)制造學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位。現(xiàn)在自貢大業(yè)高壓容器有限責(zé)任公司從事壓力容器設(shè)計工作。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，高壓容器已普遍用于石油、化工、冶金、核電站、 宇航、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域。在化工工業(yè)中使用的高壓容器，具操作隨工藝過程而 異，情況較為復(fù)雜。它不僅承受高壓，而且常常伴隨著高溫或低溫，再加上介質(zhì) 的強烈腐蝕，因此對材料的要求非常嚴(yán)格。近年來隨著設(shè)備大型化，對于設(shè)備的 安全性提出了較高的要求。在行業(yè)的激烈競爭中，我們必須認(rèn)清高壓容器的哪種 結(jié)構(gòu)既安全而且制造成本又低。本文便結(jié)合我公司某項目制造的20萬噸/年合成甲醇中的甲醇合成塔為例，分析比較高壓容器的兩種基本結(jié)構(gòu)單層板式

7、和多層 包扎的優(yōu)劣性和經(jīng)濟(jì)性，為高壓容器結(jié)構(gòu)的運用選擇提供參考。1 .甲醇合成塔的設(shè)計1.1 甲醇合成塔設(shè)計參數(shù)如表1所示。表1甲醇合成塔設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力/MPa31.4設(shè)計溫度/c200介質(zhì)合成氣（H2,N2,NH3,CH4筒體直徑/mm1200筒體長度/mm18000腐蝕余量/mm31.2材料選擇甲醇合成塔的材料選擇主要考慮容器的工況條件， 材料的使用性能，材料的 焊接性能和冷熱加工性能以及經(jīng)濟(jì)合理性，具體分析如下：(1)甲醇合成塔的工況條件主要包括設(shè)計壓力、 設(shè)計溫度和介質(zhì)特性。這是我 們設(shè)計選材的基本參數(shù)和主要根據(jù)。 本設(shè)備設(shè)計壓力為高壓，決定了材料 應(yīng)選擇力學(xué)性能較好的材料；設(shè)計溫度

8、較高決定了材料應(yīng)選擇耐高溫的材 料；介質(zhì)為易燃介質(zhì)決定了材料不得選用沸騰鋼且含碳量不應(yīng)過高。除此之外，材料還應(yīng)有良好的耐腐蝕性。(2)材料的使用性能包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。根據(jù)上述甲醇合成 塔的工況條件，該設(shè)備材料的力學(xué)性能應(yīng)選擇較高強度的材料， 不僅能承 受較高的壓力，而其能減薄殼體厚度，減輕設(shè)備重量。在考慮強度較好的情況下，還應(yīng)考慮材料要有足夠的韌性和塑性。(3)材料在具備以上兩點的基礎(chǔ)上還應(yīng)有良好的加工工藝性能和焊接性能，良好的焊接性能是保證壓力容器組焊焊縫有較高可靠性的前提條件，所以對壓力容器來說材料有良好的焊接性能是十分重要的，一般來說，降低鋼中的含碳量并控制碳鈕含量的比例

9、，對獲得良好的焊接性能有利?？刂屏虻?含量在0.03%、磷的含量在0.02%以下，可以防止熱脆性產(chǎn)生裂紋。其次 應(yīng)具有良好的熱處理性能，以便通過適當(dāng)?shù)臒崽幚慝@得需要的材料綜合機 械性能。(4)甲醇合成塔的價格大部分取決于材料的價格、制造費用和使用壽命，所以 在材料的選擇上必須首先考慮材料的經(jīng)濟(jì)性。(5)材料的選擇除遵循以上原則外還必須符合相應(yīng)的國標(biāo)、部標(biāo)和有關(guān)技術(shù)條件要求。根據(jù)以上綜合分析，甲醇合成塔用單層結(jié)構(gòu)式殼體材料可選用Q345R多層包扎結(jié)構(gòu)時內(nèi)筒和層板均可選用 Q345R材料選用標(biāo)準(zhǔn)為GB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板。2 .單層式圓筒與多層包扎式結(jié)構(gòu)的分析比較2.1 單層式圓筒

10、查GB150.3-2011表2, Q345FM料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力 口 1=147MPa焊 接接頭系數(shù)取小=1.0根據(jù) GB150.3-2011 公式(3-1 ):Pc Di31.4 12001 = 143.49 mm2 r 1 Pc 2 147 1 -31.4因此單層式圓筒筒體壁厚取148mm2.2 多層包扎式內(nèi)筒壁厚取24mm層板壁厚取10mm層數(shù)為10層。內(nèi)筒和層板材料均為 Q345R查GB150.3-2011表2,內(nèi)筒材料的許用應(yīng)力 k t=170MPa層板材料許用應(yīng)力 卜二183MPa內(nèi)筒焊接接頭系數(shù)取 小=1.0 ,層 板焊接接頭系數(shù)取小=0.95。根據(jù) GB150.3-201

11、1 公式(3-5):-卜二，二七-J：，i卜。I：.：% ' nn經(jīng)計算得：=173.10 MPa設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力按GB150.3-2011公式（3-6）:,12二，PW 1 = =31.64 MPaDi e設(shè)計溫度下計算應(yīng)力：t PC Di 、e二 c i- =171.79MPa2、e由以上計算可知，內(nèi)筒壁厚和層板壁厚是合理的2.3 材料價格分析比較表2.材料價格的比較結(jié)構(gòu)形式厚度/mm材料價格（元/T）總價格/萬元單層式圓筒Q345R多層包扎式Q345R從上表可以看出，采用多層包扎式結(jié)構(gòu)材料成本要比單層式結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)得多。2.4 結(jié)構(gòu)及制造方面的比較（1）單層式圓筒將下

12、料好的鋼板加熱到適當(dāng)溫度后在大型的卷板機上卷成圓筒，經(jīng)焊接 縱焊縫即成為筒節(jié)，再通過環(huán)焊縫將幾段筒節(jié)組焊到所需長度后，再與封頭 或端部法蘭組焊成容器。具優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、工序少、生產(chǎn)效率高、自動 化程度高。其缺點是：不能完全避免較薄弱的深環(huán)焊縫和縱焊縫，焊縫的檢 測和消除均較困難；且結(jié)構(gòu)本身缺乏阻止裂紋快速擴展的能力。對于厚壁單 層式圓筒在制造時卷板需要大型卷板機，要有較好的熱處理爐和熱處理工藝。 因此，大型筒體在制造和原材料的供應(yīng)上都較為困難。（2）多層包扎式多層包扎式是由內(nèi)筒與多層層板兩部分組成，內(nèi)筒一般由厚度為2030mm勺優(yōu)質(zhì)鋼板（或者合金鋼板）卷焊而成，層板通常由 620的高強度 鋼

13、板卷焊而成。多層包扎式容器筒體又分為分段式包扎和整體包扎兩種，這 里只介紹更優(yōu)越的整體包扎。整體多層包扎是一種錯開環(huán)縫和采用液壓鉗逐層包扎的圓筒結(jié)構(gòu)。它先將內(nèi)筒拼接到所需的長度，再包扎層板。具有兩種結(jié)構(gòu)：1將內(nèi)筒的兩端焊 上端部法蘭或封頭，然后再在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上的包扎 好并焊接磨平后再包扎第二層直到所需厚度；另一種是將內(nèi)筒拼接到所需長 度后，不與端部法蘭或封頭相焊，而是直接包扎層板，等包扎到所需厚度后 再與封頭法蘭相焊。整體多層包扎筒體主要采用液壓預(yù)拉裝置、液壓機械將 預(yù)先卷好的層板筒節(jié)，按一定的尺寸要求逐層液壓夾緊在一整體組焊好的內(nèi) 筒上。相鄰層板環(huán)縫相隔不小于 1001

14、50mm共縱縫相對錯開一定的角度相 互錯開布置。其每層層板上只有一條縱焊縫，且相鄰層板間的環(huán)焊縫相互錯 開，沒有深縱、環(huán)焊縫。具體制作過程如下：首先用一般方法制成整體內(nèi) 筒，然后消除應(yīng)力熱處理；將內(nèi)筒組合在轉(zhuǎn)臺上，其兩端分別焊上封頭與端 部法蘭并探傷合格；將層板鉆夾緊工藝孔后預(yù)卷成開口筒節(jié)，從封頭處套 在整體內(nèi)筒上，開口與內(nèi)筒縱縫錯開 78。，到位后先用預(yù)拉裝置預(yù)緊，再用 夾緊機械手將其手指插入層板的夾緊工藝孔夾緊層板筒節(jié)，點焊固定。再將 第二個筒節(jié)縱向開口處與第一個筒節(jié)錯開一定角度，然后逐節(jié)預(yù)拉并夾緊，點焊固定。用同樣方法套上第三筒節(jié)、第四筒節(jié) ，直至第一層層板夾緊 點焊完成后所有縱、環(huán)縫進(jìn)

15、行焊接。層板與封頭及端部法蘭對接處需超探合 格。打磨第一層縱、環(huán)焊縫焊接余高。用同樣工藝方法依次夾緊下一層 層板，直到整個容器成型，最外層縱縫、層板與封頭及端部法蘭對接處需超 探合格。補焊最外層層板上的夾緊工藝孔。其缺點：工序多、周期長、效 率低、鋼板材料的利用率低。DN1200?醇合成塔外殼圖其優(yōu)點有：(1) .筒體的壁厚是由中厚板組合而成，其厚度不僅不受厚板軋制能力的限 制，而且中厚板的質(zhì)量往往優(yōu)于厚板。(2) .筒體的縱向接頭受力最大，往往是缺陷乃至事故的多發(fā)部位，而多層 包扎式容器將其“化整為零”逐層分開布置，從而減緩了縱向接頭對容器的 危害程度，而且整體式包扎將各層環(huán)向焊縫也相互錯開

16、，整個筒體既無沿整 個壁厚貫通的縱向焊縫，也無沿整個壁厚貫通的環(huán)向焊縫，從而大大提高了 產(chǎn)品的安全性。(3) .由于各層間不連續(xù)，某一層層板的缺陷只會在本層內(nèi)擴展，不會貫穿 整個壁厚；(4) 層板上的泄放孔可以起到安全報警的作用；(5) 包扎時外層層板會對內(nèi)層層板產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，這一壓縮應(yīng)力雖然難以準(zhǔn)確控制而無法在設(shè)計中加以利用，但他的存在一定程度上增加了容器的 安全裕量。4.結(jié)語綜上所述，筒體的多層包扎式結(jié)構(gòu)在安全性上比單層厚壁式更為安全； 在生產(chǎn)設(shè)備加工性能和原材料的采購上更不受限制；在經(jīng)濟(jì)效益和制造成本 上也具有較好的優(yōu)越性，因此由本文中對比甲醇合成塔設(shè)備設(shè)計中我們可以 看出，在高壓容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中我們應(yīng)優(yōu)先考慮多層包扎式結(jié)