整体多层包扎式高压容器设计概述

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随着近几十年来我国石油化工行业的快速发展，工业产能逐步提升，产品工艺不断改进，压力容器设备不断向着大型化、高参数化的趋势发展。目前在我国合成氨、尿素、煤气化等装置上的高压设计参数设备均采用了多层包扎容器结构。但是我国多层包扎设计及制造技术相对国外还较为落后，所以许多重点产品还依赖国外进口。

目前，高压容器结构可分为单层和多层两种形式。单层高压容器采用锻焊式及板焊式结构；多层高压容器采用包扎、绕板式、绕带式、绕丝式、热套式等结构，其中多层包扎式容器具有材料利用率高、安全可靠等优点而被普遍采用。本文将以-例典型多层包扎容器结构--高压空气储罐(见图1)，重点介绍整体多层包扎容器的结构特点及其主要组件的设计，高压气罐主要性能参数见表l。

表I设计参数窖器类别 第 m类设计压力 32MPa工作压力 29MPa设计温度 50℃工作温度 常温介质 空气容 积 7.9m。

设备内直径 1 O05mm收稿 日期2013-06-28[作者简介J赵刘红 (1985-)，女，助理工程师，现就职于太原重工煤化工设备分公司，主要从事容器设计及研究工作；康泰瑞 (1985-)，男，助X-Y-程师，现就职于太原重工煤化工设备分公司，主要从事机械设计制造及生产管理工作。

1-下封头 2-筒体 3-筒体端部 4-平盖 5-主螺栓 6-螺母 7-双锥密封图1高压空气储罐1 多层高压容器与单层高压容器比较高压容器若采用单层结构形式，-般筒体封头用钢板厚度相对较大，甚至无法采购到此厚度板材，只能采用锻件加工，增加了成本；多层包扎容器结构避免了板材厚度的限制，多层容器内筒及层板均采用卞，-般厚度在25mm以内，压力升高增加层板层数即可菏足对筒体强度的要求。

表2多层容器结构及单层容器结构优缺性对比单层结构 多层结构厚盛同内压作用受力不均匀 层板厚度小.每层应力基本均匀厚板性能差 卞性能优于厚板厚板1 00%无损检测 层板无此要求厚板焊后1 0O%无损检测 内筒1 0O%无损检测.外层无此要求焊后消除应力热处理 不应进行焊后热处理每-层纵缝错开。整个厚度不存在贯穿纵缝. 有- 条贯穿整个厚度的纵缱 安全性好有耐蚀要求时.整个材料都要考虑 只需考虑内简无信号孔 开信号孔 (泄漏孔 )，报警.安全性高厚板对卷板机的要求高 卞对卷板机的要求低- 5l-总第s4期 - I -L业： 口r，I、ul百 lL Modern Industrial Economy andInformationization2 高压空气储罐设计高压空气储罐设计需考虑设备的整体结构、零部件结构、选材、厚度计算 (校核 )和焊缝结构及无损检测要求等内容。

1)设备整体结构应力求简单；2)零部件结构主要包括筒体、上下封头、接管、密封面及连接用螺柱、螺母等；3)材料尽量选择压力容器常用材料；4)厚度计算应合理调整层板厚度及层数，确保筒体强度；5)焊缝结构应尽量简单，焊材用量少，易于无损检测，并确保焊缝性能；6)无损检测应按相关标准执行。

2.1高压空气储罐的结构及强度计算本设备由下部封头、筒体、简体端部、平盖、密封垫片、连接用螺栓、螺母及插管等组件组成。

2.1.1符号Pc--设计压力 ，MPa；Di--封头或筒体内直径，mm；5--圆筒或封头的计算厚度，mm；- - 圆筒或封头的名义厚度，mm；。- - 圆筒或封头的有效厚度，mm；6i--内筒的名义厚度，ram；0。- - 层板的名义厚度，mm；巾--焊接接头系数；中。--内筒焊接接头系数；巾。--层板焊接接头系数；o--设计温度下封头或筒体材料的许用应力，MPa；olI]--设计温度下内筒材料的许用应力，MPa；[a --设计温度下层板材料的许用应力，MPa；2.1.2封头封头采用半球型封头，半球形封头受力均匀，计算厚度较其它形式封头厚度小，对成型要求相对较低。

封头厚度计算公式：5 PcDi 封头的计算应力： t：旦 o 值应小于或等于o2.1.3简体层包扎容器筒体由内筒及层板构成，内筒厚度应大于层板厚度，内筒厚度-般不大于25mm为宜，每层层板厚度应相同。

- 52-Total of54筒体厚度计算公式：8：： 堕 Ⅲ2M由-P0圆筒的计算应力：仃t：生 ⅢGt巾： . ⅢZOa值应小于或等于o 巾多层包扎容器内筒为主要受压元件，且对内筒材质、焊缝的无损检测要求都较为严格。经上述公式计算内筒材质采用Q345R，内筒名义厚度为18ram，按GB1S0-2011规定内筒板材供货状态为正火，且逐张进行超声波检测 I级合格。内筒环、纵焊缝应进行100%射线检测Ⅱ级合格，并进行100%超声波复验 I级合格 (设计人员要求 )。故内筒的焊接接头系数 取1.0，层板焊接接头系数巾。取0.95。

2.1.4筒体端部结构及密封2.1.4.1筒体端部整体多层包扎容器由于其简体的结构特点，此类容器的开孔-般在封头处，尤其大开孔，如人孔等，不宜选择在筒体上。若工艺管口布置要求必须在筒体上开孔，其接管应采用厚壁管，并采用内插式的结构。多层包扎容器-般筒体厚度较厚 ，接管与筒体的焊缝宜采用u”型坡口。

本文所列高压空气储罐其内径为1 O00mm，容器直径较小，考虑人孔的设计，人孔应大于DN450为宜，因此此容器采用筒体端部与平盖法兰连接结构，平盖上设置吊环，若需容器开盖检查时，可利用吊环将整个平盖吊起，检查人员即可进入容器内部。

按GB150.3-2011第7章7.7中的规定对筒体端部进行计算，筒体端部计算包括设备主螺栓的设计，此文不再赘述。

设备主螺栓为高压螺栓 ，高压螺栓具有以下特点：1)高压螺栓采用细牙螺纹；2)螺纹的加工精度高；3)螺栓采用缩颈结构，螺栓缩颈螺纹与直杆处应力集中小，同时可减小螺栓力，操作弹性好；4)螺栓应设有旋入端；5)螺栓应设置注油孔，增加筒体端部螺孔的润滑，方便其旋入。

2.1.4.2密封筒体端部结构常用的密封形式有金属平垫密封、双锥密封、八角垫和椭圆垫密封、伍德密封等，其中应用较多的为平垫密封和双锥密封，双锥密封较平垫密封性能更好，因此设备内直径大于l O00IDIll时，-般采用双锥密封的结构形式 (见图2)。

总第54期上 业 价 个U1面思 1LM odern Industrial Econom y and Inform ationization半圆形沟槽简体端部 2-双锥环 3-平盖 4-软垫片或金属丝 5-螺栓 6-托 环图2双锥密封结构形式双锥环用托环、螺栓固定在平盖上；平盖的圆柱支承面上应开几条纵向的半圆形沟槽；双锥环的两个密封面上应各开2条半径为lmm～1.5mm，深lmm的半圆形沟槽或三角形沟槽。

2.1.5主要焊缝结构多层包扎容器主要A、B类焊缝包括：简体焊缝，简体与筒体端部连接焊缝及筒体与下封头连接焊缝。

2.1.5.1筒体焊缝筒体焊缝包括内筒焊缝及层板焊缝，内筒与层板各自的对接焊缝没有特殊性，但是对于内筒焊缝与层板焊缝的焊缝布置有特殊的要求。内筒对接纵缝与各层层板的对接纵缝应错开，第n层层板的拼接环缝与第nl层层板的拼接环缝中心距离应由设计人员提出，-般应大于300ram(见图3)T l VI VY V Y V VTotal of54图4 筒体与筒体端部及下封头对接焊缝2.1.6焊后热处理多层包扎容器不应采雀后整体热处理的方法消除应力。由于内筒与层板、层板与层板问包裹力由层板对接焊缝收缩产生，若进行整体消除应力热处理层板间焊缝收缩产生的抱紧力将急剧降低。因此多层包扎容器不应做焊后整体热处理，对于筒体与封头及筒体与简体端部的对接B类焊缝焊后可进行局部消应力热处理。

3 结语多层包扎容器大多用于高参数系统中，因此其危险性相对较大，在设计过程中，设计人员应充分考虑其安全性，在满足强度要求的基础上，对其各组件结构进行优化设计，力求结构简单，利于生产制造。

A Sum mary of Integrated M ulfilayer Clum ping High Pressure Vessel DesignZHAO Liu-hong， KANG Tai-rui(Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.Coal Chemical Industrial Equipment Branch Company，Taiyuan Shanxi 030024)Abstract]Integrated multilayer clamping vessel is widely used in high pressure system.This paper is particularly emphasized onthe introduction of the Structure characteristic，structural design and strength calculation of main parts，special structure of the weldform and heateating requirements on the weldings。

Key WOrdsstructure characteristic；structural design；strength calculation- 53-