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摘 要：在改革开放的新时期，我国的国民经济在快速的发展，社会在不断的进步，高压容器在国防军工、石油化工及电力工业等领域的应用越来越广泛，高压容器作为一种特殊的压力容器，操作工况非常苛刻，一旦出现失效，容器本身所具有的爆炸能力，以及所含介质外泄可能导致的次生危害，都会对人和设施造成非常严重的伤害。对单层高压容器设计、制造过程中的技术要点，如壳体材料选择、筒体壁厚的计算、密封结构设计、制造等相关问题进行了分析，给出了设计、制造过程中應慎重考虑的一些要点。
关键词：高压容器；厚壁；设计；结构；制造
引言
在以炼油为代表的工业部门，高压容器的“身影”频频出现，无论是聚乙烯反应器、氢裂化反应器还是其他化工机械，与高压容器间都存在着十分紧密的联系，对拥有厚壁和大体积的重型化工机械而言，不低于10MPa的操作压力，使壁厚的选择变得十分重要。用来制造高压容器筒体的方法，因此而得到了多元化的发展，文章以热套式、整体锻造等方法为主要内容展开了系统、深入的探究，具有一定的现实意义。
1高压容器筒体可靠性探究
通过对高压容器筒体在设计过程中需要应用到的常规标准进行研究能够看出，厚度因素是需要重点考虑的部分，例如，结合实际需求对厚度、厚度附加量进行计算。厚度计算是指根据公式对压力进行计算，从而获得的厚度；厚度附加量是指钢材腐蚀裕量以及厚度负偏差。随着社会的发展，无论是过程装备还是原材料的制备技术，与过去相比都变得越来越完善，基于材料力学性能对容器的可靠性进行设计的作用，为人们所熟知。研究结果表明，以弹性失效对应的中径公式为依据，计算筒体机械并确定筒壁厚度，能够在很大程度上提升高压容器筒体的可靠性，筒体往往通过断裂或屈服的方式，对自身所承受压力加以表现，对设备制造而言，可接受失效概率的范围是10-5，这一数值对筒体制造具有十分重要的作用，应引起足够的重视。
2选材需要注意的几个问题
高压容器用钢常随高压容器的主要参数如内径、压力、温度和介质及制造条件，备料情况等等差异而选用不同的钢种。常用的金属材料有：碳钢、低合金高强度钢、低温钢、耐热钢及耐腐蚀介质的不锈钢等等。在选材时需要注意要点如下。（1）奥氏体不锈钢，设备处于高温高压并且有耐腐蚀要求的操作工况时，通常会选用不锈钢作为容器的主体材料，最常用的就是奥氏体钢，奥氏体钢使用温度高于525℃时，必须保证钢中的含碳量不小于0.04%。这是因为奥氏体钢在使用温度500℃～550℃时，若含碳量太低，强度及抗氧化性会显著下降，使用温度超过450℃时，奥氏体不锈钢的许用应力大大下降，所以国内外对于常用的304、316型材料，在高温工况下要求用H级（即S30409和S31609），含碳量要较高，主要也是考虑到耐热及有热强性。（2）锻件材料，高压容器所选用的材料对质量的要求尤其严格，特别是在小直径高压容器的筒体选材时，由于卷板设备能力的限制，只能选用锻件材料作为设备的主体材料，要求采用IV级锻件，逐件要求进行拉伸和冲击力学性能检测，以及逐渐超声波无损检测，以确保材料质量。作为III类容器的IV级锻件，在材料采购时，不仅要求供货商提供完整的材质证书，还须在锻件进厂后对性能、化学成本以及超声波检测等项目复验。（3）碳钢和低合金钢，当钢板厚度大于等于12mm时，要求按NB/T47013《承压设备无损检测》要求逐张进行超声波检测，质量等级不低于II级。（4）常用钢板材料的交货状态，由于高压容器所用钢板的厚度较厚，对于常用的Q245R及Q345R钢板，对于厚度低于36mm的钢板，由于我国钢板制造单位装备能力和人员近年来都有了较大的提升，钢板内在质量有了较大的提高，热轧和控扎交货的钢板内在质量也达到了很高的水平，但是用于壳体的厚度大于36mm时还难以保证质量，应在正火状态下使用。因为正火状态的钢板的金相组织和性能以及性能的稳定性都比热轧和控扎状态的钢板要好，在选材时需要重视。
3设计需要注意的几个问题
3.1容器筒体的计算厚度
筒体厚度计算公式： 是对计算压力Pc进行限制，也相当于是对筒体外径与内件的比值K=Do/Di的限定，将K代入后以中径公式标识在内压Pc作用下的环向应力公式为： 可以得出， 的限制条件相当于等同于 薄壁容器设计计算的理论基础来源于薄壳无力矩理论，该理论假设壁厚相对直径足够小，也就是K值足够小，应力沿着壁厚均匀分布。而由弹性力学推导得出的拉美公式及厚壁筒体的应力分析可知（见厚壁圆筒的弹性应力表一及厚壁筒体应力分布图）：厚壁筒中存在三个方向的应力，其中只有轴向应力是沿厚度均匀分布的，环向应力和径向应力均是非均匀分布的，筒壁三向应力中，以环向应力最大，内壁处达到最大值，外壁处为最小值。应力沿着壁厚分布的不均匀程度随着K值增大而增大。
3.2结构设计
3.2.1大口径接管结构设计
高压容器大口径接管结构设计时，宜采用整体补强的嵌入式结构，它不仅方便施焊改善受力状况，且可以进行射线或超声波检测，更容易保证焊接接头的质量。采用嵌入式结构设计时，由于筒体壁厚较厚，目前通常将该处对接坡口设计为对称U形坡口（详见图2），由于整体接管锻件与筒体连接端的形状为马鞍形，对接处接管锻件坡口加工难度极大，不能用车床直接加工，只能用镗床进行加工，机加工成本昂贵。为了减少接管锻件坡口的机加工难度，将该处焊接接头的结构设计为K形结构，只需用车床加工锻件齐平即可，既可以保证该处的焊接接头质量，又减少机加工成本，如图3所示。
3.2.2密封结构设计
高压容器的密封结构的设计，直接关乎整个设备运行安全的重要环节。高压容器的密封结构主要有三种：强制式密封、自紧式密封和半紧式密封，常用密封结构适用范围见表2。
一般来说，流体在垫片处的泄漏以两种形式出现，即所谓“渗透泄漏”和“界面泄漏”，渗透泄漏与设备温度、介质及垫片材料有关，而界面泄漏是流体从垫片与法兰接触面泄漏，主要与界面间隙尺寸有关。高压容器采用强制性密封时尤其要预防界面泄漏，这是因为强制式密封是由外部螺栓力来压紧法兰密封面间的密封垫片实现密封的。在设计时，要严格要求法兰及金属垫片的密封面机加工粗糙度Ra为0.8～3.2μm，以及在技术要求中提出，密封垫片的硬度必须低于法兰密封面的硬度。这样才可以保证当法兰螺栓拧紧时，螺栓力通过法兰环将垫片压紧，迫使垫片产生压缩变形，将法兰密封面上的极其微小的凹凸不平面，借助垫片变形填满，阻止界面泄漏。当设备充压后，螺栓受拉伸长，密封垫片受到的压缩量减少回弹，使法兰依然保持良好的密封。
结语
压力容器的设计及制造全过程涉及多个技术领域，包括材料、力学、冷热加工成形、焊接、热处理、无损检测等。高压容器的操作工况尤其苛刻，结构型式更加复杂多样，其设计或者制造阶段的细微失误，都将导致难以预料的事故，因此在设计阶段，更要全面分析高压容器可能出现的失效模式，更有针对性地进行设计，在保证高压容器的本质安全的基础上，全面考虑选材及结构上的经济性，对下料成型、焊接、无损检测等制造阶段关键环节，提出合理的技术要求，才能确保设备质量及建造的经济性。
参考文献
[1]郑津洋.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.
[2]GB150.1-150.4-2011.压力容器[S].
（作者单位：烟台科瑞换热科技有限公司）
关键词：高压容器；厚壁；设计；结构；制造
引言
在以炼油为代表的工业部门，高压容器的“身影”频频出现，无论是聚乙烯反应器、氢裂化反应器还是其他化工机械，与高压容器间都存在着十分紧密的联系，对拥有厚壁和大体积的重型化工机械而言，不低于10MPa的操作压力，使壁厚的选择变得十分重要。用来制造高压容器筒体的方法，因此而得到了多元化的发展，文章以热套式、整体锻造等方法为主要内容展开了系统、深入的探究，具有一定的现实意义。
1高压容器筒体可靠性探究
通过对高压容器筒体在设计过程中需要应用到的常规标准进行研究能够看出，厚度因素是需要重点考虑的部分，例如，结合实际需求对厚度、厚度附加量进行计算。厚度计算是指根据公式对压力进行计算，从而获得的厚度；厚度附加量是指钢材腐蚀裕量以及厚度负偏差。随着社会的发展，无论是过程装备还是原材料的制备技术，与过去相比都变得越来越完善，基于材料力学性能对容器的可靠性进行设计的作用，为人们所熟知。研究结果表明，以弹性失效对应的中径公式为依据，计算筒体机械并确定筒壁厚度，能够在很大程度上提升高压容器筒体的可靠性，筒体往往通过断裂或屈服的方式，对自身所承受压力加以表现，对设备制造而言，可接受失效概率的范围是10-5，这一数值对筒体制造具有十分重要的作用，应引起足够的重视。
2选材需要注意的几个问题
高压容器用钢常随高压容器的主要参数如内径、压力、温度和介质及制造条件，备料情况等等差异而选用不同的钢种。常用的金属材料有：碳钢、低合金高强度钢、低温钢、耐热钢及耐腐蚀介质的不锈钢等等。在选材时需要注意要点如下。（1）奥氏体不锈钢，设备处于高温高压并且有耐腐蚀要求的操作工况时，通常会选用不锈钢作为容器的主体材料，最常用的就是奥氏体钢，奥氏体钢使用温度高于525℃时，必须保证钢中的含碳量不小于0.04%。这是因为奥氏体钢在使用温度500℃～550℃时，若含碳量太低，强度及抗氧化性会显著下降，使用温度超过450℃时，奥氏体不锈钢的许用应力大大下降，所以国内外对于常用的304、316型材料，在高温工况下要求用H级（即S30409和S31609），含碳量要较高，主要也是考虑到耐热及有热强性。（2）锻件材料，高压容器所选用的材料对质量的要求尤其严格，特别是在小直径高压容器的筒体选材时，由于卷板设备能力的限制，只能选用锻件材料作为设备的主体材料，要求采用IV级锻件，逐件要求进行拉伸和冲击力学性能检测，以及逐渐超声波无损检测，以确保材料质量。作为III类容器的IV级锻件，在材料采购时，不仅要求供货商提供完整的材质证书，还须在锻件进厂后对性能、化学成本以及超声波检测等项目复验。（3）碳钢和低合金钢，当钢板厚度大于等于12mm时，要求按NB/T47013《承压设备无损检测》要求逐张进行超声波检测，质量等级不低于II级。（4）常用钢板材料的交货状态，由于高压容器所用钢板的厚度较厚，对于常用的Q245R及Q345R钢板，对于厚度低于36mm的钢板，由于我国钢板制造单位装备能力和人员近年来都有了较大的提升，钢板内在质量有了较大的提高，热轧和控扎交货的钢板内在质量也达到了很高的水平，但是用于壳体的厚度大于36mm时还难以保证质量，应在正火状态下使用。因为正火状态的钢板的金相组织和性能以及性能的稳定性都比热轧和控扎状态的钢板要好，在选材时需要重视。
3设计需要注意的几个问题
3.1容器筒体的计算厚度
筒体厚度计算公式： 是对计算压力Pc进行限制，也相当于是对筒体外径与内件的比值K=Do/Di的限定，将K代入后以中径公式标识在内压Pc作用下的环向应力公式为： 可以得出， 的限制条件相当于等同于 薄壁容器设计计算的理论基础来源于薄壳无力矩理论，该理论假设壁厚相对直径足够小，也就是K值足够小，应力沿着壁厚均匀分布。而由弹性力学推导得出的拉美公式及厚壁筒体的应力分析可知（见厚壁圆筒的弹性应力表一及厚壁筒体应力分布图）：厚壁筒中存在三个方向的应力，其中只有轴向应力是沿厚度均匀分布的，环向应力和径向应力均是非均匀分布的，筒壁三向应力中，以环向应力最大，内壁处达到最大值，外壁处为最小值。应力沿着壁厚分布的不均匀程度随着K值增大而增大。
3.2结构设计
3.2.1大口径接管结构设计
高压容器大口径接管结构设计时，宜采用整体补强的嵌入式结构，它不仅方便施焊改善受力状况，且可以进行射线或超声波检测，更容易保证焊接接头的质量。采用嵌入式结构设计时，由于筒体壁厚较厚，目前通常将该处对接坡口设计为对称U形坡口（详见图2），由于整体接管锻件与筒体连接端的形状为马鞍形，对接处接管锻件坡口加工难度极大，不能用车床直接加工，只能用镗床进行加工，机加工成本昂贵。为了减少接管锻件坡口的机加工难度，将该处焊接接头的结构设计为K形结构，只需用车床加工锻件齐平即可，既可以保证该处的焊接接头质量，又减少机加工成本，如图3所示。
3.2.2密封结构设计
高压容器的密封结构的设计，直接关乎整个设备运行安全的重要环节。高压容器的密封结构主要有三种：强制式密封、自紧式密封和半紧式密封，常用密封结构适用范围见表2。
一般来说，流体在垫片处的泄漏以两种形式出现，即所谓“渗透泄漏”和“界面泄漏”，渗透泄漏与设备温度、介质及垫片材料有关，而界面泄漏是流体从垫片与法兰接触面泄漏，主要与界面间隙尺寸有关。高压容器采用强制性密封时尤其要预防界面泄漏，这是因为强制式密封是由外部螺栓力来压紧法兰密封面间的密封垫片实现密封的。在设计时，要严格要求法兰及金属垫片的密封面机加工粗糙度Ra为0.8～3.2μm，以及在技术要求中提出，密封垫片的硬度必须低于法兰密封面的硬度。这样才可以保证当法兰螺栓拧紧时，螺栓力通过法兰环将垫片压紧，迫使垫片产生压缩变形，将法兰密封面上的极其微小的凹凸不平面，借助垫片变形填满，阻止界面泄漏。当设备充压后，螺栓受拉伸长，密封垫片受到的压缩量减少回弹，使法兰依然保持良好的密封。
结语
压力容器的设计及制造全过程涉及多个技术领域，包括材料、力学、冷热加工成形、焊接、热处理、无损检测等。高压容器的操作工况尤其苛刻，结构型式更加复杂多样，其设计或者制造阶段的细微失误，都将导致难以预料的事故，因此在设计阶段，更要全面分析高压容器可能出现的失效模式，更有针对性地进行设计，在保证高压容器的本质安全的基础上，全面考虑选材及结构上的经济性，对下料成型、焊接、无损检测等制造阶段关键环节，提出合理的技术要求，才能确保设备质量及建造的经济性。
参考文献
[1]郑津洋.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.
[2]GB150.1-150.4-2011.压力容器[S].
（作者单位：烟台科瑞换热科技有限公司）