多层包扎式结构在高压容器中的运用

1、多层包扎式结构在高压容器中应用的优势刘艳琼1,肖治国2,樊安林3(1, 2.自贡市自贡大业高压容器有限责任公司四川 自贡643000; 3.四川众信燃气设备有限公司四川自贡643000摘 要：高压容器在实践运用中压力高，固所需筒体的厚度较厚。若采用单 层厚板式结构，则对材料的要求高，并且要求制造厂要拥有大型的加工设备，制造难度大。再则板材的价格却随厚度增加；若采用整体多层包扎式结构，不但不 存在以上材料和大型加工设备问题，而且还能避免深焊缝对容器的危害，既提高了容器的安全性有降低了生产成本。本文对单层厚板式结构和整体多层包扎式结 构进行比较，阐述了多层包扎式结构在高压容器中运用的优势。关键词：

2、高压容器单层厚板式整体多层包扎式比较 优势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作者简介：刘艳琼(1984-),女，云南大理人，助理工程师， 2007年毕业于西

6、南科技 大学制造学院过程装备与控制工程专业，获学士学位。现在自贡大业高压容器有限责任公司从事压力容器设计工作。随着科技的进步和发展，高压容器已普遍用于石油、化工、冶金、核电站、 宇航、医药和食品等领域。在化工工业中使用的高压容器，具操作随工艺过程而 异，情况较为复杂。它不仅承受高压，而且常常伴随着高温或低温，再加上介质 的强烈腐蚀，因此对材料的要求非常严格。近年来随着设备大型化，对于设备的 安全性提出了较高的要求。在行业的激烈竞争中，我们必须认清高压容器的哪种 结构既安全而且制造成本又低。本文便结合我公司某项目制造的20万吨/年合成甲醇中的甲醇合成塔为例，分析比较高压容器的两种基本结构单层板式

7、和多层 包扎的优劣性和经济性，为高压容器结构的运用选择提供参考。1 .甲醇合成塔的设计1.1 甲醇合成塔设计参数如表1所示。表1甲醇合成塔设计参数设计压力/MPa31.4设计温度/c200介质合成气（H2,N2,NH3,CH4筒体直径/mm1200筒体长度/mm18000腐蚀余量/mm31.2材料选择甲醇合成塔的材料选择主要考虑容器的工况条件， 材料的使用性能，材料的 焊接性能和冷热加工性能以及经济合理性，具体分析如下：(1)甲醇合成塔的工况条件主要包括设计压力、 设计温度和介质特性。这是我 们设计选材的基本参数和主要根据。 本设备设计压力为高压，决定了材料 应选择力学性能较好的材料；设计温度

8、较高决定了材料应选择耐高温的材 料；介质为易燃介质决定了材料不得选用沸腾钢且含碳量不应过高。除此之外，材料还应有良好的耐腐蚀性。(2)材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能。根据上述甲醇合成 塔的工况条件，该设备材料的力学性能应选择较高强度的材料， 不仅能承 受较高的压力，而其能减薄壳体厚度，减轻设备重量。在考虑强度较好的情况下，还应考虑材料要有足够的韧性和塑性。(3)材料在具备以上两点的基础上还应有良好的加工工艺性能和焊接性能，良好的焊接性能是保证压力容器组焊焊缝有较高可靠性的前提条件，所以对压力容器来说材料有良好的焊接性能是十分重要的，一般来说，降低钢中的含碳量并控制碳钮含量的比例

9、，对获得良好的焊接性能有利。控制硫的 含量在0.03%、磷的含量在0.02%以下，可以防止热脆性产生裂纹。其次 应具有良好的热处理性能，以便通过适当的热处理获得需要的材料综合机 械性能。(4)甲醇合成塔的价格大部分取决于材料的价格、制造费用和使用寿命，所以 在材料的选择上必须首先考虑材料的经济性。(5)材料的选择除遵循以上原则外还必须符合相应的国标、部标和有关技术条件要求。根据以上综合分析，甲醇合成塔用单层结构式壳体材料可选用Q345R多层包扎结构时内筒和层板均可选用 Q345R材料选用标准为GB713-2008锅炉和压力容器用钢板。2 .单层式圆筒与多层包扎式结构的分析比较2.1 单层式圆筒

10、查GB150.3-2011表2, Q345FM料在设计温度下的许用应力 口 1=147MPa焊 接接头系数取小=1.0根据 GB150.3-2011 公式(3-1 ):Pc Di31.4 12001 = 143.49 mm2 r 1 Pc 2 147 1 -31.4因此单层式圆筒筒体壁厚取148mm2.2 多层包扎式内筒壁厚取24mm层板壁厚取10mm层数为10层。内筒和层板材料均为 Q345R查GB150.3-2011表2,内筒材料的许用应力 k t=170MPa层板材料许用应力 卜二183MPa内筒焊接接头系数取 小=1.0 ,层 板焊接接头系数取小=0.95。根据 GB150.3-201

11、1 公式(3-5):-卜二，二七-J：，i卜。I：.：% ' nn经计算得：=173.10 MPa设计温度下圆筒的最大允许工作压力按GB150.3-2011公式（3-6）:,12二，PW 1 = =31.64 MPaDi e设计温度下计算应力：t PC Di 、e二 c i- =171.79MPa2、e由以上计算可知，内筒壁厚和层板壁厚是合理的2.3 材料价格分析比较表2.材料价格的比较结构形式厚度/mm材料价格（元/T）总价格/万元单层式圆筒Q345R多层包扎式Q345R从上表可以看出，采用多层包扎式结构材料成本要比单层式结构经济得多。2.4 结构及制造方面的比较（1）单层式圆筒将下

12、料好的钢板加热到适当温度后在大型的卷板机上卷成圆筒，经焊接 纵焊缝即成为筒节，再通过环焊缝将几段筒节组焊到所需长度后，再与封头 或端部法兰组焊成容器。具优点是：结构简单、工序少、生产效率高、自动 化程度高。其缺点是：不能完全避免较薄弱的深环焊缝和纵焊缝，焊缝的检 测和消除均较困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力。对于厚壁单 层式圆筒在制造时卷板需要大型卷板机，要有较好的热处理炉和热处理工艺。 因此，大型筒体在制造和原材料的供应上都较为困难。（2）多层包扎式多层包扎式是由内筒与多层层板两部分组成，内筒一般由厚度为2030mm勺优质钢板（或者合金钢板）卷焊而成，层板通常由 620的高强度 钢

13、板卷焊而成。多层包扎式容器筒体又分为分段式包扎和整体包扎两种，这 里只介绍更优越的整体包扎。整体多层包扎是一种错开环缝和采用液压钳逐层包扎的圆筒结构。它先将内筒拼接到所需的长度，再包扎层板。具有两种结构：1将内筒的两端焊 上端部法兰或封头，然后再在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上的包扎 好并焊接磨平后再包扎第二层直到所需厚度；另一种是将内筒拼接到所需长 度后，不与端部法兰或封头相焊，而是直接包扎层板，等包扎到所需厚度后 再与封头法兰相焊。整体多层包扎筒体主要采用液压预拉装置、液压机械将 预先卷好的层板筒节，按一定的尺寸要求逐层液压夹紧在一整体组焊好的内 筒上。相邻层板环缝相隔不小于 1001

14、50mm共纵缝相对错开一定的角度相 互错开布置。其每层层板上只有一条纵焊缝，且相邻层板间的环焊缝相互错 开，没有深纵、环焊缝。具体制作过程如下：首先用一般方法制成整体内 筒，然后消除应力热处理；将内筒组合在转台上，其两端分别焊上封头与端 部法兰并探伤合格；将层板钻夹紧工艺孔后预卷成开口筒节，从封头处套 在整体内筒上，开口与内筒纵缝错开 78。，到位后先用预拉装置预紧，再用 夹紧机械手将其手指插入层板的夹紧工艺孔夹紧层板筒节，点焊固定。再将 第二个筒节纵向开口处与第一个筒节错开一定角度，然后逐节预拉并夹紧，点焊固定。用同样方法套上第三筒节、第四筒节 ，直至第一层层板夹紧 点焊完成后所有纵、环缝进

15、行焊接。层板与封头及端部法兰对接处需超探合 格。打磨第一层纵、环焊缝焊接余高。用同样工艺方法依次夹紧下一层 层板，直到整个容器成型，最外层纵缝、层板与封头及端部法兰对接处需超 探合格。补焊最外层层板上的夹紧工艺孔。其缺点：工序多、周期长、效 率低、钢板材料的利用率低。DN1200?醇合成塔外壳图其优点有：(1) .筒体的壁厚是由中厚板组合而成，其厚度不仅不受厚板轧制能力的限 制，而且中厚板的质量往往优于厚板。(2) .筒体的纵向接头受力最大，往往是缺陷乃至事故的多发部位，而多层 包扎式容器将其“化整为零”逐层分开布置，从而减缓了纵向接头对容器的 危害程度，而且整体式包扎将各层环向焊缝也相互错开

16、，整个筒体既无沿整 个壁厚贯通的纵向焊缝，也无沿整个壁厚贯通的环向焊缝，从而大大提高了 产品的安全性。(3) .由于各层间不连续，某一层层板的缺陷只会在本层内扩展，不会贯穿 整个壁厚；(4) 层板上的泄放孔可以起到安全报警的作用；(5) 包扎时外层层板会对内层层板产生一定的预紧力，这一压缩应力虽然难以准确控制而无法在设计中加以利用，但他的存在一定程度上增加了容器的 安全裕量。4.结语综上所述，筒体的多层包扎式结构在安全性上比单层厚壁式更为安全； 在生产设备加工性能和原材料的采购上更不受限制；在经济效益和制造成本 上也具有较好的优越性，因此由本文中对比甲醇合成塔设备设计中我们可以 看出，在高压容器的结构设计中我们应优先考虑多层包扎式结