高压容器筒体的制造分析

高压容器筒体的制造分析

邵威 {1} 吴莉 {2} 翟新锋 {1}

新疆中泰创新技术研究院有限责任公司 {1} 新疆 830000

新疆环宇石油工程有限公司 ^{2}新疆 830000

摘要：进入21世纪以后，中国的工业发展水平不断迈进一个又一个新高峰，机械设备制造的相关工艺不断完善，而高压容器正是其中最为重要的一种设备，其在化工领域、炼油行业等发挥着不可替代的关键性作用。其往往具有多样的种类，同时需要承受10千帕以上的压力，因此我们必须要从多个方面采取措施保证筒体的建造质量，保证化工机械的稳定安全运转。

关键词：高压容器；筒体；制造；分析；研究

1高压容器筒体可靠性分析

从高压容器筒体设计的国家标准可知，在设计时应充分考虑压力容器厚度，既包括理论计算厚度还包括附加厚度。理论计算厚度主要是通过公式而算出来的厚度，附加厚度则是根据钢板厚度的负偏差和腐蚀余量得到的。容器的寿命主要由介质对容器的腐蚀速率决定。随着制造和装备技术的不断发展，以材料的力学性能作为容器可靠性设计依据的方式得到广泛运用。对于内压圆筒容器，通常采用中径公式作为筒体极限来进行可靠性设计，确定壁厚；对于承压的压力容器，通常采用屈服极限和断裂极限来判断失效能力，从而确定其自身的承受能力。根据目前的研究，失效概率低于10-5为压力容器可接受的概率。

2高压容器筒体结构方案

2.1单层卷焊式

在制作时，大型卷板机将钢板卷成圆筒的形状，然后再利用焊接方式将纵向缝隙密封形成筒节，然后在其两端安装法兰，最终形成高压容器。采用这种制作工艺能使容器获得更厚的壁面，极大地提高了容器的承压能力，但是目前材料都是高强度的合金钢，因此，对焊接要求较高，只有在提高焊接质量的情况下才能有效地提高高压容器的质量。

2.2整体锻造式

该方式起源早且应用基础深厚，在实际操作中需要将法兰和筒体整合到一起，一般用螺栓连接，不需要焊接工艺，因此，整个流程减少了焊接这道工序。由于整体式制作能很好地满足高压容器的设计需求，在整体制造时，应先在毛坯上打孔，然后进行加热，当温度达到要求后，将芯轴插入其中，在水压机上进行锻造，最后再对内外壁面进行机加工。这种筒体的组织致密，因此具有很高的强度。

2.3绕板式

这属于一种多层容器的制作方法，在原有筒体基础上发展而来，具有制作难度低、安全性能高的特点。筒节是预先烧制而成的，与多层包扎相比，焊接工时减少，有利于提高生产效率和质量。这种筒体由内筒、外筒和绕板组成，厚度由外向内逐渐增加，最终达到筒体的使用要求。

3高压容器的设计要点

3.1筒体厚度的计算

高压容器筒体厚度的计算公式如下：

在公式中有对压力进行限定，也就是对高压容器设备内径与外径的大小进行限定，当高压容器的壁是薄壁时，其强度设计的理论基础是薄膜应力公式推导出来的旋转薄壳应力无力矩理论；而高压容器的壁是厚容器壁时，其强度设计理论基础是弹性应力推导出来的拉美计算公式。设计者在进行高压容器的强度计算时，需要考虑设计值与实际值之间的应力误差。

3.2开孔补强计算接管实际外伸高度的确定

设计的高压容器通常采用的是厚壁管对补其强度，筒管中实际外延伸的部分为能提供等厚补强强度的接管的外伸高度，同时需要舍去承担密封功能的那部分筒体高度。在实际进行开孔补强计算接管时，外伸长度如果考虑了长颈法兰，会导致计算结果的错误，并且会使高压容器在工作过程中存在很大的安全隐患，最简单的计算方法是将h1作为接管时实际外伸高度h。

3.3筒体与球形封头的对接接头形式

确定了筒体的封头厚度后要对筒体进行焊接，在焊接时发现筒体厚度比球形封头要大，这是因为球形的封头其环向应力与径向应力要大。高压容器的圆筒中，其环向应力比轴向应力大很多，而当圆筒的直径相同时，球壳的厚度仅仅只有筒体厚度的一半，当两者的厚度相差太多时，需要对圆筒的边缘进行削薄处理。在设计时，筒体坡口形式常常被设计者所忽视，造成严重的设计错误。

3.4密封形式的选择

高压容器的密封形式主要有三种，即：强制式密封、自紧式密封和半自紧式密封。高压容器密封的好坏对整个容器安全稳定运行具有十分重要的影响，是设计中一个至关重要的环节。在设计过程中，具体选用何种密封形式需要根据高压容器的介质、温度及高压容器运行的具体工艺条件进行选择。

4高压容器的制造要点分析

4.1受压元件成形减薄

高压容器的钢板材料厚度不同，其许用应力的承载范围也是不一样的，当高压容器的钢板越厚时，其钢板的许用应力就越低，需要注意钢板的厚度极限。当钢板厚度接近该钢板的厚度极限值时，许应力会存在跳档的现象，在实际的设计时需要给制造单位留足加工的裕量，以保证钢板具有足够的厚度。

4.2材料代用

在实际的生产过程中会存在材料紧缺的现象，材料供应不上的问题，这时产品制造商会使用其他材料代替原来元件的制造材料，当采用厚板代替薄板时需要实时查看该厚板材料是否满足高压容器的应力需求，新用材料的许用应力是否会因为板的厚度变化而产生变化，如果新用材料的许用应力降低，则需要重新计算新用材料的厚度，核算该元件的计算厚度，以保证应力满足需求。

4.3整体锻造式高压容器筒体制造

这种制造工艺可以说是伴随着高压容器生产而出现的，是目前应用时间比较长的一种生产形式，在生产过程中需将钢坯中间打出孔洞，而后经过长时间的高温加热使钢坯的硬度发生变化，此时根据需要制作的尺寸选择合适的芯轴穿入其中，再利用水压机等大型压力设备对酸化钢坯进行锻造，使之内壁与芯轴尺寸完全贴合，最后再经过内壁和外壁的瑕疵处理，即可形成一个完整的高压容器筒体构件，如有特殊需求也可以利用螺纹进行筒体连接，但是这种连接方式不太常见。这种整体式锻造方法所具备的优势在于，锻造出来的筒体可靠性非常高，承受巨大的压力也能保持形状等性能的稳定性；当然其也有一定的不足之处，那就是利用整体锻造法加工筒体往往需要很长的时间才能结束工序，另外在制造过程中钢坯的损耗率比较大，不利于化工机械高压容器的高效生产。

4.4凸形封头成形母材试板

高压容器的封头板材厚度比较大，根据板材的使用要求，当板材厚度超过厚度极限时需要对板材的使用状态进行调整，厚壁状态的封头通常需要对其进行热压成形，在对其加热过程中由于加热的温度很高，很容易破坏原材料的供货状态。如果加热过程破坏了原材料的供货状态，需要进行相应的热处理使加热材料恢复原材料的状态，同时需要附上与原材料相同批次的母版试件，以备在高压头封头完工后进行相应的力学性能试验检验。

5结语

总而言之，筒体制造是高压容器各个部件制造中最重要的一个构成部分，能否保证筒体的制造质量以及制造效率，直接关系到化工机械高压容器的最终运转效果，也影响着化工生产的全流程稳定性，因此我们必须要充分的认识到高压容器筒体制造的重要性，从多个角度保证其可靠性。更重要的是，务必要对现有的几种高压容器筒体制造工艺进行综合性分析，牢牢把握每种工艺的特征、制造流程以及优缺点，根据实际生产需求选择最恰当的制造工艺，为我国化工领域的长效发展打下坚实的基础。

参考文献：

[1]滕菲,高贺.化工机械高压容器筒体的制造研究[J].化工设计通讯,2016,42(01):90+99.

[2]韩明轩,刘丝嘉.化工机械高压容器筒体的制造探索[J].科技创业家,2014(05):84.

[3]吴冬果.多层包扎高压容器制造加工及质量控制[J].石油和化工设备,2013,16(09):22-26+34.