扁平繞帶式壓力容器力學(xué)行為研究進展

何志萍 中油遼河工程有限公司 盤錦 124010

扁平繞帶式壓力容器力學(xué)行為研究進展

何志萍*中油遼河工程有限公司 盤錦 124010

介紹扁平繞帶式壓力容器結(jié)構(gòu)特點、基本特性及發(fā)展優(yōu)勢，論述其力學(xué)行為的研究現(xiàn)狀并展望其應(yīng)用和發(fā)展。

扁平繞帶式壓力容器力學(xué)行為研究進展

壓力容器技術(shù)在20世紀(jì)取得了重大進步，各種結(jié)構(gòu)形式的壓力容器被廣泛應(yīng)用于化工、煉油、冶金、食品、熱電及核電站等行業(yè)［1］。在石油化工行業(yè)中，壓力容器往往用于高溫和高壓條件，在突發(fā)故障下將可能引起爆炸，其次，目前廣泛使用的整體式高壓容器，其固有缺陷逐漸顯露。采用各種纏繞方式提高容器的承壓能力是一種有效途徑，其中，扁平繞帶式壓力容器有望解決這類缺陷而被開發(fā)成為一類專門的高壓容器。

1 結(jié)構(gòu)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

焊接占壓力容器制造工作量的50%～60%，特別是厚壁筒體的焊接是很困難的。因此，只有消除厚壁筒體縱焊縫和環(huán)焊縫才能改善壓力容器的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、提高生產(chǎn)率，而新型扁平繞帶式壓力容器有效解決了這個問題，其在滿足工藝要求、減少設(shè)備購置費、降低工程造價等方面發(fā)揮重要的作用。扁平繞帶式壓力容器結(jié)構(gòu)見圖1［2］。

圖1 扁平繞帶式壓力容器結(jié)構(gòu)簡圖

扁平繞帶式壓力容器主要由薄內(nèi)殼、扁平鋼帶繞層、封頭、法蘭、頂蓋等組成。薄內(nèi)殼與封頭和法蘭的變徑段焊接，扁平鋼帶以相對容器環(huán)向一定傾角纏繞于內(nèi)殼外側(cè)，鋼帶始末兩端斜邊分別焊接于封頭和法蘭45°錐面上，鋼帶左右交錯纏繞若干層，頂蓋通過螺栓與法蘭連接。

該結(jié)構(gòu)壓力容器技術(shù)要素有:

(1)薄內(nèi)筒的厚度通常占容器總厚度的15%～30%，可為單層或多層組合結(jié)構(gòu)。

(2)扁平鋼帶相對于容器環(huán)向傾角為15～30°，保證容器軸向強度略高于環(huán)向。

(3)鋼帶為厚2～8 mm、寬40～120 mm的熱軋鋼帶，各層鋼帶繞向交錯。

(4)每層鋼帶僅將其兩端與頂部法蘭或多層球底的35～45°錐面相焊，帶間不需焊接，容器全長無貫穿焊縫，更無需厚環(huán)焊縫。

(5)繞層外部視容器直徑設(shè)置厚3～6 mm滿焊檢漏的保護薄殼。

(6)容器端蓋采用扁平抗剪螺釘小頂蓋全自緊快速裝拆高壓密封裝置。

扁平繞帶式壓力容器既能保證最有利的制造工藝條件，又能提高強度，而且失效方式將表現(xiàn)為“只漏抑爆”的安全特性，因此，它是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)良、制造成本低、比已有其他類型壓力容器有更高操作安全可靠性，為適應(yīng)性較強的新型結(jié)構(gòu)壓力容器。

1995～1997 年，扁平繞帶式壓力容器以免于在美國再作任何驗證試驗的優(yōu)惠條件，經(jīng)美國機械工程師學(xué)會兩輪5個層次數(shù)百位專家審查，一致同意正式批準(zhǔn)列人美國ASME鍋爐壓力容器第8篇Divisions 1和2標(biāo)準(zhǔn)。其編號分別為2229和2269，成為唯一來自中國被列入ASME鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的重大技術(shù)，也是繼日本和德國之后的ASME第3項重大外國技術(shù)。

該標(biāo)準(zhǔn)明確扁平繞帶式壓力容器的內(nèi)徑范圍為0.3～3.6 m，容器長度由工藝要求決定，容器設(shè)計溫度決定于材料的許用溫度。即允許在世界上推廣制造內(nèi)徑達(dá)3.6 m，包括尿素合成塔和石油加氫反應(yīng)器在內(nèi)的各種高壓、低溫、高溫和耐腐蝕等承壓裝備。這為扁平繞帶式壓力容器的應(yīng)用提供了非常寬廣的領(lǐng)域，而且尚可根據(jù)應(yīng)用需要，逐步修改擴充。

2 力學(xué)行為研究進展

2.1 靜力學(xué)

扁平繞帶式壓力容器在靜態(tài)壓力作用下具有突出的安全性，其使用壽命比一般的同類其它結(jié)構(gòu)如多層包扎式、單層式及瓦片式等都要長。目前許多學(xué)者對扁平繞帶式壓力容器的靜態(tài)力學(xué)性能問題進行了大量的實驗研究和理論分析，已取得了許多重要成果。

鄭傳祥通過對扁平繞帶式壓力容器的靜態(tài)液壓破裂試驗研究和理論分析，指出該種容器的鋼帶纏繞傾角＜15°時，會有軸向斷裂的危險;而＞30°時，則會使容器整體承載能力有所削弱［3］。為保證該容器安全、經(jīng)濟，并考慮到摩擦力的加強作用，鋼帶的纏繞傾角在15～30°最為合理，當(dāng)內(nèi)殼厚度占總壁厚的比例較小時，取較大傾角;反之，則取較小傾角。現(xiàn)在工程上應(yīng)用的扁平繞帶式壓力容器的鋼帶纏繞傾角基本上是按這個原則設(shè)計的。

劉小寧應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法分析扁平繞帶式壓力容器模糊靜強度［4，5］。探討了扁平繞帶式壓力容器靜強度概率分布規(guī)律與分布參數(shù)。經(jīng)實例計算驗證，給出的公式精度較高，得出扁平繞帶式壓力容器模糊靜強度實測值與預(yù)測值之比基本符合正態(tài)分布的結(jié)論，且在爆破與屈服失效準(zhǔn)則下，得到隨機變量分布參數(shù)取值。

鄭津洋運用彈性理論，給出了鋼帶纏繞預(yù)拉應(yīng)力與鋼帶徑向應(yīng)力、內(nèi)殼軸向環(huán)向預(yù)壓縮應(yīng)力的關(guān)系式［6］，并引用多次工業(yè)規(guī)模試驗研究時獲得的數(shù)據(jù)，對該關(guān)系式進行了驗證，表明了環(huán)向?qū)崪y預(yù)應(yīng)力值與理論值吻合較好，而軸向預(yù)應(yīng)力的理論值偏于保守。根據(jù)扁平繞帶式壓力容器內(nèi)殼和繞帶層一起承壓的原理以及層間摩擦機理，認(rèn)為當(dāng)繞帶層隨內(nèi)筒一起膨脹時，繞帶層軸向有縮短的趨勢，這種縮短的趨勢將受到內(nèi)筒的阻礙;當(dāng)繞帶層隨內(nèi)筒軸向伸長時，繞帶層內(nèi)徑有縮小的趨勢，由于內(nèi)筒的阻礙，將引起附加的徑向應(yīng)力，這兩種相互影響、相互制約的作用，保證了繞帶層可與內(nèi)筒一起承壓，建立了利用帶寬方向有效正應(yīng)力和剪應(yīng)力的概念來描述層間摩擦力的模型。在此基礎(chǔ)上，分別給出了繞帶層全部屈服的極限承載壓力計算式以及錯繞式高壓容器的靜態(tài)爆破壓力計算式。實驗數(shù)據(jù)表明，該文提出的層間摩擦力模型是合理可行的。

2.2 動力學(xué)

對于動力學(xué)特性的研究，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，到目前為止有關(guān)動力學(xué)性能的研究結(jié)果相對較少，但也取得了一些結(jié)果。

田錦邦首先通過實驗研究比較了相同厚度及長度的扁平繞帶式壓力容器與整體式圓柱形容器的爆炸加載實驗［7］，觀察和分析不同鋼帶纏繞傾角和扁平繞帶式壓力容器的動力特性以及破壞方式，可知扁平繞帶式壓力容器能夠吸收較多的能量，具有較大的變形能力，其在爆炸沖擊載荷作用下具有良好的抗爆特性。作者同時分析“短”扁平繞帶式壓力容器受徑向脈沖內(nèi)壓作用的剛塑性動力響應(yīng)［8］，給出結(jié)構(gòu)在中載和高載作用下的變形模態(tài)，得到了它的極限壓力、響應(yīng)時間和殘余位移的表達(dá)式。通過算例與整體式壓力容器進行分析比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)繞帶式壓力容器受到較高載荷時，表現(xiàn)出優(yōu)良的動力學(xué)特性，具有很強的自我抑爆抗爆能力。實驗研究雖然揭示了一些現(xiàn)象和機理，但是由于實驗研究受到場地條件、測試手段以及經(jīng)費限制等原因，無法得到具有普遍性意義的結(jié)果。隨后他們通過對其內(nèi)部爆炸載荷作用下抗爆性能機理的動力學(xué)進行數(shù)值模擬，解決在理論分析和實驗研究中難以克服的問題，根據(jù)實驗用容器的幾何尺寸和材料參數(shù)建立有限元模型，應(yīng)用大型非線性動力分析有限元程序LSDYNA，模擬研究了扁平繞帶式壓力容器和整體式圓柱壓力容器在內(nèi)部爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)及其抗爆性能，得到了由實驗和理論分析無法得到的更加全面的信息［9］。

宋延澤對纏繞角度為20°的多層扁平繞帶式壓力容器在承受內(nèi)部中心爆炸沖擊載荷下的動力響應(yīng)進行了數(shù)值模擬分析［10］。作為比較，對相同尺寸的單層圓柱爆炸容器也做了響應(yīng)的模擬。計算結(jié)果表明中心爆炸加載下，多層扁平繞帶式壓力容器的最大變形和最大應(yīng)力都出現(xiàn)在爆心截面處，并由爆心截面向兩端逐漸降低，其變形大于相同尺寸單層圓柱爆炸容器在同一位置的變形;鋼帶帶長方向為拉應(yīng)變，帶寬方向為壓應(yīng)變。

丁伯民等人對扁平繞帶式爆破壓力試驗結(jié)果、屈服壓力、軸向強度、鋼帶受力、內(nèi)筒應(yīng)力狀態(tài)等做了較詳細(xì)說明［11］，由承力面積修正法，在內(nèi)壓作用下，得到內(nèi)筒的環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力;在鋼帶纏繞傾角和壁厚比較小時，內(nèi)筒的軸向應(yīng)力有可能大于環(huán)向應(yīng)力，應(yīng)同時校核環(huán)向和軸向強度;根據(jù)修正的拉美公式，得到了內(nèi)壓引起的帶層應(yīng)力。

2.3 容器失效機制

對于壓力容器的失效壓力、方式及其安全性也是科研人員和生產(chǎn)使用單位極為關(guān)注的問題之一。

錢季平采用Rackwitz－Skov方法結(jié)合實例對扁平繞帶式壓力容器在靜態(tài)內(nèi)壓下進行了可靠性分析［12］，指出鋼帶層具有良好的止裂功能:一方面內(nèi)殼裂紋不可能向外層擴展，另一方面可以阻止鋼帶本身缺陷的穿層擴展。在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的工作條件下，內(nèi)殼可能因受存在缺陷和環(huán)境因素的影響而發(fā)生破裂，一旦內(nèi)殼裂穿，繞帶層將擔(dān)負(fù)起報警、止裂和防爆的關(guān)鍵作用。

劉小寧基于信息熵中模糊性度量與隨機性度量相等，可實現(xiàn)模糊不確定性等效隨機不確定性的原理，把扁平繞帶式壓力容器的靜強度和載荷視為模糊變量，將模糊靜強度和模糊載荷等效為隨機靜強度和隨機載荷，討論了在最苛刻的壓力試驗條件下模糊靜強度的可靠性［13］。

吳元祥應(yīng)用可靠性設(shè)計方法，對壓力試驗時扁平繞帶式壓力容器初始靜強度的可靠度進行定量分析，得到不同試驗時的可靠度［14］。隨后應(yīng)用基于隨機模糊概率模型的可靠性設(shè)計理論與方法，從控制扁平繞帶式壓力容器靜強度在壓力試驗和正常操作時模糊可靠度范圍的角度，探索其試驗壓力系數(shù)和安全系數(shù)。結(jié)果表明:基于模糊可靠度分析的抗拉安全系數(shù)應(yīng)≮2.30;屈服安全系數(shù)應(yīng)≮1.45;扁平繞帶式壓力容器試驗壓力系數(shù)，在氣壓試驗時應(yīng)≮1.08，但≯1.18，液壓試驗時應(yīng)≮1.08，但≯1.33。從控制扁平式繞帶式壓力容器靜強度(屈服強度與爆破強度)在壓力試驗和正常操作時模糊可靠度范圍的角度，對其試驗壓力系數(shù)與安全系數(shù)的關(guān)系進行了定量的探索分析。

鄭津洋則認(rèn)為這種容器在靜態(tài)工作壓力下的失效方式有下列幾種:①內(nèi)殼發(fā)生環(huán)向或軸向破壞;②外部鋼帶斷裂;③內(nèi)殼與鋼帶繞層同時斷裂破壞以及端部斜面焊接破壞導(dǎo)致兩端拋飛，并認(rèn)為軸向破裂失效的危害性最大［15］。進一步分析指出:內(nèi)殼在靜態(tài)工作壓力下的最終失效方式將表現(xiàn)為“只漏不爆”，從而來得及采取措施，避免發(fā)生災(zāi)難性爆炸事故;鋼帶層在工作壓力下的最終失效方式有最外層鋼帶斷裂、內(nèi)部某根鋼帶斷裂和外層鋼帶因腐蝕或炸彈彈片飛擊切入等原因而全部斷裂等三種情況。

3 結(jié)語

(1)扁平繞帶式容器具有結(jié)構(gòu)合理、材質(zhì)可靠、制造簡便、只漏不爆、在線監(jiān)測方便和適合現(xiàn)場組裝等特點，能夠滿足大型化壓力容器的基本要求，對其進行力學(xué)行為分析研究，可保證扁平繞帶式高壓容器在抗爆使用中的安全可靠。

(2)由于對壓力容器使用條件越來越苛刻，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其動力學(xué)性能的分析目前也較少，所以仍是今后研究工作的一個重點。

(3)扁平繞帶式壓力容器的溫度使用限制，特別是溫度交變工況的使用等問題有待于進一步解決。

1 朱國輝，鄭津洋．新型繞帶式壓力容器［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1995．

2 施鋼．新一代鋼鐵材料扁平繞帶式壓力容器初探［J］．廈門理工學(xué)院學(xué)報，2006，14(1):1822．

3 鄭傳祥，朱國輝．扁平繞帶式壓力容器合理纏繞傾角的研究［J］．化工機械，1996，23(4):18－20．

4 劉小寧．扁平繞帶式壓力容器模糊靜強度的確定［J］．化工設(shè)計，2007，17(6):23－26．

5 劉小寧．扁平繞帶式容器靜強度的概率分布［J］．石油和化工設(shè)備，2008(1):9－11．

6 鄭津洋，朱國輝，黃載生．扁平繞帶容器預(yù)應(yīng)力的研究［J］．石油化工設(shè)備，1992，21(1):6－8．

7 田錦邦．扁平繞帶式壓力容器的抗爆特性實驗研究［J］．科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2008，18(9):110－111．

8 田錦邦，趙隆茂，鄭津洋．扁平繞帶式壓力容器的剛塑性動力響應(yīng)分析［J］．應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2005，22(3):426－430．

9 田錦邦．扁平繞帶式壓力容器在爆炸載荷作用下的動力特性研究［D］．博士學(xué)位論文，太原理工大學(xué)，2007．

10 宋延澤，李志強，趙隆茂．爆炸載荷下扁平繞帶式高壓容器動力響應(yīng)的數(shù)值模擬［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報，2006，37(2):242－245．

11 丁伯民，黃正林．化工設(shè)備設(shè)計全書—高壓容器［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

12 錢季平，蔣家羚，孫國有等．扁平繞帶容器可靠性初探［J］．機械強度，1990，12(3):7－12．

13 劉小寧，胡成龍，李清．基于信息熵的扁平繞帶式壓力容器可靠度［J］．石油機械，2008，36(5):23－25．

14 吳元祥，劉小寧．扁平繞帶式容器的可靠性研究［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報，2008，30(2):115－116．

15 鄭津洋．扁平繞帶式高壓容器的失效方式［J］．化工裝備技術(shù)，1993，14(5):19－22．

Introduce the structural characteristics，the basic characteristics and its development advantage of the flat steel ribbon wound pressure vessel．Discuss the present situation of research on its mechanical characteristics and prospect the application and development．

Research Development of Mechanical Characteristics for Flat Steel Ribbon Wound Pressure Vessel

He Zhiping
(PetroChina Liaohe Engineering Co.，Ltd.，Panjin 124010)

flat steel ribbon wound pressure vesselmechanical characteristicresearch development

*何志萍:經(jīng)濟師。2001年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院機械制造及自動化專業(yè)。主要從事儀表、電氣設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟研究及概預(yù)算工作。聯(lián)系電話:(0427)7820988，E－mail:sun9881@vip.sina.com。

(修改回稿2011－07－29)