王 林

（廣州廣重企業(yè)集團有限公司，廣東廣州 511400）

0 引言

隨著科技的進步，高壓容器在工業(yè)中的應用越來越廣，在國防軍工業(yè)中，主要用于炮筒、核動力裝置，在石油化工領域的高壓容器，主要用于合成氨、合成甲醇、合成尿素、油類加氫等合成反應的高壓反應器、高壓緩沖與貯存容器，而在電力工業(yè)方面的核反應堆、水壓機的蓄力器等都有需要用到高壓容器的場合。

高壓容器是指承受壓力范圍在10～100 MPa內(nèi)的壓力容器，主要分為整體鍛造式、單層式（包括單層卷焊、單層瓦片和無縫鋼管式）、多層式（包括層板包扎式、套合式和鋼帶纏繞式）[1]。本文主要介紹單層高壓容器的設計及制造過程中，需要注意的要點。

1 選材需要注意的幾個問題

高壓容器用鋼常隨高壓容器的主要參數(shù)如內(nèi)徑、壓力、溫度和介質(zhì)及制造條件，備料情況等等差異而選用不同的鋼種。常用的金屬材料有：碳鋼、低合金高強度鋼、低溫鋼、耐熱鋼及耐腐蝕介質(zhì)的不銹鋼等等。在選材時需要注意要點如下。

（1）奧氏體不銹鋼，設備處于高溫高壓并且有耐腐蝕要求的操作工況時，通常會選用不銹鋼作為容器的主體材料，最常用的就是奧氏體鋼，奧氏體鋼使用溫度高于525℃時，必須保證鋼中的含碳量不小于0.04%[2]。這是因為奧氏體鋼在使用溫度500℃～550℃時，若含碳量太低，強度及抗氧化性會顯著下降，使用溫度超過450℃時，奧氏體不銹鋼的許用應力大大下降，所以國內(nèi)外對于常用的304、316型材料，在高溫工況下要求用H級（即S30409和S31609），含碳量要較高，主要也是考慮到耐熱及有熱強性。

（2）鍛件材料，高壓容器所選用的材料對質(zhì)量的要求尤其嚴格，特別是在小直徑高壓容器的筒體選材時，由于卷板設備能力的限制，只能選用鍛件材料作為設備的主體材料，要求采用IV級鍛件，逐件要求進行拉伸和沖擊力學性能檢測，以及逐漸超聲波無損檢測，以確保材料質(zhì)量。作為III類容器的IV級鍛件，在材料采購時，不僅要求供貨商提供完整的材質(zhì)證書，還須在鍛件進廠后對性能、化學成本以及超聲波檢測等項目復驗[3]。

（3）碳鋼和低合金鋼，當鋼板厚度大于等于12 mm時，要求按NB/T47013《承壓設備無損檢測》要求逐張進行超聲波檢測，質(zhì)量等級不低于II級。

（4）常用鋼板材料的交貨狀態(tài)，由于高壓容器所用鋼板的厚度較厚，對于常用的Q245R及Q345R鋼板，對于厚度低于36 mm的鋼板，由于我國鋼板制造單位裝備能力和人員近年來都有了較大的提升，鋼板內(nèi)在質(zhì)量有了較大的提高，熱軋和控扎交貨的鋼板內(nèi)在質(zhì)量也達到了很高的水平，但是用于殼體的厚度大于36 mm時還難以保證質(zhì)量，應在正火狀態(tài)下使用。因為正火狀態(tài)的鋼板的金相組織和性能以及性能的穩(wěn)定性都比熱軋和控扎狀態(tài)的鋼板要好，在選材時需要重視。

2 設計需要注意的幾個問題

高壓容器設計時，容易被忽視的問題闡述如下。

2.1 容器筒體的計算厚度

Pc≤0.4[σ]t是對計算壓力Pc進行限制，也相當于是對筒體外徑與內(nèi)件的比值K=Do/Di的限定，將K代入后以中徑公式標識在內(nèi)壓Pc作用下的環(huán)向應力公式為：Pc≤0.4[σ]tφ的限制條件相當于等同于K≤1.5。

薄壁容器設計計算的理論基礎來源于薄殼無力矩理論，該理論假設壁厚相對直徑足夠小，也就是K值足夠小，應力沿著壁厚均勻分布。

而由彈性力學推導得出的拉美公式及厚壁筒體的應力分析可知（見厚壁圓筒的彈性應力表一及厚壁筒體應力分布圖）：厚壁筒中存在三個方向的應力，其中只有軸向應力是沿厚度均勻分布的，環(huán)向應力和徑向應力均是非均勻分布的，筒壁三向應力中，以環(huán)向應力最大，內(nèi)壁處達到最大值，外壁處為最小值。應力沿著壁厚分布的不均勻程度隨著K值增大而增大。當K=1.5時，由薄壁內(nèi)徑公式按均勻分布假設計算的環(huán)向應力值比拉美公式計算的圓筒內(nèi)壁處的最大環(huán)向應力要偏低23%，存在較大的計算誤差。由于薄壁內(nèi)徑公式相對于拉美公式計算更加方便，更適于工程應用。為此增大計算內(nèi)徑，K值控制在1.5時，采用薄膜中徑公式計算得到的應力值相對于拉美公式環(huán)向應力值相差僅為3.8%，在工程設計的運行誤差范圍內(nèi)[4]。

因此，在高壓容器設計計算時，尤其要注意計算壓力Pc的限定條件。

表1 厚壁圓筒的彈性應力

圖1 厚壁圓筒應力分布圖

2.2 結構設計

壓力容器的結構設計應與計算并重，也直接影響到制造的質(zhì)量。特別是高壓容器結構設計時，在可能的條件下應盡量選用易于制造、易于檢測的結構。

2.2.1 大口徑接管結構設計

高壓容器大口徑接管結構設計時，宜采用整體補強的嵌入式結構，它不僅方便施焊改善受力狀況，且可以進行射線或超聲波檢測，更容易保證焊接接頭的質(zhì)量[5]。

采用嵌入式結構設計時，由于筒體壁厚較厚，目前通常將該處對接坡口設計為對稱U形坡口（詳見圖2），由于整體接管鍛件與筒體連接端的形狀為馬鞍形，對接處接管鍛件坡口加工難度極大，不能用車床直接加工，只能用鏜床進行加工，機加工成本昂貴。為了減少接管鍛件坡口的機加工難度，將該處焊接接頭的結構設計為K形結構，只需用車床加工鍛件齊平即可，既可以保證該處的焊接接頭質(zhì)量，又減少機加工成本，如圖3所示。

圖2 嵌入式U形坡口圖

圖3 嵌入式K形坡口圖

2.2.2 密封結構設計

高壓容器的密封結構的設計，直接關乎整個設備運行安全的重要環(huán)節(jié)。高壓容器的密封結構主要有三種：強制式密封、自緊式密封和半緊式密封[6]，常用密封結構適用范圍見表2。

表2 適用范圍

一般來說，流體在墊片處的泄漏以兩種形式出現(xiàn)，即所謂“滲透泄漏”和“界面泄漏”，滲透泄漏與設備溫度、介質(zhì)及墊片材料有關，而界面泄漏是流體從墊片與法蘭接觸面泄漏，主要與界面間隙尺寸有關。

高壓容器采用強制性密封時尤其要預防界面泄漏，這是因為強制式密封是由外部螺栓力來壓緊法蘭密封面間的密封墊片實現(xiàn)密封的。在設計時，要嚴格要求法蘭及金屬墊片的密封面機加工粗糙度Ra為0.8～3.2 μm，以及在技術要求中提出，密封墊片的硬度必須低于法蘭密封面的硬度。這樣才可以保證當法蘭螺栓擰緊時，螺栓力通過法蘭環(huán)將墊片壓緊，迫使墊片產(chǎn)生壓縮變形，將法蘭密封面上的極其微小的凹凸不平面，借助墊片變形填滿，阻止界面泄漏。當設備充壓后，螺栓受拉伸長，密封墊片受到的壓縮量減少回彈，使法蘭依然保持良好的密封。

3 制造

3.1 受壓元件成形減薄

鋼板在不同的厚度范圍，許用應力值不同，板材越厚，許用應力值越低，當在設計計算給出名義厚度接近鋼板厚度界限時，一定要格外慎重。

比如板材為Q345R材料時，許用應力見表3。

表3 Q345R鋼板許用應力

由表3可見，在同樣的溫度工況下，當板材厚度接近厚度界限時，許用應力存在跳檔的情況。在實際生產(chǎn)過程中，特別是封頭壓制成形時必然存在局部減薄的情況，不同制造單位確定的加工裕量可能不同，封頭投料厚度也隨之不同。因材料許用應力隨厚度增加是逐漸降低的，當制造單位考慮加工余量致投料的鋼材厚度增大并跳檔時，許用應力降低，“設計圖樣標注的最小成形厚度”將增大。此時，應重新計算最小成形厚度，防止出現(xiàn)增加投料的鋼材厚度反而造成受壓元件強度不足的情況。

3.2 材料代用

制造過程中經(jīng)常會因為交貨期緊及缺庫存等材料采購困難問題，存在受壓元件材料代用情況。在厚板代用薄板的情況下，必須查看材料許用應力表，材料的許用應力是否因為板厚變化而存在跳檔的問題，如發(fā)現(xiàn)代用后的許用應力值減低，要根據(jù)代用材料的壁厚，選取相應較低值的許用應力，重新核算受壓元件的計算厚度。

3.3 凸形封頭成形母材試板

高壓容器由于封頭板材較厚，標準規(guī)定超過厚度界限的板材，對使用狀態(tài)有一定的要求，如Q345R要求正火狀態(tài)、13MnNiMoR要求正火+回火狀態(tài)等。厚壁封頭通常進行熱壓成形，在熱成形過程中，加熱溫度很高，難免會破壞原材料的熱處理供貨狀態(tài)。若熱成形破壞了原材料的交貨狀態(tài)，必須要進行相應的熱處理恢復原材料狀態(tài)，并附帶與原材料同批次的母材試板，與封頭熱成形及成形后恢復原材料狀態(tài)的熱處理同爐進行熱處理，封頭完工后將母材試板送檢力學性能，驗證封頭力學性能能夠符合設計要求[7]。

4 結論

壓力容器的設計及制造全過程涉及多個技術領域，包括材料、力學、冷熱加工成形、焊接、熱處理、無損檢測等。高壓容器的操作工況尤其苛刻，結構型式更加復雜多樣，其設計或者制造階段的細微失誤，都將導致難以預料的事故，因此在設計階段，更要全面分析高壓容器可能出現(xiàn)的失效模式，更有針對性地進行設計，在保證高壓容器的本質(zhì)安全的基礎上，全面考慮選材及結構上的經(jīng)濟性，對下料成型、焊接、無損檢測等制造階段關鍵環(huán)節(jié)，提出合理的技術要求，才能確保設備質(zhì)量及建造的經(jīng)濟性。