压力容器结构大型化的发展趋势

【摘要】在石油，化工，重型机械，轻工等行业中，压力容器已被广泛使用，并已成为这些部门的关键设备。随着经济的增长和科技的进步，企业提高生产量，降低成本，并不断扩大工业生产规模成为国家十分关注的问题。本文通过对现有的一些压力容器结构大型化的分析并说明了压力结构大型化的发展趋势。

【关键词】压力容器大型化发展趋势

中图分类号：O6-335 文献标识码：A 文章编号：

压力容器结构大型化,能够增大设备的生产能力,这已成为一种发展趋势。大型化可节约投资和费用,布局紧凑,占地面积少,减少人力物力,提高劳动生产率和经济效益。而我国发展大型压力容器的技术还不够成熟，因此对于我国压力容器的大型化发展势在必行。

一、压力容器大型化发展趋势与基本要求

压力容器是工业生产过程中的关键设备。随着生产规模的日益扩大,包括压力容器在内的生产装置日趋大型化。图1反映了2006~2012年我国压力容器行业产量的增速趋势。

图12006~2012年我国压力容器行业产量增速趋势

压力容器的大型化技术在我国意义重大。我国目前压力容器在工业生产装置远没有达到经济发展的需求。从上图可以看出我国压力容器自2009年后发增速逐年降低，2011年有所回暖，但是下一年又降低，鉴于压力容器的优点和使用的特点，我国应加快压力容器的使用步伐。以石化行业为例,国外乙烯装置已超过100万t/a。而在国外已被淘汰的14万t/a及以下装置在我国仍占总生产能力的40%。因此,扩大生产规模,实现压力容器大型化在我国是必然的发展趋势。大型化压力容器由于其结构尺寸大,设计参数高,一旦发生失效,其损失及危害性均比一般中小型压力容器要严重得多。因此对其使用、制造、检测及组装等均提出了更新更高的要求。压力容器应分布均匀，结构具有自保护能力、制造简便、检测验收方便及能够实施现场组装等，这是大型压力容器的基本要求,而这在很大程度上取决于容器的结构型式。容器结构型式不同,则受力状态与制造难易不同,亦决定了检测验收与现场组装的可能与否,从而决定了大型化的经济合理性与安全可靠性。因此,大型压力容器的核心问题是容器的结构型式。

二、压力容器结构大型化的分析

1、压力容器结构大型化的条件

压力容器结构大型化的首要条件是安全性,其次还必须具备以下基本条件:

(l)应力分布均匀:在保证大型压力容器轴向和环向强度条件下,应最大限度地发挥容器材料的承载能力,防止内壁裂纹的产生与扩展。

(2)具有自保护能力,检测验收方便:可缓解甚至可避免灾难性事故的发生。

(3)制造简便、可现场组装:大型压力容器制造工作量大、难度高、条件苛刻,在保证压力容器强度的前提下,合理选择制造工艺,力求简便经济。大型压力容器运输及吊装困难,采用现场组装既不受运输条件的限制,又可降低对大型工艺设备的要求,并可缩短生产周期,从而有利于提前试车及投产。

2、压力容器结构大型化的可能性

为了改善容器的不均匀受力,提高容器的承载能力、制造质量,保证容器的安全可靠性,降低容器的制造成本等,出现了各种型式的压力容器,主要有单层式和组合式两种,单层式结构包括整体锻造式、单层卷焊式、锻焊式等;组合式结构包括多层包扎式、多层热套式、多层螺旋包扎式、绕板式等多层式结构和倾角绕板式、型槽绕带式和扁平绕带式等缠绕式结构。各种结构型式的出现始终围绕着安全性和制造经济性两方面进行,大大地促进了压力容器的发展。

（1）单层式结构的大型化分析

单层结构的大型压力容器内外壁受力不均匀,容器承载能力和容量均受到限制,容器的深厚环焊缝易存在裂纹、夹渣、未焊透等缺陷。单层结构容器多为锻造式结构,制造时需要大型的水压机、电渣重熔炉、钢包精炼炉、加热炉和热处理等设备。厚板卷焊结构需要大型的卷板机及热处理炉等设备,单层容器焊接及热处理困难,厚钢板炼制和焊接质量难以得到保证,成为焊接剥离裂纹的原因,因此单层容器制造成本高。单层结构所用的锻件材料成品与毛坯重量相差很大,对于使用铬钥钢等贵重材料的大型容器,将造成很大的材料浪费、厚钢板的脆性转变温度高,容器脆性破坏的趋向大,因此单层结构压力容器的大型化受到限制。

（2）组合式结构的大型化分析

多层包扎式、多层热套式和多层螺旋包扎式等多层容器,筒体上仍有厚环焊缝,存在轴向断裂的危险。绕板式容器虽消除了厚环焊缝,但钢板太宽不宜绕紧,层间易产生间隙,尤其端部缠绕太困难,缠绕装置庞大。型槽绕带式容器的内筒在承受轴向、环向应力时又承受附加的缠绕力矩,有型槽脱机突然断裂的危险,制造时需大型机床,材料供应不便。而扁平绕带式压力容器为多层网络结构型式,具有多层容器的优点,偶数层钢带倾角错绕,力矩可相互抵消,可通过改变钢带上的预应力控制内筒上的应力状态,合理地解决了压力容器环向、轴向强度优化的问题。此结构设计合理,隐藏在内筒和钢带层的各种缺陷在容器整个长度上因分层而被自然分散并趋近于零。我国存在大量的机械性能好、成本低的扁平钢带原材料，故容器越大型化,经济效益越明显,与厚板卷焊技术相比,扁平绕带式压力容器可使生产效率提高1倍,制造成本降低30%一50%,机械加工、焊接、无损检测和热处理量约少80%,节约钢材20%,节省电能80%。

（3）大型绕带容器大型化分析

①材质可靠。大型化绕带容器的内筒是承受内压的关键部位,由于使用中厚板或者几层薄板制作,材质均匀、质量好。容器壁厚的主体部分采用截面窄薄的钢带,缺陷少,金属纤维性能优良,断裂韧度高。因此,在整个壁厚上的材质和强度都是均匀的。

②层间摩擦力作用加强了容器的轴向强度,容器实际上的轴向应力水平并不高。即使在目前不考虑摩擦效应的设计中,轴向强度仍高于环向强度,所以此类容器的轴向更不可能突然发生断裂破坏现象。

③多层网络结构的自保护特性。大型绕带式容器的钢带层数和根数更多,且各层交错缠绕,又没有不平衡的型槽扣合结构,因而不可能发生容器整体断裂破坏。同时,多层离散结构有利于裂纹等缺陷的分散,大大降低了失效概率。即使有裂纹,层间及带间的不连续也会使裂纹只影响所在的内筒或钢带,避免了裂纹贯穿带来的整体失效。这就是绕带容器特殊的止裂抑爆性能。

④钢带层。对于大型绕带容器,仍可选用截面尺寸为80 mm×8 mm的扁平钢带,亦可选用宽度为120 mm的钢带,以25°左右倾角绕制。由于钢带窄,缠绕倾角较大,因此钢带端部切割简单,钢带与封头端部采用斜面焊接,不仅施焊容易而且质量可靠。另外,对于大型容器,钢带的缠绕曲率减小,缠绕更加容易,贴合质量更好。绕带层占容器壁厚的大部分,实行连续缠绕,减少了大量焊接、探伤和热处理工作量,尤其避免了深厚环焊缝和整体处理,能耗减少80%左右。容器直径越大,长度越长,采用绕带技术的优越性越显著。当然,容器大型化要求绕带机床功率亦相应增大。

⑤现场组装。绕带容器的内筒和封头的运输十分方便,可以在现场将内筒组焊检验。绕带机床由于结构简单,方便拆装,因此运输不会有太大困难。此外,还可以采用分段绕带与错开环缝联接,仅在现场实施组焊。由此看来,和现有其他的大型化所遇到的特殊困难技术，如锻造与深厚环缝技术相比,大型扁平绕带式容器在制造上的发展优势是显而易见的。

三、结语

综上所述,大型压力容器既要考虑其安全性,又要考虑其经济性。根据压力容器结构大型化的条件,只有两者兼优的结构才是大型压力容器的结构。实践证明:扁平绕带结构能够很好地满足压力容器结构大型化条件,并将成为压力容器结构大型化的发展趋势。

【参考文献】:

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