高压容器筒体结构的类型与特点

摘 要：最大限度地承受内压作用和实现安全可靠的密封是化工压力容器的两个最基本的功能。常用的化工压力容器绝大多数为圆筒形容器，其主要结构型式有：单层厚壁筒体、多层厚壁筒体、绕丝式筒体、剖分块式筒体和层间充压式筒体等。本文重点介绍了单层厚壁筒体和多层厚壁筒体的结构类型与特点。

关键词：预应力 钢丝缠绕结构 化工压力容器

一、高压容器筒体的结构要求

最大限度地承受内压作用和实现安全可靠的密封是化工压力容器的两个最基本的功能。压力容器是由构成容器的壁厚来承力的，其环向应力大于轴向应力，约为轴向应力的2倍，而内壁的应力值为最大。由于用途及工作条件等的不同，对化工压力容器也提出了不同的要求。为了改善容器器壁的应力分布，提高容器的承载能力，保证容器使用的安全性，降低制造成本等目的，在充分保证超高压容器安全运行的前提下，研制了多种型式的筒体结构。各种简体结构型式的出现，都是围绕着如何简便、经济地获得足够的壁厚，合理解决轴向承载能力，降低筒体内壁面的应力水平这一关键问题进行的，这大大促进了化工压力容器的发展，它们都在不同程度、不同方面解决了一些问题，这些不同结构型式的出现，决定了容器受力状态、制造难易程度的不同。化工压力容器因制造方法和使用环境的不同，目前是多种结构并存的局面。常用的化工压力容器绝大多数为圆筒形容器，其主要结构型式有：单层厚壁筒体、多层厚壁筒体、绕丝式筒体、剖分块式筒体和层间充压式筒体等。

二、高压容器筒体的结构类型

1.单层厚壁简体结构及其特点

单层整体锻造是厚壁容器中最为常见，也是最早采用的一种结构型式，在国内外应用最为广泛。常用的制造方法是：首先在钢坯中穿孔，加热后在孔心穿一心轴，然后在水压机上锻造成所需尺寸的圆筒体，最后再进行机械加工。单层厚壁容器的应用虽然很多，但它的使用范围却有很大的局限性。具体表现为如下几个方面

1.1容器受力不均匀，缺乏防爆措施，不具备自保护能力，安全性能不足：这是因为厚壁圆筒在内压力的作用下，圆筒内壁所产生的应力很大。除了轴向应力以外，应力的分布沿着整个器壁的厚度方向是极不均匀的，内壁应力很大，外壁(应该说离开内壁稍远的位置)应力就降低很快，应力变得很低。所以在较高压力作用下，圆筒内壁受有很高的应力，以至有可能发生屈服或者塑性流动，而外壁应力仍然很低。厚壁圆筒在非弹性范围内工作，会使容器的寿命大大受到影响。其次，在高应力内壁部位，很容易出现应力腐蚀和疲劳破坏的可能，容易形成裂纹源，对于单层厚壁圆筒而言，一旦形成裂纹，在高应力的作用下，裂纹会不断扩展，无法在层壁内抑制，直至穿透筒体壁厚，导致失效破坏。因此单层厚壁容器除了依靠材料本身的抗断裂性能外，没有其它可靠的保护措施，存在潜在的危险。

1.2材料方面：为了保证简体在弹性范围内工作，需用高强度的材料来制造筒体，但是材料随着强度的提高，其塑性、韧性就下降，有脆性断裂的危险，反而显得不安全，而且若整个筒体都用高强度钢制造就很不经济。为了提高单层厚壁容器的承载能力，可用增加筒体壁厚的办法，但仅在一定的范围内(筒体的外径与内径之比K在3以内)是可取的。如果无限增加筒体壁厚，则往往无济于事。比较合理而有效的办法是采用整体锻造自增强简体，使器壁产生预应力，利用结构本身的预应力去抵消一部分工作应力，以提高弹性工作范围。自增强技术就是使厚壁圆筒产生预应力的方法之一，即先在圆筒内壁施加一个内压，使内壁发生屈服，屈服层材料产生径向扩大的残余变形，然后卸除压力。由于外层材料的弹性收缩，从而使已经塑性变形的屈服层材料在弹性恢复后受到外层的弹性压缩而产生压缩应力，外层材料产生拉伸应力，这样会改善壁中应力分布状态，在一定程度上增加了安全性，提高了使用寿命。

2.多层厚壁筒体结构及其特点

在内压作用下，单层厚壁简体沿壁厚方向的应力分布很不均匀，简体内壁面应力值远远大于外壁面应力值，且随着简体外直径与内直径之比的增大，这种不均匀性更为突出。提高厚壁筒体承载能力的另一个方法是预应力法，即在内壁面上产生预压缩应力，抵消一部分工作应力，以达到应力沿壁厚均布的目的。使厚壁简体产生预应力的方法是采用缩套结构。即用二个或二个以上的同心圆筒，加热外层，套入内层后冷却或深冷内层把外层套入内层，使之紧缩在一起，使内筒产生压缩预应力，达到加强的目的。在化工压力容器的设计时，不但希望筒体缩套后产生的预应力去抵消一部分工作应力，从而实现筒体壁中应力均匀分布，而且更希望在设计允许的情况下，尽量加大其预应力，并要求在整个筒体上能均布的存在。为达此目的，在双层容器缩套之前，必须对套合面进行精确的机械加工，并精心地控制套合工艺，以确保理论的套合应力。经机械加工后再作缩套有下列优点：

2.1保证筒体的几何形状比较精确；

2.2保证设计的过盈量；

2.3筒体贴合比较紧密，有利于改善传热，降低筒壁温差；

2.4使筒壁的应力分布比较均匀，保证容器的强度；

2.5有效消除以前各道工序造成的误差及缺陷。

参考文献

[1]郑津洋、陈志平特殊压力容器北京：化学工业出版社1997

[2]刑慧明、黄兴仁陈卫东化工设备优化设计广朋：华南理工大学出版社1995