高压容器设计及制作探析

【摘要】高压容器是一种可以广泛应用于化工、冶金、化肥、军事等领域的容器。20世纪50年代以来，压力容器出现了高参数、大变化、选用高强度材料等趋势，为了应对这种趋势，高压容器设计与制作技术的核心问题也产生了变化。高压器材对于选材、强度计算、制作、设计过程都等方面具有很高的要求，都必须严格执行有关规定，否则便会发生意外。本篇论文将主要介绍目前存在的主要问题，以及需要进一步研究的课题及方法。

【关键词】高压容器 问题及解决方法 设计

1 高压容器的概述

1.1 高压容器应用

高压容器在军事工业的应用包括；炮筒、恒动力装置。化学和石油化工方面包括：合成氨、合成尿素、合成甲醇、油类加醇等合成反应的高压反器、高压缓冲与储存容器。电力工业包括：核反应堆、水压机的蓄力器。

1.2 高压容器的材料

1.2.1 简体与封头具有特殊要求

（1）强度与韧性。通常采用低合金钢来提高材料强度、减少壁厚。

（2）制造工艺性能。可焊性、吸气性、抗热裂与冷裂倾向、抗晶体粗大率倾向等，具有很好的可煅性。

（3）除此之外，还应具有耐腐蚀性、耐高温性能

2 目前存在的问题及解决方法

（1）多层夹紧式高压容器的应用催生了许多新的课题的出现，目前需要我们进一步研究。问题包括：多层钢板包扎紧度技术、生产率低、每层钢板纵向焊接错位、生产工序多等等。只有这些问题得到解决，高压容器设计及制作技术才会更加趋于成熟。

（2）为了解决生产工序多、生产效率低等问题，通过在保证容器强度不受影响基础上，通过适当降低对层板间间隙和层板允许松动面积的标准达到提高生产效率的效果。

由于第一层层板纵建、环缝对接时对内筒造成热影响，可以采用第一层层板与内筒之间加盲层的方法来消除由于焊接对内筒的热影响。层板与锻件端部的连接处可以通过煅焊过渡层并预先热处理来解决焊后需要热处理的问题。这种方法安全可靠，在深环焊缝多层包扎结构中已经被普遍采用。

（3）为了承受较高的压力、温度、介质的腐蚀，高压容器的操作条件比较苛刻，对设计时的材料选择、结构合理性等的要求也相对较高。但目前国内常规设计的设计者充分依赖电算，忽视必要的计算过程，将带来一系列错误和安全隐患

（4）高压容器螺栓设计尺寸误差。无螺纹的直径尺寸小于螺纹部分的根径尺寸是高压螺栓的机构特点。计算程序里给出的直径尺寸大于实际高压螺栓的无螺纹部分直径。因为这个原因，造成了计算机书中的螺栓实际面积大于所需螺栓面积的假象。所以，实际的螺栓面积不一定合格是经常产生的一种情况。为了解决这个问题，设计人员应人为输入、更改程序中的原有尺寸，不能完全依赖机器。

（5）非标准法兰设计

在实际生活中经常会遇到设备直径或设计压力超过标准的法兰。在实际制作、安装时无法满足要求，法兰容易产生微变形，损坏法兰的密封性能。所以需要设计法兰的结构尺寸，并注意以下问题：

①参照国家标准确定的法兰尺寸，保证扳手操作空间，从而保证上紧螺栓。

②考虑法兰腐蚀欲量，法兰内径输入值应为实际内径2倍。

③法兰小端厚度应与法兰连接的简体、封头厚2、3mm。

（6）压力容器设计使用寿命

压力容器使用寿命是投入运行后定期检查、安全等级评定的重要依据，影响压力容器寿命的原因很多，一般需要考虑腐蚀裕量、疲劳、蠕变等综合因素，与设备运行管理密切相关。这一问题虽然比较难解决，但设计者必须本着为用户负责，为人民的生命安全考虑，必须竭力提高文件质量，解决这一问题。

（7）小直径压力容器B类焊缝无损检测比例及长度

小直径压力容器的制造过程中，其B类焊缝的检查为了节省成本，一些压力容器制造商不顾标准和图纸的要求，改变焊缝的检测长度，以《容规》没有这一规定为借口，国家有关部门严格规定，在《容规》与GB150发生冲突时按照较严格的标准执行。

3 机构设计及设计选型

3.1 整体锻造型

锻造容器质量好，和与焊接性能较差的高强钢制作的超高压容器，由于锻造条件的限制，一般直径均小于12米。

3.2 单层式

单层厚壁高压容器的形式包括以下几种：单层卷焊式：具有周期短、效率高的优点；单层瓦片式：生产效率差、费工费时；无缝钢管式：生产效率高、生产周期短；但是，以上三种形式都有其制约因素：厚材料来源（2）大型机械条件（3）纵向和环向深厚焊缝中缺陷监测

3.3 多层式

（1）层板包扎式，具有如下特点：只需薄板，原材料供应方便；

只需卷板机和包扎机；只需简体应力分布；叫单层安全等特点。但是同时具有生产效率低、层板效率利用率低、层板间间隙较难控制等缺点。

（2）多层式，包括热套式和绕板式两种。热套式的特点有生产效率高、层数少、焊缝质量容易保证。绕板式效率高、材料利用率高、机械化程度高。

3.4 绕带式

对原材料要求一般，材料利用率高，缠绕机简单，制造方便，成本低。

4 设计选型原则

设计选型时需要综合原材料来源，必须将配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设备条件和工夹具条件，同时特殊材料的焊接能力、特处理条件等条件做充分全面的考虑之后，才能够做到选型正确，只有遵循这样的选型原则才能对选型有正确的把握。

5 密封结构

高压密封的结构形式：伍德密封、双锥密封、卡扎里密封、平垫密封、c型密封、空心金属o型密封、高压管道密封等形式

6 设计步骤

6.1 确定容器类别

根据工作压力的大小、介质的危害性和容器破坏时的危害性

6.2 确定压力设计

设计压力一般取最高工作压力（1.4MPa）的1.05至1.10倍，具体取值取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。介质无害可取下限。

6.3 确定设计温度

不仅要考虑用户提供的工作温度，还要考虑容器环境温度。

6.4 确定几何容积

按结构设计完成后的实际容积填写

6.5 确定腐蚀裕量

应先选定受压元件的材质，再确定腐蚀裕量。《容规》规定了一些常见介质的腐蚀裕量。6.6 确定焊缝系数

7 结语

设计和制作高压容器要考虑工艺性和经济性为了设计出更加安全、合理、可靠的产品，高压容器设计必须符合国家标准，正确对待将要输入的数据，判断结构是否合理，掌握熟练的技术规范，从而设计出符合实际需要的产品。

参考文献

[1] 夏锋社，朱哲，淡勇.高压容器筒体结构的最优化设计[J].西安石油大学学报（自然科学版），2010，（01）

[2] 陈誉欣.大型高压容器的结构优化及发展趋势[J].中国高新技术企业，2009，（13）