石玉春（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)所，山東 東營(yíng) 257026）

淺談高壓容器設(shè)計(jì)

石玉春（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)所，山東 東營(yíng) 257026）

以設(shè)計(jì)的一臺(tái)高壓容器為例，對(duì)高壓容器設(shè)計(jì)過(guò)程中的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及對(duì)制造檢驗(yàn)要求進(jìn)行闡述。

高壓容器；設(shè)計(jì)；材料；結(jié)構(gòu)；技術(shù)要求

當(dāng)今，在石油石化行業(yè)飛速發(fā)展的迅猛階段，高壓容器設(shè)備在行業(yè)中所占的地位越來(lái)越重要，高壓容器被廣泛應(yīng)用于石油石化站場(chǎng)、工藝裝置等的各個(gè)領(lǐng)域。它們不但要承受高壓，而且還要受苛刻的工作溫度影響。與此同時(shí)，許多高壓設(shè)備容器還被廣泛用于盛裝易燃、易爆以及強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)中。這些苛刻的介質(zhì)工況對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)是一種挑戰(zhàn)，他們必須充分從介質(zhì)工況出發(fā)，對(duì)材料、制造工藝、試驗(yàn)、檢驗(yàn)等各個(gè)方面進(jìn)行全方位的分析和比較，從設(shè)計(jì)安全和使用壽命等角度考慮設(shè)計(jì)出一個(gè)操作安全、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的設(shè)備。高壓容器的設(shè)計(jì)，一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)問(wèn)題：正確的材料的選擇、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造和檢驗(yàn)中需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)要求。

1 工程實(shí)例

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

以某項(xiàng)目中Pw9.0MPa，φ2000H=8100的重力分離器為例，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 正確的材料選擇

高壓容器的材料應(yīng)綜合多方面的因素，從以下幾點(diǎn)做出考慮：

(1)所選材料應(yīng)具有良好的機(jī)械性能，諸如塑韌性好，強(qiáng)度高，能夠具備良好的制造加工工藝性能。

(2)所選材料應(yīng)具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，諸如材料能夠承受高的耐介質(zhì)腐蝕的性能，除了不直接影響其使用壽命外，同時(shí)也不影響設(shè)備質(zhì)量。

(3)除此之外，所選材料還應(yīng)考慮節(jié)約材料成本和易于采購(gòu)，以便降低總的設(shè)備投資，保證良好的材料的來(lái)源及供應(yīng)。

一般壓力容器設(shè)計(jì)中，所選用的材料有Q345R鋼板和16Mn鍛件，二者都屬于低合金鋼，具有良好的綜合力學(xué)和工藝性能，材料來(lái)源廣，價(jià)格適中，被廣泛用于石油、石化等行業(yè)。

35CrMo和30CrMo屬于優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞強(qiáng)度，高溫下具有高的持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機(jī)器的重要零件。

經(jīng)過(guò)初步計(jì)算及綜合考慮比較，這臺(tái)重力分離器殼體主體材料選用Q345R(正火)，接管法蘭材質(zhì)為16MnⅢ，承壓螺柱材料為35CrMo，螺母材料為30CrMo。

1.3 合理的結(jié)構(gòu)要求

1.3.1 整體結(jié)構(gòu)

高壓容器的設(shè)計(jì)中既要考慮到生產(chǎn)的發(fā)展能制造出大壁厚的容器，又要設(shè)法盡力減小壁厚以便制造。

應(yīng)從強(qiáng)度和密封這兩方面綜合高壓容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？煽康膹?qiáng)度和嚴(yán)密的密封是結(jié)構(gòu)合理性的保障。在設(shè)計(jì)高壓容器時(shí)，在容積一定的情況下，通過(guò)采用較大的高徑比來(lái)滿(mǎn)足要求。

這臺(tái)重力分離器容積為21.1m3，設(shè)備內(nèi)直徑2000mm，筒體長(zhǎng)6000mm，經(jīng)計(jì)算筒體壁厚是58mm，在材料容易加工制造的范圍內(nèi)，故結(jié)構(gòu)比較合適。

1.3.2 筒體和封頭結(jié)構(gòu)

高壓容器設(shè)計(jì)一般采用“SW6”設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般的高壓容器，其筒體和封頭都比較厚重，因而先設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了很多筒體結(jié)構(gòu)形式。一般而言，按照筒體的組成結(jié)構(gòu)分類(lèi)可以把高壓容器分為單層式和組合式兩類(lèi)。

設(shè)計(jì)人在選擇筒體結(jié)構(gòu)時(shí)，既要從容器安全性出發(fā)，又要從它的經(jīng)濟(jì)適用性考慮。一般筒體使用的安全性與制造材料的可靠性、制造加工工藝的成熟性、焊接方案和技術(shù)、熱處理方法、試驗(yàn)檢驗(yàn)等的因素和筒體的破壞特性相關(guān)聯(lián)，然而筒體本身結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性更和容器制造方法、材料利用率、容器生產(chǎn)效率、鋼板原料的供應(yīng)等有關(guān)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮這以上因素，這臺(tái)重力分離器筒體采用整體鍛造結(jié)構(gòu)。對(duì)于封頭的結(jié)構(gòu)而言，雖說(shuō)半球形封頭和橢圓形封頭相比較，在同等的設(shè)計(jì)工況和條件下，所需要的壁厚較薄，但該重力分離器具有有保溫，從封頭和裙座連接處好做保溫考慮，選用橢圓形結(jié)構(gòu)的封頭。

1.3.3 密封形式

優(yōu)良的密封結(jié)構(gòu)是保證高壓容器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不發(fā)生任何安全事故的可靠保障。

為了保證設(shè)備在工作中不泄露，安全有效的運(yùn)行，必須保證密封的嚴(yán)密性。這臺(tái)重力分離器筒體和封頭是焊接而成，只有人孔處考慮墊片密封，根據(jù)工況墊片選用金屬纏繞墊。

2 制造、檢驗(yàn)需執(zhí)行的技術(shù)要求

2.1 材料的要求

(1)受壓元件所用鋼板的化學(xué)成分，力學(xué)性能需符合GB/T713-2014《鍋爐和壓力容器鋼板》的規(guī)定和要求，鍛件需符合NB/T47008-2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和低合金鋼鍛件》的規(guī)定和要求。鋼板和鍛件應(yīng)正火狀態(tài)供貨，接管鍛件還有符合III級(jí)要求。

(2)受壓元件用鋼板按照標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)，方法按NB/T47013.2-2015的中的具體要求規(guī)定執(zhí)行，合格等級(jí)不低于II級(jí)。

2.2 焊接要求

(1)焊接采用焊條電弧焊，具體實(shí)施中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接規(guī)程[3]的要求。

(2)所有受壓元件焊接接頭采用全截面焊透型式，焊縫表面不得存在咬邊，所有內(nèi)伸接管斷面應(yīng)打磨圓角。

2.3 無(wú)損檢測(cè)要求

(1)容器中的A、B類(lèi)焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線(xiàn)檢測(cè)，符合文獻(xiàn)[4]II級(jí)合格。

(2)容器中的B類(lèi)焊接接頭應(yīng)進(jìn)行20%超聲檢測(cè)復(fù)驗(yàn)，符合文獻(xiàn)[4]II級(jí)合格。

(3)容器中D類(lèi)焊接接頭表面用進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，符合文獻(xiàn)[4]I級(jí)合格。

2.4 熱處理要求

設(shè)備制造完畢并檢測(cè)合格后應(yīng)進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理，熱處理前應(yīng)將所有與設(shè)備相焊的連接件（包括銘牌支架等）焊于設(shè)備上，熱處理后不得再在受壓元件上進(jìn)行施焊作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)和制造高壓容器要考慮工藝性和經(jīng)濟(jì)性，為了設(shè)計(jì)出更加安全、合理、可靠的產(chǎn)品，高壓容器設(shè)計(jì)必須要進(jìn)行正確的材料選擇、合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出符合實(shí)際需求的設(shè)備。

[1]GB/T150.1～150.4-2011.壓力容器.

[2]TSG 21-2016.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程.

[3]NB/T47015-2011.壓力容器焊接規(guī)程.

[4]NB/T47013.1～47013.6-2015.承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè).