多層包扎壓力容器設計分析

徐林　遲明高

摘 要：我國工業化進程不斷深入，對壓力容器需求日益提升。本文就多層包扎壓力容器設計展開分析，對其殼體、開孔、殼體與封頭連部位、支撐結構、吊耳等部位展開研究，提出這些部位在設計及加工中需注意問題，為后續相關容器設計奠定基礎。

關鍵詞：多層包扎；壓力容器；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.026

隨著我國工業不斷發展，壓力容器逐漸呈現大型化、高參數化，當前壓力容器已經發展出單層、多層不同結構。多層包扎容器不僅具備較高原材利用率，且具有較高安全性。上世紀70年代后期國內外均發生多層包扎容器安全事故，因此其設計及制造過程受到重視，本文就該類多層包扎壓力容器設計展開分析。

1 多層包扎容器殼體設計

1.1 殼體內筒及層板厚度的確定與選擇

結合國內在設計多層包扎容器相關標準，采用碳鋼或低合金鋼作為殼體材料時，其厚度一般設置為24mm，選用不銹鋼材料或其他有色金屬作為殼體材料時其厚度依據實際情況而定，原則上不得低于8mm。若殼體厚度較厚則會給制造及探傷控制、焊接工藝等造成不良影響。若厚度不足則會造成殼體剛性不足，易出現安全問題。層板一般選用厚度在8-20mm范圍內的鋼板。

1.2 殼體設計

殼體內筒采用鋼板進行卷制，并結合無損檢測技術及力學檢驗技術檢驗其結構性能及力學性能。焊接完成后檢驗合格需對其進行消應力熱處理。鋼板可采用拼接方式，但焊縫不得超過2條。焊接時層板環縱焊縫需錯開，相鄰焊縫間距不可小于100mm，錯開角度450以上。層報包扎與內筒在進行焊接可能對內筒結構造成影響，則需在層板與內筒間設置盲板層。單個層板上至少設置2個φ6mm通氣孔。若容器需用于盛裝腐蝕性液體則需設置檢漏系統。為有效控制層板層間間隙及松動面積，在進行容器實際制造中用過采用相對較大的包扎力，并針對性使用提高水壓試驗的壓力值降低不良情況的出現。

2 多層包扎殼體開孔的設計

進行多層包扎殼體設計過程中原則上應盡量減少開孔數，尤其是大孔徑孔開設應盡量杜絕。對于必須要進行開孔的部分應將其幾種開設在上下封頭處或法蘭處。進行殼體開孔時避免在同一層板上開設超過2個以上的孔數，并采用鍛管整體補強結構進行補強。對直徑不超過50mm的接管孔，在設計中應采用內筒與層板直接焊接方式。對直徑不超過50mm的接管孔采用內筒與層板分層焊接方式。

3 殼體與封頭（端部）連接結構設計

本文設計的多層包扎壓力容器雖然采用多層結構，但其結構上下端部位為單層球形結構或者法蘭結構，由此可見其多層筒體及兩端部分為整個結構的薄弱環節，因此在設計中應該重點考慮此薄弱環節。當前相關標準中對多層包扎壓力容器殼體封頭與連接部分推薦方式主要有2種。一種方式是具有深環焊縫直接相焊結構，另一種是具有階梯焊結構。除此之外還具有一些設備配套結構采用斜向結構。在設計中通過應力分析和實踐發現階梯焊結構是設計多層包扎壓力容器殼體與封頭部分最佳方法（見圖1）。從圖1可知該種結構不存在深環焊縫，且該結構需要保證層板與內筒、層板與內筒焊縫相互錯開，以此降低該結構在焊接過程中產生缺陷的可能性。及時在焊接過程中出現不良缺陷，也會將裂紋控制在一定區域，裂紋不會另一部擴展，對沿壁厚方向不造成影響，此結構中下層層板會對其上層層板或內筒等裂紋有止裂作用。對結構進行應力作用分析，發現該種結構具有較強抗疲勞特性。當結構內筒因為環境因素導致出現裂紋等缺陷時，結構盛裝高壓介質便會沿著層板檢漏系統外漏，是一種安全防護措施，設備不會出現爆炸等不良情況，且會提醒管理人員及時對結構進行修復。該結構在設計過程中利用只檢漏不爆炸設計方式，從根本上提升結構安全性能。

殼體與封頭（端部）連接結構設計過程中需要對層板與上下封頭部分進行焊接后熱處理，在設計中通常在多層包扎壓力容器部分通過堆焊過渡金屬方式，例如通過堆焊INCONEL合金方式，使得結構層板通過INCONEL合金展開焊接，且使用該種方式無需在焊接過后對層板與上下封頭部分進行焊接后熱處理，由此可見通過該種方式可有效解決熱處理工藝難題。

多層包扎壓力容器設計過程中其封頭部位一般采用球形封頭，其厚度約為多層包扎壓力容器筒體厚度的一半。為降低多層包扎壓力容器筒體結構與球形封頭受到的應力作用，同時滿足其球形封頭處階梯焊縫布置滿足實際要求，在確定封頭實際尺寸后應對其進行一定程度加厚。

4 支撐結構和吊耳的設計

多層包扎壓力容器重量較大，其內部結構層數較多，在進行其支撐部位以及吊耳附件結構設計過程中應過分注重其支座型式。在ASME以及GB150中推薦出一般支座型式，但在實際設計中一些多層包扎壓力容器為立式結構，因此支撐件不適合設置與外側層板，除非可采取有效措施將其負荷傳遞至其他部位。根據ASME規定進行多層包扎壓力容器設計時其支撐形式宜選用裙座或環形支座，使得受力點位于單層結構封頭處。基于現場設備布置要求，多層包扎壓力容器一般支撐在殼體上時，一般將相關結構設置成倒掛式耳座結構。且容器吊耳結構不宜設置在外部層板，最佳部位是上部封頭處，當上部具有較大開孔則利用專用吊蓋進行吊裝。

5 結束語

多層包扎壓力容器具有較強安全性和可靠性，容器在工作過程中維護費用低，當前已經在國內大多數壓力容器中得到廣泛使用。實際設計過程中應該對其各個部分進行科學設計，結合實際需求在設計中對各個部分進行優化處理，在保證安全性基礎上提升其結構性能。

參考文獻：

[1]陳建存.多層包扎式高壓容器的爆炸事故[J].化工設備與管道，2012（06）.

作者簡介：徐林（1985-），男，山東安丘人，助理工程師，主要從事壓力容器的設計及制造技術工作。