淺談高壓容器設計

石玉春（中石化石油工程設計有限公司 機械設備設計所，山東 東營 257026）

淺談高壓容器設計

石玉春（中石化石油工程設計有限公司 機械設備設計所，山東 東營 257026）

以設計的一臺高壓容器為例，對高壓容器設計過程中的材料選擇、結構設計及對制造檢驗要求進行闡述。

高壓容器；設計；材料；結構；技術要求

當今，在石油石化行業飛速發展的迅猛階段，高壓容器設備在行業中所占的地位越來越重要，高壓容器被廣泛應用于石油石化站場、工藝裝置等的各個領域。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，許多高壓設備容器還被廣泛用于盛裝易燃、易爆以及強腐蝕性的介質中。這些苛刻的介質工況對設計人員來是一種挑戰，他們必須充分從介質工況出發，對材料、制造工藝、試驗、檢驗等各個方面進行全方位的分析和比較，從設計安全和使用壽命等角度考慮設計出一個操作安全、經濟合理、技術先進的設備。高壓容器的設計，一般應考慮以下幾點問題：正確的材料的選擇、合理的結構設計和制造和檢驗中需要遵循的標準規范和技術要求。

1 工程實例

1.1 設計參數

以某項目中Pw9.0MPa，φ2000H=8100的重力分離器為例，其主要設計參數見表1：

表1 主要設計參數

1.2 正確的材料選擇

高壓容器的材料應綜合多方面的因素，從以下幾點做出考慮：

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

(2)所選材料應具有優良的耐腐蝕性能，諸如材料能夠承受高的耐介質腐蝕的性能，除了不直接影響其使用壽命外，同時也不影響設備質量。

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

一般壓力容器設計中，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和工藝性能，材料來源廣，價格適中，被廣泛用于石油、石化等行業。

35CrMo和30CrMo屬于優質合金結構鋼，有很高的靜力強度、沖擊韌性及較高的疲勞強度，高溫下具有高的持久強度和蠕變強度，用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機器的重要零件。

經過初步計算及綜合考慮比較，這臺重力分離器殼體主體材料選用Q345R(正火)，接管法蘭材質為16MnⅢ，承壓螺柱材料為35CrMo，螺母材料為30CrMo。

1.3 合理的結構要求

1.3.1 整體結構

高壓容器的設計中既要考慮到生產的發展能制造出大壁厚的容器，又要設法盡力減小壁厚以便制造。

應從強度和密封這兩方面綜合高壓容器的結構設計。可靠的強度和嚴密的密封是結構合理性的保障。在設計高壓容器時，在容積一定的情況下，通過采用較大的高徑比來滿足要求。

這臺重力分離器容積為21.1m3，設備內直徑2000mm，筒體長6000mm，經計算筒體壁厚是58mm，在材料容易加工制造的范圍內，故結構比較合適。

1.3.2 筒體和封頭結構

高壓容器設計一般采用“SW6”設計軟件進行設計，一般的高壓容器，其筒體和封頭都比較厚重，因而先設計中出現了很多筒體結構形式。一般而言，按照筒體的組成結構分類可以把高壓容器分為單層式和組合式兩類。

設計人在選擇筒體結構時，既要從容器安全性出發，又要從它的經濟適用性考慮。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、熱處理方法、試驗檢驗等的因素和筒體的破壞特性相關聯，然而筒體本身結構的經濟合理性更和容器制造方法、材料利用率、容器生產效率、鋼板原料的供應等有關。

在設計過程中綜合考慮這以上因素，這臺重力分離器筒體采用整體鍛造結構。對于封頭的結構而言，雖說半球形封頭和橢圓形封頭相比較，在同等的設計工況和條件下，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，選用橢圓形結構的封頭。

1.3.3 密封形式

優良的密封結構是保證高壓容器的正常運轉，不發生任何安全事故的可靠保障。

為了保證設備在工作中不泄露，安全有效的運行，必須保證密封的嚴密性。這臺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，根據工況墊片選用金屬纏繞墊。

2 制造、檢驗需執行的技術要求

2.1 材料的要求

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

(2)受壓元件用鋼板按照標準要求應逐張進行超聲檢測，方法按NB/T47013.2-2015的中的具體要求規定執行，合格等級不低于II級。

2.2 焊接要求

(1)焊接采用焊條電弧焊，具體實施中應嚴格執行焊接規程[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，所有內伸接管斷面應打磨圓角。

2.3 無損檢測要求

(1)容器中的A、B類焊接接頭應進行100%射線檢測，符合文獻[4]II級合格。

(2)容器中的B類焊接接頭應進行20%超聲檢測復驗，符合文獻[4]II級合格。

(3)容器中D類焊接接頭表面用進行100%磁粉檢測，符合文獻[4]I級合格。

2.4 熱處理要求

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

3 結語

設計和制造高壓容器要考慮工藝性和經濟性，為了設計出更加安全、合理、可靠的產品，高壓容器設計必須要進行正確的材料選擇、合理結構設計，從而設計出符合實際需求的設備。

[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監察規程.

[3]NB/T47015-2011.壓力容器焊接規程.

[4]NB/T47013.1～47013.6-2015.承壓設備無損檢測.