厚壁復(fù)合板壓力容器的設(shè)計(jì)及制造

王 林

（廣州廣重企業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東廣州 511400）

0 引言

汽水分離器是海上采油平臺(tái)油氣處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，也是采油平臺(tái)的基本配置，國(guó)內(nèi)國(guó)外都有設(shè)計(jì)制造。本文中的汽水分離器，設(shè)計(jì)參數(shù)以及材料與以往都不同，具備設(shè)計(jì)壓力高、材料特殊的特點(diǎn)，制造難度非常大。以下就某廠為海上采油平臺(tái)設(shè)計(jì)、制造高壓低溫分離器的要點(diǎn)作一介紹。

1 設(shè)備介紹

高壓低溫分離器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)備屬于III類高壓低溫復(fù)合板容器[1]，且按標(biāo)準(zhǔn)要求焊后進(jìn)行整體熱處理。其設(shè)計(jì)、制造重點(diǎn)如下：

（1）主體材料為不銹鋼復(fù)合板結(jié)構(gòu)，焊接接頭坡口型式的設(shè)計(jì)；

（2）小管徑厚壁補(bǔ)強(qiáng)碳鋼管內(nèi)襯不銹鋼管材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造；

（3）基層材料屬于低溫鋼，且厚度厚度較大（整體厚度達(dá)到90 mm），制造過程中的母材及焊縫質(zhì)量難以保證，且成形組裝過程中的錯(cuò)邊量控制難度較大。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造

2.1 球形封頭設(shè)計(jì)

壓力容器中，球形封頭與其他形式的封頭相比，球形封頭的受力最好，各向薄膜應(yīng)力相等，在相同直徑和壓力下所需厚度最小，最節(jié)省材料，因而在壓力較高的容器中常常使用球形封頭。在實(shí)際應(yīng)用中，比較球形封頭和圓筒的計(jì)算公式可知，球形封頭的計(jì)算厚度只有筒體壁厚的一半，即使加上工藝增厚，封頭的厚度也要小于筒體壁厚很多。厚度計(jì)算公式[2]：

式中：δ—圓筒或封頭的計(jì)算厚度；

Pc—計(jì)算壓力；

[σ]t—設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭的材料的許用應(yīng)力；

φ—焊接接頭系數(shù)。

由于壁厚的差異，筒體與球形封頭的連接不可能實(shí)現(xiàn)直接對(duì)接，但是還要保證筒體與球殼連接的結(jié)構(gòu)連續(xù)性。如果直接將筒體切削，則削弱部分筒體的厚度不滿足設(shè)計(jì)要求，將會(huì)導(dǎo)致容器失效，如何保證封頭和筒體連接處的強(qiáng)度問題成為高壓容器設(shè)計(jì)為球形封頭結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。在連接處將半球形封頭設(shè)計(jì)為缺少H長(zhǎng)度的非完整半球形結(jié)構(gòu)，將筒體端部H長(zhǎng)度范圍作為球形半球形封頭缺少的端部考慮，參與球形封頭的強(qiáng)度計(jì)算，將筒體端部H范圍作為筒體與球形封頭的過渡段，將筒體端部H范圍內(nèi)削邊后與封頭對(duì)接連接，可以作為是對(duì)封頭端部加強(qiáng)處理，即可滿足強(qiáng)度要求，又實(shí)現(xiàn)了封頭與筒體的結(jié)構(gòu)連續(xù)性[3]。見封頭筒體連接結(jié)構(gòu)圖（圖2）。

圖2 封頭與筒體連接結(jié)構(gòu)圖

2.2 筒體縱、環(huán)向?qū)雍附咏宇^的設(shè)計(jì)及制造

由于設(shè)備為高壓低溫的操作工況，使用條件苛刻，而且封頭、筒體材料為厚壁不銹鋼復(fù)合板，設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮避免焊接時(shí)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，同時(shí)還要考慮不銹鋼復(fù)合層的耐腐蝕性能。為盡量避免產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，經(jīng)過焊接試驗(yàn)評(píng)定確定合適的焊接工藝參數(shù)，并且將筒體材料的基層縱、環(huán)向焊接接頭設(shè)計(jì)為雙U型坡口，見筒體縱環(huán)向?qū)咏宇^圖（圖3）。焊接時(shí)，先焊接基層內(nèi)側(cè)，清根后再焊接外側(cè)，保證焊縫的致密性和全焊透，最后對(duì)基層內(nèi)側(cè)的焊縫打磨平滑，對(duì)基層內(nèi)側(cè)待堆焊面進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)，確認(rèn)待堆焊表面無(wú)任何缺陷，在按過渡層和復(fù)層選用不同的焊材堆焊內(nèi)壁不銹鋼部分，以保證殼體焊縫內(nèi)壁的耐腐蝕性能[4]。

圖3 筒體縱環(huán)向?qū)咏宇^圖

2.3 殼體開孔處接管與殼體焊接接頭設(shè)計(jì)及制造

壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)型式有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)和整體補(bǔ)強(qiáng)等，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)僅用于殼體厚度小于等于38 mm的設(shè)備，因此在這類厚壁容器中，一般采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，用全截面焊透的結(jié)構(gòu)型式將厚壁管或者整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體焊接。整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖

在本低溫設(shè)備中，對(duì)于公稱直徑大于DN80mm的接管，接管鍛件基層材料選用09MnNiDIII和接管內(nèi)壁堆焊不銹鋼焊材組成。連接形式如采用常規(guī)的整體厚壁管插入式接管結(jié)構(gòu)，接管與殼體連接處結(jié)構(gòu)形狀不連續(xù)，很容易引起焊后開孔邊緣局部應(yīng)力集中，容器使用期間，在接管開孔附近發(fā)生斷裂失效。為了降低開孔處的應(yīng)力水平，同時(shí)為了減少制造加工困難，將大于DN80mm的接管與殼體連接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為如圖4所示嵌入式連接結(jié)構(gòu)，將接管鍛件與殼體連接處加工至圓滑過渡，凸緣對(duì)接連接處僅加工殼體部分的坡口即可，并對(duì)接管內(nèi)徑邊緣處倒圓處理，在結(jié)構(gòu)上大大降低接管開孔處的應(yīng)力水平。在焊接時(shí)，先焊內(nèi)側(cè)基層部分，背部清根后焊外側(cè)，最后對(duì)基層內(nèi)側(cè)的焊縫打磨平滑，對(duì)基層內(nèi)側(cè)待堆焊面進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)，確認(rèn)待堆焊表面無(wú)任何缺陷，在按過渡層和復(fù)層選用不同的焊材堆焊內(nèi)壁不銹鋼部分，以保證殼體焊縫內(nèi)壁的耐腐蝕性能。焊接需要注意進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊中保持層間溫度，焊后熱處理等措施。通過以上結(jié)構(gòu)和制造工藝措施，大大降低接管開孔處的應(yīng)力集中及焊接殘余應(yīng)力[5]。

DN＜80 mm 的接管鍛件接管鍛件基層材料選用09MnNiDIII和接管內(nèi)襯不銹鋼管材的形式，與筒體的連接形式設(shè)計(jì)見安放式結(jié)構(gòu)圖（圖5）。采用安放式結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)殼體要求開孔處的鋼板截面上應(yīng)無(wú)夾層現(xiàn)象，要做到這一點(diǎn)需要在開孔直徑兩倍的范圍內(nèi)做超聲檢測(cè)（UT）。因?yàn)榘卜攀浇庸芎冈阡摪宓谋砻妫魏谓庸茉趦?nèi)壓作用下都承受一個(gè)軸向力。如果下面有分層，軸向力作用以后鋼板會(huì)發(fā)生撕裂。撕裂以后鋼板的厚度不是原來的厚度，厚度減薄強(qiáng)度就滿足不了要求。制造時(shí)，筒體或封頭預(yù)留加工余量5 mm開孔，接管鍛件與設(shè)備的安放式結(jié)構(gòu)按圖5校裝、焊接，焊前預(yù)熱，焊后按圖精加工管口最終內(nèi)徑，清除了焊縫根部缺陷以及未焊透部分，確保根部焊縫無(wú)缺陷。設(shè)備整體熱處理時(shí)應(yīng)保護(hù)好管口內(nèi)壁，防止內(nèi)壁氧化和變形，待設(shè)備整體熱處理后，按襯管焊接結(jié)構(gòu)（圖6）進(jìn)行襯管工序，將不銹鋼襯管外徑加工與接管鍛件的內(nèi)孔直徑過盈配合，以使其與接管鍛件冷套后的內(nèi)孔壁充分貼合，襯管采用冷套工藝，冷凍介質(zhì)為液氮。冷套前不銹鋼襯管應(yīng)完全浸入液氮，液氮不足時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充，待液氮平穩(wěn)后方可取出進(jìn)行冷套。

圖5 安放式結(jié)構(gòu)圖

圖6 襯管焊接結(jié)構(gòu)

3 封頭、筒體成形組裝工藝

本設(shè)備材料為不銹鋼復(fù)合板，而且壁厚較厚，因此筒體卷制以及封頭成形難度較大。封頭采用熱沖壓成形，沖壓成形后，超聲波復(fù)驗(yàn)封頭復(fù)合板基層與復(fù)層的貼合率是否符合要求，并進(jìn)行正火+回火熱處理恢復(fù)材料熱處理狀態(tài)。復(fù)合板組裝時(shí)，錯(cuò)邊量的控制相對(duì)板材組裝要求更為嚴(yán)格，封頭沖壓成形后，難以達(dá)到圖紙要求的內(nèi)徑尺寸，必然存在一定的偏差。為保證封頭與筒體組裝的錯(cuò)邊量，采取先將封頭沖壓成形，實(shí)測(cè)封頭內(nèi)徑尺寸，根據(jù)成形后的封頭實(shí)際內(nèi)徑尺寸對(duì)筒體展開下料，并根據(jù)實(shí)測(cè)的封頭對(duì)接處尺寸實(shí)配加工筒體坡口，保證了封頭與筒體對(duì)接處錯(cuò)邊量的控制[6]。

4 熱處理

容器焊后進(jìn)行最終整體消除應(yīng)力熱處理，熱處理曲線示意圖（圖7）。

圖7 熱處理曲線示意圖

5 焊后檢測(cè)

5.1 無(wú)損檢測(cè)

（1）熱處理前所有A、B類焊縫100%RT檢測(cè)，技術(shù)等級(jí)AB級(jí)，Ⅱ級(jí)合格，100%UT復(fù)驗(yàn)，技術(shù)等級(jí)B級(jí)，Ⅰ級(jí)合格，并且焊縫基層外表面100%MT，Ⅰ級(jí)合格，復(fù)層內(nèi)表面100%PT，Ⅰ級(jí)合格[7]。

（2）熱處理及水壓試驗(yàn)后A、B、D類焊接接頭100%UT復(fù)驗(yàn)，技術(shù)等級(jí)B級(jí)，Ⅰ級(jí)合格，A、B、D、E類焊接接頭的外表面進(jìn)行100%MT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格；設(shè)備內(nèi)內(nèi)表面的焊接接頭進(jìn)行100%PT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

5.2 水壓試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)要求水溫不低于15℃，水中氯離子含量不超過25 mg/L。

5.3 試件性能檢驗(yàn)

封頭的成形過程中經(jīng)歷熱處理過程與筒體不同，封頭的母材試板、封頭的焊接試板代表封頭的最終性能狀態(tài)，分別制備封頭母材及焊接試板、筒體焊接試板送檢力學(xué)性能，經(jīng)檢驗(yàn)結(jié)果表明[8]，以上試板均符合要求。

6 結(jié)論

（1）厚壁復(fù)合板容器對(duì)接坡口設(shè)計(jì)為基層雙”U”型坡口，復(fù)層堆焊的結(jié)構(gòu)型式，采取可靠的焊接工藝和檢測(cè)方法，解決了厚壁復(fù)合板的焊接難題，保證了焊接質(zhì)量，對(duì)接焊縫按NB/T47013進(jìn)行RT及UT檢測(cè)合格。

（2）小管徑厚壁補(bǔ)強(qiáng)碳鋼管內(nèi)襯不銹鋼管材的結(jié)構(gòu)，采用冷套工藝技術(shù)解決套入難題。免除了小直徑接管內(nèi)壁堆焊工序，解決了堆焊后小接管內(nèi)壁復(fù)層表面堆焊層無(wú)法檢測(cè)的技術(shù)難題。大接管與殼體的連接形式設(shè)計(jì)為嵌入式結(jié)構(gòu)，降低了連接處的應(yīng)力水平，并且保證了該處焊縫的質(zhì)量，從實(shí)際使用情況得到了驗(yàn)證，所有冷套襯管處沒有發(fā)現(xiàn)離層現(xiàn)象，并且耐腐蝕性能良好。

（3）封頭與筒體的制定合理的制造工藝措施，保證封頭與筒體對(duì)接組裝的尺寸精度要求，對(duì)接處錯(cuò)邊量檢測(cè)偏差在1 mm以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

通過以上方法在厚壁低溫容器的設(shè)計(jì)制造中，針對(duì)原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無(wú)損檢測(cè)、性能檢測(cè)等方面提出的特殊要求，降低了制造難度，保證了設(shè)備質(zhì)量，解決了厚壁復(fù)合板壓力容器的設(shè)計(jì)、制造難題，目前已在筆者公司大力推廣進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，已完工的設(shè)備運(yùn)行良好。

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［8］GB/T229-2007.金屬材料夏比擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)方法［S］.