高壓容器的結構特點及設計制造問題研究

黃婧 包世成 馮超 孫曉超 徐豐 郭永勝

摘 要：隨著我國經濟的發展，對石油的需求越來越多。高壓容器設備在石油行業的生產中占有十分重要的地位，在很多石油石化企業中被廣泛使用。高壓容器的主要特點是其能夠承受巨大壓力，同時也能夠在惡劣的環境中使用。同時，高壓容器能適用于高溫、易爆且環境中具有強腐蝕性的介質中?；诖?，文章針對高壓容器的結構特點與設計特點，對其參數化模型與數據進行分析，同時對其制造要點進行歸納總結，從而為高壓容器在實際工程中的應用提供一定的參考。

關鍵詞：高壓容器;結構特點;設計要點;模型;制造要點

中圖分類號：TQ051.3 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0091-02

Abstract： With the development of China's economy， there is more and more demand for oil. High pressure vessel equipment plays a very important role in the production of petroleum industry and is widely used in many petroleum and petrochemical enterprises. The main characteristic of high pressure vessel is that it can withstand great pressure， but also can be used in harsh environment. At the same time， high pressure vessels can be applied to high temperature， explosive and highly corrosive media in the environment. Based on this， according to the structural and design characteristics of high-pressure vessels， this paper analyzes its parametric model and data， and summarizes the key points of its manufacture， so as to provide a certain reference for the application of high-pressure vessels in practical engineering.

Keywords： high pressure vessel; structural characteristics; key points of design; model; key points of manufacture

引言

隨著我國石油化工的高速發展，生產石油過程中用到的裝置逐漸大型化，在惡劣環境中對高壓容器裝置的使用頻率越來越高，對高壓容器的設計也提出了新的要求。設計人員在進行高壓容器的設計時，需要結合高壓容器的工作環境，考慮環境中的各種影響因素，根據實際情況綜合考慮高壓容器的設計要點，從而保證高壓容器在復雜的環境中具有高性能與高穩定性;進行高壓容器設計時，還需要嚴格執行國家的法律法規和相關的設計規范，減小設計失誤的發生。

1 高壓容器的結構特點

高壓容器結構細長，其高壓容器筒身不能開孔，其筒身采用平蓋或者球形的封頭方式，同時高壓容器的密封結構較為特殊。

首先，高壓容器的結構較長，主要體現在高壓容器的應力水平較高，整個高壓容器的直徑較大，整個容器的壁面較厚。另外，在對高壓容器進行加工時，需要使用大型的加工設備，同時在加工過程中需要注意焊接問題，嚴格控制焊接成本。此外，高壓容器的直徑越大，在使用過程中對其進行密封就越難，因此在設計中對高壓容器的容積有一定的要求，需保證其整體的長度。

其次，高壓容器壁本身應力水平較高，如果在高壓容器的筒壁開孔則會造成孔附近的壓力增大2-3倍，給高壓容器的施工帶來嚴重困難。所以為了保證高壓容器滿足設計要求及技術強度要求，在設計時需要盡量避開在高壓容器的壁面開孔，可以將孔洞設計在端蓋上，同時需要保證孔徑盡可能小。

第三，在設計高壓容器的端蓋時，需要保證其有足夠的厚度，由于高壓容器的密封結構較復雜，如果端蓋的直徑較小，可以選擇直接拆掉端蓋，在選擇端蓋的形狀時盡量選擇圓形的平蓋。這是因為平型端蓋受力十分有限，同時平蓋的加工材料較多，造成整個平蓋顯得十分笨重。而球形端蓋的受力較好，在直徑較大的高壓容器中應用廣泛。

第四，高壓容器的密封形式對整個加工過程十分重要，對加工技術的要求也比較高，一般在進行加工時選擇金屬密封圈，同時對高壓容器盡可能使用介質來確保其密封緊密。在設計高壓容器時盡量少使用拆卸結構，在實際的設計中，一般高壓容器的密封采用可拆卸方式，而高壓容器的另一端為固定結構。

第五，由于高壓容器筒壁具有很強的應力，而高壓容器本身具有一定重力，如果將高壓容器的支座焊接在筒壁上，會在支座附近產生很大的應力，當高壓容器中含有層板時就會增大筒壁層間的間隙。在設計時應盡量避免將高壓支座設計在高壓壁上，可以選擇將支座放置在底部的封頭上。一般小型的高壓容器選擇環形支座，大型高壓容器選擇裙式支座。

2 高壓容器的設計要點

2.1 筒體厚度的計算

高壓容器筒體厚度的計算公式如下：

在公式中有對壓力進行限定，也就是對高壓容器設備內徑與外徑的大小進行限定，當高壓容器的壁是薄壁時，其強度設計的理論基礎是薄膜應力公式推導出來的旋轉薄殼應力無力矩理論;而高壓容器的壁是厚容器壁時，其強度設計理論基礎是彈性應力推導出來的拉美計算公式。設計者在進行高壓容器的強度計算時，需要考慮設計值與實際值之間的應力誤差。

2.2 開孔補強計算接管實際外伸高度的確定

設計的高壓容器通常采用的是厚壁管對補其強度，筒管中實際外延伸的部分為能提供等厚補強強度的接管的外伸高度，同時需要舍去承擔密封功能的那部分筒體高度。在實際進行開孔補強計算接管時，外伸長度如果考慮了長頸法蘭，會導致計算結果的錯誤，并且會使高壓容器在工作過程中存在很大的安全隱患，最簡單的計算方法是將h1作為接管時實際外伸高度h，如圖1所示。

2.3 筒體與球形封頭的對接接頭形式

確定了筒體的封頭厚度后要對筒體進行焊接，在焊接時發現筒體厚度比球形封頭要大，這是因為球形的封頭其環向應力與徑向應力要大。高壓容器的圓筒中，其環向應力比軸向應力大很多，而當圓筒的直徑相同時，球殼的厚度僅僅只有筒體厚度的一半，當兩者的厚度相差太多時，需要對圓筒的邊緣進行削薄處理。在設計時，筒體坡口形式常常被設計者所忽視，造成嚴重的設計錯誤，如圖2所示。

2.4 密封形式的選擇

高壓容器的密封形式主要有三種，即：強制式密封、自緊式密封和半自緊式密封。高壓容器密封的好壞對整個容器安全穩定運行具有十分重要的影響，是設計中一個至關重要的環節。在設計過程中，具體選用何種密封形式需要根據高壓容器的介質、溫度及高壓容器運行的具體工藝條件進行選擇。

3 高壓容器參數化模型與數據分析

整個高壓容器的設計壓力是26MPa，根據設計參數在三維軟件中進行建模，利用ICEM對整個模型進行自動分配網格，對高壓容器容易受到應力大的區域進行網格加密，這樣保證計算的結果具有足夠的精度，且計算結果更加與實際值相接近，通過對該模型進行網格劃分，得到該模型的網格總的結點數197860，單元數是43678。在進行數值模擬參數設置時，需要正確地施加均勻地分布載荷和模型約束，才能使數值模擬的結果與實際情況相符。將數值模擬的結構進行分析，得到該高壓容器的應力等效圖（如圖3所示），從圖中可以看到該高壓容器的封頭內外應力分布均勻，沒有出現很大的應力突變，也沒有超出該高壓容器的最大許用應力，所示滿足設計需求。

4 高壓容器的制造要點分析

4.1 受壓元件成形減薄

高壓容器的鋼板材料厚度不同，其許用應力的承載范圍也是不一樣的，當高壓容器的鋼板越厚時，其鋼板的許用應力就越低，需要注意鋼板的厚度極限。當鋼板厚度接近該鋼板的厚度極限值時，許應力會存在跳檔的現象，在實際的設計時需要給制造單位留足加工的裕量，以保證鋼板具有足夠的厚度。

4.2 材料代用

在實際的生產過程中會存在材料緊缺的現象，材料供應不上的問題，這時產品制造商會使用其他材料代替原來元件的制造材料，當采用厚板代替薄板時需要實時查看該厚板材料是否滿足高壓容器的應力需求，新用材料的許用應力是否會因為板的厚度變化而產生變化，如果新用材料的許用應力降低，則需要重新計算新用材料的厚度，核算該元件的計算厚度，以保證應力滿足需求。

4.3 凸形封頭成形母材試板

高壓容器的封頭板材厚度比較大，根據板材的使用要求，當板材厚度超過厚度極限時需要對板材的使用狀態進行調整，厚壁狀態的封頭通常需要對其進行熱壓成形，在對其加熱過程中由于加熱的溫度很高，很容易破壞原材料的供貨狀態。如果加熱過程破壞了原材料的供貨狀態，需要進行相應的熱處理使加熱材料恢復原材料的狀態，同時需要附上與原材料相同批次的母版試件，以備在高壓頭封頭完工后進行相應的力學性能試驗檢驗。

5 結束語

高壓容器在制造及使用過程中會涉及很多的技術領域，高壓容器的操作過程十分復雜，需要在設計及操作階段盡量保證零失誤。因此需要在設計階段全面分析高壓容器可能出現的失效模式，并且對其進行針對性的設計以保證高壓容器能夠安全穩定地生產。在生產階段需要對高壓容器的材料成型及焊接無損檢測提出合理的技術性要求，才能保證高壓容器的質量。

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