多層整體包扎冷交換器外殼的設(shè)計與制造

孫 麗*

（中國機械工業(yè)第五建設(shè)有限公司）

壓力容器的用途較為廣泛，在工業(yè)、民用、軍工等許多部門以及科學(xué)研究的許多領(lǐng)域都具有重要的作用。其在化學(xué)工業(yè)與石油化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最多，僅在石油化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用的壓力容器約占壓力容器總數(shù)的55 %。

1 冷交換器設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)

高壓容器外殼一般由筒體、球形封頭、平蓋、端部法蘭、密封結(jié)構(gòu)及高壓管件、緊固件等組成。DN 1 200 mm 冷交換器外殼的主要參數(shù)可見表1，其結(jié)構(gòu)可見圖1。

根據(jù)條件圖采用 SW6 軟件經(jīng)計算，確定筒體、封頭材料為 Q345R，筒體厚度為 64 mm，封頭厚度為 55 mm； 平蓋材料為20MnMo Ⅳ，端部法蘭材料為16Mn Ⅳ。

2 冷交換器設(shè)計與制造要點

2.1 封頭

從受力分析來看，半球形封頭是理想的承壓結(jié)構(gòu)形式，因此半球形封頭在高壓容器中經(jīng)常被使用，封頭部件在制造過程中應(yīng)注意以下幾點：

表1 冷交換器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 冷交換器結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

（1）制造和檢驗過程應(yīng)按 GB 150—2011《壓力容器》及GB/T 25198—2010 《壓力容器封頭》標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定。

（2）材料的化學(xué)成份和力學(xué)性能（正火）應(yīng)符合GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，鋼板須經(jīng)100%超聲波（UT）探傷檢查，結(jié)果符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》 中的Ⅱ級，并應(yīng)逐張進行拉伸夏比（V 型缺口）沖擊（0°）試驗。

（3）球底封頭沖壓成型后，其內(nèi)外表面應(yīng)去除氧化皮，外表面須按NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4 部分：磁粉：磁粉檢測》進行磁粉（MT）探傷檢查。

（4）底部鍛件與球封頭D 類環(huán)焊縫應(yīng)進行100% UT 檢測，合格后進行100% MT 檢測，應(yīng)分別符合NB/T 47013.3—2015 中規(guī)定的Ⅰ級為合格和NB/T 47013.4—2015 中規(guī)定的Ⅰ為合格。球形封頭與接管，環(huán)板、支撐環(huán)的角焊縫應(yīng)按NB/T 47013.4—2015 進行100%MT 檢測,不允許有表面裂紋。

（5）球形封頭組焊后應(yīng)進行消除應(yīng)力熱處理，熱處理時應(yīng)對與封頭焊接的接管螺紋加以保護。

2.2 筒體

該設(shè)備筒體采用整體多層包扎結(jié)構(gòu)，筒體由內(nèi)筒和多層層板組成，內(nèi)筒采用厚為24 mm 的Q345R正火鋼板制造，按GB/T 713—2014 標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定Q345R，材料力學(xué)性能（正火）如下： Rm=500～630 MPa，ReL≥325 MPa，A=21%，KV2≥41 J(0°)。鋼板須經(jīng)100%UT 探傷檢查，結(jié)果符合NB/T 47013.3—2015 標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ級，并應(yīng)逐張進行拉伸的夏比（V型缺口）沖擊（0°）試驗。焊縫須經(jīng)100%射線探傷檢查，結(jié)果符合NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ級要求。筒節(jié)與筒節(jié)組焊時，應(yīng)將相鄰兩內(nèi)筒A 類焊縫錯開90°。每節(jié)筒體卷焊后須整體消除應(yīng)力熱處理。內(nèi)筒A，B 類焊縫須經(jīng)100%射線檢測，符合NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2 部分：射線檢測》中規(guī)定的Ⅱ級為合格。

2.2.1 層板的制造要點

（1）層板采用兩層厚為14 mm 和兩層厚8 mm 的Q345R 熱軋鋼板制造，層板采用的工藝裝備為多層整體包扎夾緊機械手。

（2）每層層板的縱、環(huán)焊縫需相互錯開，以內(nèi)筒縱縫為基準(zhǔn)各層層板縱焊縫依次錯開78°，焊完后須打磨至母材齊平，再包扎第2 層層板，直至層板達到設(shè)計需要的厚度。

（3）各層層板與端部法蘭、球形封頭連接的焊接接頭應(yīng)進行100%UT 檢測和100%的MT 探傷檢測，層板與層板間搭接接頭進行100%的MT 探傷檢測， UT 探傷前應(yīng)將焊縫磨平。然后端部法蘭與內(nèi)筒焊接，環(huán)縫應(yīng)進行100%射線探傷，NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級為合格，內(nèi)筒與端部法蘭、球封頭的環(huán)焊縫需進行消除焊接殘余應(yīng)力的熱處理，再包扎最后1節(jié)或幾節(jié)層板。

（4）除了最外層層板，其余各層層板的縱向焊接接頭進行10%MT 探傷檢測。層板的拼接接頭應(yīng)進行100%UT 檢測，按NB/T 47013.3—2015 標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級為合格。

（5）層板包扎后應(yīng)進行松動面積檢查，每個松動部位，沿環(huán)向長度不得超過300 mm，沿軸向長度不得超過600 mm。

（6）層板通氣孔按下述技術(shù)要求開設(shè)。

a）層板筒長≤600 mm 時，在層板兩端距端面100 mm 處各鉆一個直徑為8 mm 的通氣孔，其與本層層板焊縫錯開90°,相互之間錯開180°。

b）層板筒長＞600 mm 時，在層板兩端100 mm處各鉆2 個直徑為8 mm 的通氣孔，并第1 個孔與本層層板焊縫錯開90°，相互之間錯開90°。

2.3 密封結(jié)構(gòu)

2.3.1 高壓密封的基本特點

一般采用金屬密封元件來達到所需的密封比壓。該設(shè)備采用雙錐密封環(huán)密封，粗加工后應(yīng)進行100% UT 檢查，合格等級按NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)中對環(huán)形鍛件的要求。

2.3.2 主螺栓、螺母

主螺栓數(shù)應(yīng)為偶數(shù)，最好為4 的倍數(shù)，更便于對稱上緊，保證密封性能。普遍采用液壓上緊裝置進行螺栓緊固。主螺栓、螺母的選擇可按 HG/T 21573—1995 《高壓螺栓和螺栓液壓上緊裝置》標(biāo)準(zhǔn)進行選擇和加工。HI、HR 型螺母與球面墊圈配合使用可以一定降低因螺栓緊固不均帶來的附加彎矩，螺母的硬度應(yīng)略低于主螺栓的硬度。 因主螺栓的大小直接決定端部外緣的尺寸，故在保證緊固 效果、滿足上緊空間的前提下優(yōu)先選擇小直徑螺栓。螺栓材料的強度應(yīng)盡量與端部強度接近，保證螺紋連接的可靠性。主螺栓的質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的密封效果和設(shè)備的安全，該設(shè)備使用 M80X4 型螺栓，材料為 35CrMoVA。

2.4 筒體端部

當(dāng)端部法蘭上開孔較大時，還應(yīng)考慮開孔對端部強度的削弱影響，必要時應(yīng)加大端部外徑，由此可見雙錐環(huán)的尺寸及主螺栓的尺寸直接決定端部的尺寸，因此在滿足要求的前提下，雙錐環(huán)、主螺栓應(yīng)盡量選擇小尺寸。

2.5 平蓋

平蓋的外徑、 主螺栓孔中心圓直徑與筒體端部一致，平蓋的計算厚度可參照 GB 150—2011 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)開孔直徑較大或溫度對應(yīng)力影響明顯時，平蓋的計算厚度由設(shè)計強度決定。平蓋名義厚度是由計算厚度向上圓整得到的。

2.6 高壓容器的壓力試驗及安全裝置

高壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)一般比較簡單，壓力試驗一般采用液壓試驗，如需要進行氣壓或氣密性試驗時，應(yīng)選擇可靠安全的場所并制定周密的安全防范措施和應(yīng)急預(yù)案。

3 結(jié)論

整體多層包扎式壓力容器的結(jié)構(gòu)由于沒有深的縱向焊縫，層板筒節(jié)的泄放孔可對內(nèi)筒的泄漏起報警作用，層板包扎時產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，改善了圓筒體內(nèi)的應(yīng)力分布情況，受壓后，沿筒體厚度方向的應(yīng)力趨于均勻，比單層壁厚式安全性更強，在生產(chǎn)設(shè)備加工性能和原材料的采購上限制更小，在經(jīng)濟效益和制造成本上也具有較大的優(yōu)勢，隨著高壓容器在更多行業(yè)的不斷發(fā)展，多層包扎式結(jié)構(gòu)的運用將越來越廣泛。