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1、高压容器的设计【摘要】以我单位承接的一台高压容器为例，对高压容器设计过程中的材料 选择、结构设计及对制造检验的要求进行了阐述，供设计人员参考。【关键词】高压容器 设计 材料 结构 技术要求高压容器在化工设备中占有十分重要的地位，随着化学工业的迅猛发展，高 压容器的应用越来越广。化工设备中的高压容器不仅承受高压，往往还伴随着高 温或低温，许多高压容器还盛装易燃易爆的危险介质，条件非常苛刻。因此，在 设计高压容器时，必须从操作条件出发，对安全、材料、制造、检验等方面进行 综合分析和比较，对设备做出一个操作安全、经济合理、技术先进的设计，在高 压容器的设计过程中，一般应考虑以下几个问题：材料的选择、
2、结构设计、制造 和检验中必须遵守的技术条件。下面，就我单位承接设计的一台高压设备为例， 对上述问题进行阐述。1高压容器设计条件这是一台内直径为400mm的滤芯式排液分离器（见图1）,高压气体从N1 进口，通过设备内部滤芯，进入设备内部，然后从N2出口，用户提供的设计参 数（见表1）。图1滤芯式排液分离器2合理选材高压容器所选材料应具有良好的综合机械性能，即强度高，塑性和韧性好， 并应有良好的加工和制造工艺性能，同时，还应注意经济节约和符合国情，这样 才能降低设备成本，保证材料的来源和供应。Q345R钢板和16Mn锻件是常用的压力容器材料，其化学成份（见表2）， 属于低合金钢，具有较好的综合机械
3、性能和焊接性、冷热加工性，其材料来源广， 价格适中。35CrMoA和30CrMoA属于优质合金结构钢，在高温下具有高的持久 强度和蠕变强度，低温冲击韧性也好。这台设备底封头选用Q345R （正火）钢 板，筒体、筒体端部、平盖、管法兰及双锥环选用16Mn （正火）锻件，设备主 螺柱选用35CrMoA棒材，主螺母选用30CrMoA。3结构设计3.1高压容器的结构要求高压容器的结构必须保证强度的可靠性和密封的严密性。由于在一定压力 下，容器的壁厚随着直径的加大而增加，而直径和壁厚的增加又对材料、密封、 制造带来许多困难。因此，一般高压容器的结构，在满足操作条件的前提下采用 较大的长径比来满足设计容积
4、，取得较小的壁厚。这台设备的设计容积为 0.308m，设备内直径取400mm较合适。3.2筒体和封头的结构高压容器的筒体结构有许多形式，以筒体组成结构分类，可分为单层式和组 合式两类，单层式筒体常用有整体锻造式、锻焊式、单层卷焊式等，组合式筒体 可分为多层式和缠绕式。对于小直径的高压容器的筒节单层卷焊式和锻造式是常 用的形式，单层卷焊式技术成熟，制作工艺简单，缺点是如果筒体壁厚很厚，在 压延方向和垂直方向的延性和韧性存在较大的差值，厚度方向的机械性能更差， 断面内部材质不均匀，成为焊接剥离裂纹的原因。另外，由于厚板的转变温度高， 脆性破坏的可能性大。锻造式筒体制造成本虽比单层卷焊式筒体高，但它
5、机械性 能稳定，没有纵向焊缝，不存在纵向焊缝泄漏的问题。这台设备的介质为氢气， 属于易燃易爆的介质，一旦发生事故，爆炸燃烧即刻产生，导致重大损失。综合 考虑，这台设备的筒身采用整体锻造。对于封头结构的考虑，半球形封头与椭圆 形封头相比，在同样的设计条件下，达到强度要求所需要的壁厚较薄。这台设备 选用球缺体球形封头，它结构简单，制造容易，这样的球缺体减少了压制封头的 深度和便于脱模。3.3密封结构的设计高压容器是否能够正常运转，很大程度取决于密封结构的完善程度，为了保 证设备在操作时介质不泄漏，必须保证密封的严密性，根据密封作用力的不同， 高压密封可分为三类：（1）强制密封，如金属平垫密封，卡扎
6、里密封，透镜垫密封等。（2）半自紧密封：如双锥环密封。（3）自紧密封：如C形环密封，O形环密封，八角垫密封，三角垫密封， 楔形垫密封，伍德密封等。这台设备选用的是双锥环密封，它的结构如下图2：双锥环的结构尺寸也可在文献表c.6查得。4制造和检验中需要执行的技术条件高压容器在制造过程中应执行严格的检查和检验制度，这样可及早发现缺 陷，保证制造质量，确保容器使用时的安全。因此，在设计中必须对制造和检验 提出要求。4.1对材料的要求（1）封头用钢板的化学成份，力学性能应符合GB713-2008锅炉和压力容 器用钢板的规定，锻件符合NB/T47008-2010承压设备用碳素钢和低合金钢 锻件的规定，正
7、火状态供货，筒体、筒体平盖、筒体端面的锻件符合IV级要 求，法兰、双锥环的锻件符合III级要求。(2) 封头用钢板必须逐张超声波检测，超声波检测按文献4的规定，不低 于II级为合格，设备主螺柱钢棒按文献进行超声波检测，不低于III级为合格。(3) Q345R受压钢板、16Mn锻件应进行-20C夏比V型缺口冲击试验，冲 击功 AKV34J。4.2焊接要求(1) 焊接采用焊条电弧焊，焊接规程按文献。(2) B、D类焊接接头全焊透，角焊接接头外形凹形圆滑过渡。4.3无损检 测要求(1) 容器上的B类焊接接头应进行100%射线检测，符合文献4II级合格。(2) 接管与壳体的D类焊接接头应进行100%磁
8、粉检测，符合文献4I级合 格。(3) 设备主螺柱、主螺母精加工后进行磁粉检测，符合文献4I级合格。 4.4热处理要求(1) 主螺柱毛坯应进行调质处理(回火温度502C)，热处理后的机械性 能符合文献的规定，热处理后每个螺柱应进行硬度检测，HB234285合格。(2) 封头成形后应进行正火热处理，并制备母材热处理试件。(3) 为了消除组焊后的残余应力，组焊后对设备整体消除应力热处理，整 体热处理后，焊缝、热影响区和母材的硬度不超过200BHN。5结语这台高压设备选材恰当，结构合理，在制造过程中，对制造质量进行了严格 的控制，安装顺利，目前已投入重庆驰源化工装置使用。参考文献1 GB 150.1 150.4-2011.压力容器2 TSG R0004-2009.固定式压力容器安全技术监察规程3 NB/ T47015-2011.压力容器焊接规程4 JB/T 4730.14730.6.承压设备无损检测.高压容器设计，上海科学技术出 版社，1986
