高压容器的结构特点及设计制造注意事项.pdf

57 第3期 高压容器的结构特点及设计制造注意事项 薛显坤1 韩岁平1 韩宝虎1 张学刚2 刘晓丽2 马文斗3 王影4 1 大连全德重工装备有限公司 辽宁 大连 116045 2 神华神东煤炭集团布尔台洗煤厂 内蒙古 鄂尔多斯 017200 3 华创重工工业 大连 有限公司 辽宁 大连 116000 4 嘉兴市美克斯机械制造有限公司 浙江 嘉兴 314312 摘 要 本文介绍了高压容器的结构特点 高压密封的分类及特点 高压容器的设计和制造的注意事项 及标准和法规对 高压容器的要求 关键词 高压容器结构特点 密封 设计注意事项 制造注意事项 作者简介 薛显坤 1982 男 内蒙古赤峰人 学士 工程 师 从事压力容器质保 设计 工艺工作 随着现代化学工业的飞速发展及装置的大 型化和国产化的趋势 高温 高压和各种介质 腐蚀等工况的高压容器逐渐增多 例如合成氨 装置中 高压设备压力为15 60MPa 合成甲醇 15 30MPa 合成尿素 20MPa 石油加氢装置 8 70MPa 都是利用高压条件下化学平衡向有利 于合成产品的方向进行这一原理进行的 它可提 高化学反应速度并大大缩小反应设备的容积 1 高压容器的结构特点 压力容器压力等级划分中将10MPa P设计压力 100MPa划分为高压 代号H 一般属于第 类容器 也可以按照内外径之比K来划分 通常K 1 1 操作压力超过10MPa时 称为高压容器 对K 1 1的又称为厚壁容器 高压容器承受高压 应力水平较高 考虑到 轴对称受力情况好以及制造的方便 一般设计为 圆筒形壳体 其结构有如下特点 1 1 结构细长 由于应力水平高 容器直径越大 壁厚也越大 这就需要大型的机加工设备 同时还 给焊接缺陷的控制 残余应力的消除 热处理等方 面带来了困难 增加了制造成本 另外直径越大密 封越困难 但工艺要求有一定的容积 所以其长度 往往较大 长径比可达12 15 甚至高达28 1 2 采用平盖或球形封头 高压容器端盖一般较 厚 密封结构复杂 直径较小的可拆端盖不采用凸 型盖而采用平盖 但是平盖受力条件差 材料消耗 多 比较笨重 而且大型锻件的质量也难以保证 所以平盖仅在1m直径以下的高压容器中采用 1 3 密封结构特殊多样 多种自紧式密封 高 压容器密封结构比较复杂 密封面加工要求比较 高 一般采用金属密封圈 而且密封元件形式多 样 高压容器应尽可能利用介质的高压压紧密封 件 因此出现多种自紧式密封结构 另外为尽量 减少可拆结构给密封带来的困难 一般仅一端可 拆 另一端不可拆 1 4 高压筒身限制开孔 高压容器由于筒壁的应力 水平表较高 如果在筒壁开孔 乘上2 3倍的应力 系数 则开孔附近的应力势必很高 有达到屈服 的危险 因此为了不消弱筒壁的强度 工艺性或 其它必要的开孔 都尽量不开在筒壁上 而是开 在端盖上并且尽量减小孔径 1 5 高压容器由于内件直径小 容器内部安装内件 不方便 因此内件多在外部组装好 也称芯子 将芯子吊装入容器内部 1 6 支座一般不设置在筒壁上 高压容器筒壁应 力较高 且一般自重较大 如采用支座焊接在筒 壁上 将产生过大的局部应力 对于层板包扎的 容器将会增大层间间隙 因此高压容器的支座一 般不设在筒壁上 而尽可能放置在底部封头上 中小型高压容器常采用环形支座 而大型高压容 器 采用裙式支座 2 高压容器的密封 高压容器的密封结构是整个设备中的重要部 分 密封结构的严密性和完整性经常影响到容器 58 技术交流 石油和化工设备 2017年第20卷 是否正常运行 2 1 从密封原理上应遵循如下原则 2 1 1 采用金属垫圈 高压密封面的比压远远超过 中低压的密封比压才能满足高压密封的要求 非 金属垫片材料无法达到如此大的密封比压 高压 容器常用的金属垫圈是延性好的退火铝 退火紫 铜或软钢 2 1 2 采用窄面密封 高压容器窄面密封代替中低 压容器的宽面密封有利于提高密封面比压 可大 大减少总的密封力 减小密封螺栓的直径 也有 利于减小法兰与封头的结构尺寸 甚至将窄面密 封演变成线接触密封 2 1 3 利用介质压力达到自紧密封 利用介质的高 压来帮助密封 首先使用垫圈预紧 工作时随压 力提高使垫片压紧 达到自紧的目的 2 2 高压密封的分类 2 2 1 强制密封 如平垫密封 卡扎里密封 单锥 环密封 透镜式密封等 强制性密封依靠螺栓力 压紧顶盖 密封元件和筒体端部来形成密封 由 于操作压力增大后螺栓变形 顶盖上升等情况减 小了接触压力 这就要求必须有很大的螺栓预紧 力才能保证密封效果 在操作压力很高或容器直 径很大时 强制性密封的效果也将降低 2 2 2 自紧密封 如伍德式密封 N E C密封 O型 环 B型环 C型环 八角垫 椭圆垫 楔形垫 组合密封等 自紧式密封利用容器内部的压力压 紧密封元件 形成密封 当压力升高后 密封元 件与顶盖 筒体端部之间的接触力加大 密封效 果更好 压力越高 密封效果越好 螺栓仅保证 初始密封所需的预紧力 因此简化了容器顶部结 构和几何尺寸 自紧密封时容器向大直径 高压 力发展的必然趋势 2 2 3 半自紧式密封 如双锥密封等 介于强度密 封和自紧式密封之间 虽然具有一定的自紧性 但是随着压力的升高 密封元件与顶盖 筒体端 部之间的接触力仍会有一定程度的降低 就需要 较大的预紧力才能达到密封效果 因而限制了它 的使用范围 3 高压容器设计注意事项 3 1 高压容器的结构必须保证强度的可靠性 为了 保证强度 使容器在操作压力作用下 不导致破 坏或过量的塑性变形 就必须对容器的受力元件 进行详细的应力分析 并结合选材 制造 检验 等综合考虑 然后定出合理的壳体结构和尺寸 3 2 压力容器的接管 凸缘 与壳体的接头设计时 应采用全焊透结构 3 3 应采用整体补强或者采用局部整体补强的补强 方法 3 4 对容器的A B类对接接头进行全部的无损检 测 射线检测或超声检测 3 5 厚度大于或等于12mm的碳素钢和低合金钢钢 板 不包括多层压力容器的层板 用于制造压力 容器壳体时应逐张进行超声波检测 3 6 高压容器螺栓应采用中部较细的双头细牙螺 栓 3 7 提出锻件 垫片 螺栓的硬度要求 金属垫片 的硬度应小于法兰的硬度 4 高压容器制造注意事项 4 1 高压容器的开孔接管及凸缘处角接接头及内径 边角处的过渡圆角半径R 5mm或按照图样规定 成形表面应均匀圆滑 不得有裂纹 咬边和棱 角 4 2 第 类容器的 级锻件应进行复验 4 3 高压容器用壳体的钢管 设备制造厂应逐根按 设备液压试验压力进行水压试验 4 4 焊条应采用低氢焊条 4 5 对接焊接接头应全部射线或超声检测 4 6 材料代用 在生产制造中可能存在采用代用材 料 因设计选用的材料已按最佳使用材料考虑 因此在材料代用时必须考虑容器设计中的各项参 数 不能盲目更改 4 7 制定详细的制造工艺和质量计划 加强过程检 查 注意细节 5 结束语 高压容器由于压力较高且工作温度 介质等 复杂多样 导致高压容器一旦发生事故后果相当 严重 因此需要在设计和制造环